1. Licht und Strahlung

Elektromagnetische Wellen    (1/4)

Die Überschrift lässt vermuten, dass Lichtwellen mit Elektrizität und Magnetismus zu tun haben. Tatsächlich ist dies eine der wichtigsten Entdeckungen der klassischen Physik im 19ten Jahrhundert. Wie ist es dazu gekommen?

• Elektrizität war schon den alten Griechen bekannt. Das Wort Elektron leitet sich aus dem griechischen Wort für Bernstein her, ηλεκτρον. Reibt man einen Bernstein mit einem Katzenfell, entstehen elektrische Ladungen, wodurch Vogelfedern angezogen werden, und es entstehen Funken, wenn man mit dem Fell einen geerdeten Gegenstand berührt. Auch waren magnetische Gesteine bekannt, von denen Gegenstände aus Eisen angezogen werden.
• Im Jahr 1820 fand der dänische Physiker Hans Christian Ørsted einen Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus: fließt elektrischer Strom durch einen Draht, wird eine Kompassnadel aus ihrer Lage abgelenkt. Also erzeugt elektrischer Strom ein Magnetfeld um den Draht, wodurch Kräfte auf magnetische Gegenstände ausgeübt werden. Diese Entdeckung war der Anfang der Elektrodynamik.
• 1831 fand der englische Physiker Michael Faraday, dass ein bewegter Magnet einen elektrischen Strom in einem Draht erzeugt, wie man sagt: einen Strom induziert. Er konnte weiterhin zeigen, dass durch veränderliche Magnetfelder elektrische Felder um die magnetischen Feldlinien herum entstehen.
• Schließlich unternahm im Jahr 1856 James Clerk Maxwell den (erfolgreichen!) Versuch, all diese früheren Entdeckungen in eine einzige Theorie zusammenzuführen. Die Maxwell-Gleichungen erklären, dass elektrische Ladungen die Ursache elektrischer Felder sind. Und dass es andererseits keine magnetischen Ladungen gibt; vielmehr werden Magnetfelder durch elektrische Ströme oder zeitlich veränderliche elektrische Feldern hervorgerufen. In ähnlicher Weise induzieren zeitlich veränderliche Magnetfelder elektrische Felder. Dies hört sich sehr kompliziert an. Aber die mathematische Formulierung ist sehr klar! Man erhält Gleichungen, die in Bezug auf das elektrische und magnetische Feld ganz symmetrisch aufgebaut sind. Sie gelten als die schönsten Gleichungen der Physik! Um sie zu verstehen ist die Differenzial- und Integralrechung erforderlich, was möglicherweise den Rahmen dieser Lerneinheit übersteigt. Die Maxwell-Gleichungen werden sicherlich in Ihrem Physikunterricht vorgestellt. Sie finden sie auch in der Ergänzung 1.1.

Was hat dies alles nun mit den elektromagnetischen Wellen zu tun? Wir haben gesehen, dass elektrische Ladungen und Ströme elektrische und magnetische Felder hervorrufen. Es scheint auch, als ob es solche Felder ohne Ladungen und Ströme nicht geben kann. Es gibt aber eine Ausnahme: gekoppelte zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder kann es auch bei Abwesenheit elektrischer Ladungen und Ströme geben! Diese gekoppelten Felder sind die elektromagnetischen Wellen.

Mit den Maxwell-Gleichungen lässt sich zeigen, dass die Vektoren des elektrischen und magnetischen Felds immer senkrecht aufeinander stehen. Beide stehen senkrecht auf der Richtung der Wellenausbreitung, und deshalb sind elektromagnetische Wellen Transversalwellen.

Die transversalen Eigenschaften elektromagnetischer Wellen werden in der Grafik unten deutlich.

Eine von links nach rechts entlang der x-Achse laufende ebene monochromatische Welle.

Das Bild oben zeigt eine ebene monochromatische Welle. Sie ist das einfachste Beispiel einer Welle. Ihre Ausbreitung kann in einer Animation betrachtet werden. Was genau ist eine ebene monochromatische Welle?

• Ebene Wellen breiten sich in nur eine Richtung aus, hier: in Richtung x.
• Monochromatisch bedeutet, dass solche Wellen nur einen Wert der Wellenlänge und der Periodendauer (und somit auch Frequenz) aufweisen, wie schon auf der vorherigen Seite gezeigt worden ist.

Es ist leicht einzusehen, dass Wellen mit solchen idealen Eigenschaften schwer zu realisieren sind. Tageslicht oder auch das Licht einer Lampe besteht aus einem Gemisch von Wellen unterschiedlicher Wellenlängen und Amplituden, die sich in die verschiedensten Richtungen ausbreiten. Mit Lasern können aber nahezu ideale ebene monochromatische Wellen erzeugt werden. Die Laserprinzipien und die Eigenschaften von Laserstrahlung werden in einer anderen Lerneinheit mit dem Titel Fernerkundung mit Lasern diskutiert.