Big Bang HTL 3, Schulbuch

Grundlagen der elektromagnetischen Wellen 7 Ausgewählte Kapitel der klassischen Physik (III. Jg., 5. Sem.) 69 Durch die Entdeckungen von Ø RSTED und F ARADAY kam es zu einer Verschmelzung von Elektrizität und Magnetismus zum Elektromagnetismus. Durch die Entdeckung M AXWELLS kam es zu einer weiteren Verschmelzung von Elektroma- gnetismus und Optik, denn das Licht ist eine elektromagne- tische Welle und lässt sich durch die Maxwell’schen Glei- chungen beschreiben ( F6 ; Abb. 7.10). Experiment: Ørsted-Versuch Abb. 7.10: Verschmelzung von Elektrizität, Magnetismus und Optik Aber welchen Beleg hatte Maxwell, um zu behaupten, dass Licht eine EM-Welle ist? Er hatte berechnet, dass die Aus- breitungsgeschwindigkeit seiner neu entdeckten Wellen der Lichtgeschwindigkeit entsprach ( F7 ). Egal ob Licht, Radar- oder Mikrowellen: Alle EM-Wellen breiten sich mit der höchsten Geschwindigkeit aus, die im Universum mög- lich ist, nämlich mit rund 300 Millionen Meter pro Sekunde (3 · 10 8 m/s; Abb. 7.13). Maxwells theoretische Vorhersagen konnten erst 1886 experimentell belegt werden, als es H EINRICH H ERTZ gelang, EM-Wellen auf künstlichem Weg herzustellen und deren Eigenschaften zu testen (siehe Kap. 10.1, S. 89). Info: Mit der Geschwindigkeit des Lichts Ørsted-Versuch Der Ørsted-Versuch, der zur Verschmelzung von Elektrizität und Magnetismus geführt hat, kann mit einfachen Mitteln nachvollzogen werden. Nimm eine Flachbatterie (4,5V), ein kurzes Kabel und einen Kompass (siehe Abb. 7.11). Wenn du die Batterie kurzschließt, dann ändert die Kompassnadel die Richtung. Überlege vorher mit Hilfe der Rechte-Hand- Regel (Abb. 7.12), in welche Richtung der Nordpol zei- gen wird. Du darfst die Bat- terie nur kurz kurzschließen, weil sie dabei schnell leer wird. e Abb. 7.11 Abb. 7.12: a) das Magnetfeld um einen elektrischen Leiter; b) Bestim- mung der Richtung des Magnetfeldes mit der rechten Hand In welchem Medium breiten sich EM-Wellen aus? Wie kommt also etwa das Licht der Sonne durch den leeren Raum zur Erde? Es ist verblüffend, aber diese Wellen benöti- gen kein Medium zur Ausbreitung ( F9 )! Das wusste man zu Maxwells Zeiten aber noch nicht. Damals kannte man nur mechanische Wellen wie Schall-, Wasser- oder Erdbe- benwellen, und diese benötigen ein Medium. Deshalb dach- te man, dass dieses Prinzip auch für EM-Wellen gelten müsste, und „konstruierte“ ein Medium, das man den Äther nannte. Dieser musste allerdings ziemlich paradoxe Eigen- schaften aufweisen. Info: Stahlhartes Nichts Lange Zeit wurde in aufwändigen Experimenten versucht, diesen Äther nachzuweisen – natürlich ohne Erfolg. Erst A LBERT E INSTEIN (Abb. 7.14) gab der Äthertheorie den Rest, und zwar gleich doppelt. Er konnte nämlich im Rahmen seiner Speziellen Relativitätstheorie (siehe NAWI IV) zeigen, dass die Maxwell-Gleichungen auch ohne Medium funktionieren. Abb. 7.13: Die Höchstge- schwindigkeit im Universum beträgt rund 3 · 10 8 m/s – auch für die Enterprise. Abb. 7.14: Erst A LBERT E INSTEIN machte 1905 klar, dass elektromagnetische Wellen kein Medium benötigen, und zwar mit seiner Speziellen Relativitätstheorie und mit der Erklärung des Fotoeffekts. Mit der Geschwindigkeit des Lichts M AXWELL konnte berechnen, dass sich die von ihm gefunde- nen EM-Wellen mit der Geschwindigkeit c = 1/ √ ____ ε 0 · µ 0 aus- breiten mussten. Überprüfen wir zunächst einmal, ob c tat- sächlich die Einheit einer Geschwindigkeit hat: [ 1 _____ √ ____ ε 0 · µ 0 ] = 1 _______ √ ______ As ___ Vm Vs ___ Am = 1 ____ √ ___ s 2 ___ m 2 = m __ s Die Einheit stimmt! Wenn man nun die Werte für die elektri- sche Feldkonstante ( ε 0 = 8,8542 · 10 –12 As/Vm) und für die magnetische Feldkonstante ( µ 0 = 4 · π · 10 –7 Vs/Am) einsetzt, dann ergibt sich für die Ausbreitungsgeschwindigkeit 2,9979 · 10 8 m/s, und das entspricht tatsächlich der Licht- geschwindigkeit ( F8 )! Der ganz exakte Wert von c beträgt 2,99792458 · 10 8 m/s und ist untrennbar mit der Definition des Meters verknüpft (siehe Kap. 2.3, NAWI 1). Wenn wir später mit c rechnen, dann genügt allerdings ein gerundeter Wert von 3 · 10 8 m/s. Die Tatsache, dass sich EM-Wellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, veranlasste Maxwell zur richtigen Vermutung, dass auch Licht eine EM-Welle ist. i Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des A Verlags öbv