Ergänzung 1.2: Maxwell-Gleichungen und elektromagnetische Wellen    (2/3)

Lösung der Wellengleichung

Wir haben die Wellengleichungen abgeleitet, welche die elektromagnetischen Felder im Vakuum charakterisieren. Sie verknüpfen die zweiten räumlichen und zeitlichen Ableitungen des elektrischen und magnetischen Felds:

Δ E = ε o μ o 2 E t 2            Δ B = ε o μ o 2 B t 2

Wir betrachten den Vektor des elektrischen Felds E der Welle am Ort r =( x,y,z ) im Raum. Die Welle soll sich in eine Richtung ausbreiten, die durch den Einheitsvektor a gegeben ist. Die Wellengleichung für das elektrische Feld wird dann durch folgenden Ansatz gelöst:

E = E o f( a r 1 ε o μ o t )

wobei E o ein konstanter Vektor mit der gleichen Richtung wie E ist. Die Größe f ist eine zweifach differenzierbare Funktion.

Mit der ersten Maxwell-Gleichung für die Divergenz des elektrischen Felds folgt:

E = a E o r f( a r 1 ε o μ o t )=0

und daher gilt:                          a E o =0

Das Skalarprodukt zweier Vektoren ist Null wenn die Vektoren senkrecht aufeinander stehen. Daher steht E o und also auch E senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung der Welle.

 

In der dritten Maxwell-Gleichung

× E = B t

steht der Vektor × E senkrecht auf E . Da die Zeitableitung die Richtung von B nicht ändert, folgt unmittelbar, dass E und B senkrecht aufeinander stehen, und beide stehen senkrecht zur Richtung, in der sich die Welle ausbreitet: elektromagnetische Wellen sind transversal.

Ebene monochromatische Wellen

In Kapitel 1, Seite 2 des Abschnitts Elektromagnetische Wellen, haben wir das E-Feld und das B-Feld einer elektromagnetischen Welle, die sich in Richtung x ausbreitet, folgendermaßen geschrieben:

E(x,t)= E o sin2π( x λ t T )          B(x,t)= B o sin2π( x λ t T ) ,

wobei die Vektoreigenschaften von E und B vernachlässigt worden sind. Alternativ kann man diese Gleichungen auch mit

  • der Kreisfrequenz ω, mit ω=2πf= 2π /T , und
  • der Wellenzahl k, mit k= 2π /λ

darstellen. Mit diesen Größen wird:

E(x,t)= E o sin( kxωt )          B(x,t)= B o sin( kxωt )

Diese Form soll im Weiteren in den Ergänzungen benutzt werden.