Big Bang HTL 3, Schulbuch

Grundlagen der elektromagnetischen Wellen 7 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 67 Nun wird die Ladung ruckartig nach oben wegbewegt, also beschleunigt (b und c). Die Information über diese Bewe- gung kann sich aber nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbrei- ten ( F3 ). Das ist eine der Grundaussagen der speziellen Relativitätstheorie. Daher „wissen“ außerhalb eines kreis- förmigen, sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitenden Be- reichs die Feldlinien noch nichts von der Bewegung der La- dung, wodurch ein Knick entsteht. Das ist die Störung , und das Weiterlaufen dieser Störung ist die elektromagnetische Welle. Wo ist aber nun der magnetische Anteil der Welle? Hier kommt J AMES C LERK M AXWELL (Abb. 7.4) ins Spiel. Maxwell konnte 1856 auf rechnerischem Weg Folgendes zeigen: Ein veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Abb. 7.3: Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen: Die Skala ist offen, denn die Wellenlängen sind theoretisch weder nach oben noch nach unten begrenzt. Zwischen Wellenlänge ( λ ) und Frequenz ( f ) besteht folgender Zusammenhang: c = f · λ , wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Die farbigen Markierungen geben an, in welchem Kapitel die jeweiligen Wellen genauer besprochen werden: • Kap. 9, • Kap. 8 und 19, • Kap. 10 und • Kap. 6 Feld und ein veränderliches magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Feld. Kurz kann man also sagen: Veränderliche elektrische und magnetische Felder erzeugen einander ge- genseitig. Sie sind untrennbar miteinander verbunden und bilden gemeinsam eine elektromagnetische Welle. Das erklärt, warum der vorbeilaufende Knick des elektrischen Feldes (Abb. 7.7, S. 68) auch eine magnetische Komponente besitzt. An dem Ort, an dem die elektrische Schockwelle gerade vorbeistreicht, ändert sich das elektrische Feld und erzeugt somit auch ein magneti- sches (Abb. 7.9, S. 68). Info: Maxwell’sche Gleichungen Abb. 7.4: J AMES C LERK M AXWELL (1831–1879) Maxwell’sche Gleichungen Die vier Maxwell’schen Gleichungen beschreiben die Erzeu- gung von elektrischen und magnetischen Feldern durch Ladungen und Ströme sowie die Wechselwirkung zwischen diesen Feldern. Maxwell fasste die zu seiner Zeit bekannten Gesetzmäßigkeiten zusammen und komplettierte sie. Er brachte sie in eine elegante mathematische Form, die aber die Schulmathematik übersteigt. Man kann die wesent- lichen Aussagen aber auch in Worten und Bildern verstehen. 1. Gleichung (Abb. 7.5 a): Wenn elektrische Feldlinien von einem Punkt ausgehen oder in einem Punkt enden, befindet sich dort eine elektrische Ladung (Kap. 4.1, ab S. 32). 2. Gleichung (Abb. 7.5 b): Magnetische Feldlinien bilden im- mer geschlossene Schleifen. Das magnetische Feld ist also quellenfrei (Kap. 5.1, S. 44). 3. Gleichung (Abb. 7.6 a): Wenn sich ein Magnetfeld ändert, ist es von ringförmig geschlossenen elektrischen Feldlinien umgeben. Das ist eine andere Formulierung des Induktions- gesetzes (Kap. 5.4, ab S. 49). Während bei einem elektrostati- schen Feld die Feldlinien Anfang und Ende haben, sind sie im elektrodynamischen Feld geschlossen. 4. Gleichung (Abb. 7.6 b): Sich ändernde elektrische Felder sind von ringförmigen, geschlossenen Feldlinien umgeben. Nicht nur Ströme (Kap. 5.1, S. 44), sondern auch veränder- liche elektrische Felder erzeugen magnetische Wirbelfelder. Mit Hilfe der 3. und 4. Gleichung stellte Maxwell eine Symmetrie zwischen elektrischem und magnetischem Feld her und konnte die Existenz von EM-Wellen voraussagen. Mit Hilfe der Maxwell’schen Gleichungen kann man alle Phänomene der Elektrodynamik beschreiben. Sie haben für diese eine ähnliche Bedeutung wie die Newton’schen Axiome (Kap. 6, NAWI 1) für die Mechanik. i Abb. 7.5 Abb. 7.6 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv