Big Bang 7, Schulbuch

Grundlagen der elektromagnetischen Wellen 28 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen 15 Abb. 28.4: Schematische Darstellung, wie durch das Beschleunigen einer Ladung eine Störung des elektrischen Feldes und somit auch des magneti- schen Feldes entsteht: Bei c streicht die elektromagnetische Welle gerade am Beobachter vorbei. 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 („Big Bang 8“). Daher „wissen“ außerhalb eines kreisförmigen, sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbrei- tenden Bereichs die Feldlinien noch nichts von der Bewe- gung der Ladung, wodurch ein Knick entsteht. Dieser Knick ist eine Störung des elektrischen Feldes , und das Weiter- laufen dieser Störung ist die elektromagnetische Welle. Info: Maxwell’sche Gleichungen Abb. 28.3: 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. 30, Kap. 29 und 35, Kap. 31 und Kap. 27. Abb. 28.5: J AMES C LERK M AXWELL (1831–1879) Maxwell’sche Gleichungen Die vier Maxwell’schen Gleichungen beschreiben die Er- zeugung von elektrischen und magnetischen Feldern durch Ladungen und Ströme und 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. i 1. Gleichung (Abb. 28.6 a): Wenn elektrische Feldlinien von einem Punkt ausgehen oder in einem Punkt enden, befindet sich dort eine elektrische Ladung. 2. Gleichung (Abb. 28.6 b): Magnetische Feldlinien bilden immer geschlossene Schleifen. Das magnetische Feld ist also quellenfrei. 3. Gleichung (Abb. 28.7 a): Ein sich änderndes Magnetfeld ist von ringförmig, geschlossenen elektrischen Feldlinien umgeben. Das ist eine andere Formulierung des Induktions- gesetzes. Während bei einem elektrostatischen Feld die Feldlinien Anfang und Ende haben, sind sie im elektrodyna- mischen Feld geschlossen. 4. Gleichung (Abb. 28.7 b): Ein sich änderndes elektrisches Feld ist von ringförmigen, geschlossenen Feldlinien umge- ben. Nicht nur Ströme, sondern auch veränderliche elektri- sche Felder erzeugen also magnetische Wirbelfelder. Mit der 3. und 4. Gleichung stellte Maxwell eine Symmetrie zwischen elektrischem und magnetischem Feld her und konnte die Existenz von EM-Wellen voraussagen. Mit den Maxwell’schen Gleichungen kann man alle Phänomene der Elektrodynamik beschreiben. Sie haben für diese eine ähnli- che Bedeutung wie die Newton’schen Axiome für die Me- chanik. Abb. 28.6 Abb. 28.7 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv