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:
Wir betrachten den Vektor des elektrischen Felds der Welle am Ort im Raum. Die Welle soll sich in eine Richtung ausbreiten, die durch den Einheitsvektor gegeben ist. Die Wellengleichung für das elektrische Feld wird dann durch folgenden Ansatz gelöst:
wobei ein konstanter Vektor mit der gleichen Richtung wie ist. Die Größe f ist eine zweifach differenzierbare Funktion.
Mit der ersten Maxwell-Gleichung für die Divergenz des elektrischen Felds folgt:
und daher gilt:
Das Skalarprodukt zweier Vektoren ist Null wenn die Vektoren senkrecht aufeinander stehen. Daher steht und also auch senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung der Welle.
In der dritten Maxwell-Gleichung
steht der Vektor senkrecht auf . Da die Zeitableitung die Richtung von nicht ändert, folgt unmittelbar, dass und 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:
wobei die Vektoreigenschaften von und vernachlässigt worden sind. Alternativ kann man diese Gleichungen auch mit
- der Kreisfrequenz ω, mit , und
- der Wellenzahl k, mit
darstellen. Mit diesen Größen wird:
Diese Form soll im Weiteren in den Ergänzungen benutzt werden.