Big Bang 7, Schulbuch

Grundlagen der elektromagnetischen Wellen 28 RG 7.1 G 7.1 Kompetenzbereich Elektromagnetische Wellen 17 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. 28.10). Aber welchen Beleg hatte Maxwell dafür, um zu behaupten, dass Licht eine EM-Welle ist? Er hatte berechnet, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit 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 möglich ist, nämlich mit rund 300 Millionen Meter pro Sekunde (3·108m/s; Abb. 28.12). Maxwells theoretische Vorhersagen konnten erst 1886 experimentell belegt werden, als es H EIN - RICH H ERTZ gelang, EM-Wellen auf künstlichemWeg herzustel- len und deren Eigenschaften zu testen (siehe Kap. 31.1, S. 33). Info: Mit der Geschwindigkeit des Lichts 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 Erd- bebenwellen, und diese benötigen ein Medium. Deshalb Abb. 28.10: Verschmelzung von Elektrizität, Magnetismus und Optik 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 elekt- rische Feldkonstante ( ε 0 = 8,8542 · 10 –12 As/Vm) und die mag- netische 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. Wenn wir 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 solche Welle ist. i dachte man, dass dieses Prinzip auch für EM-Wellen gelten müsse, und „konstruierte“ ein Medium, das man den Äther nannte. Der in Wahrheit nicht existente Äther hätte total verrückte Eigenschaften besitzen müssen. Info: Stahlhartes Nichts Lange Zeit wurde in aufwändigen Experimenten versucht, diesen Äther nachzuweisen – natürlich ohne Erfolg. Erst A LBERT E INSTEIN (Abb. 28.13) gab der Äthertheorie den Rest, und zwar gleich doppelt. Er konnte nämlich im Rahmen seiner Speziellen Relativitätstheorie („Big Bang 8“) zeigen, dass die Maxwell-Gleichungen auch ohne Medium funktio- nieren. Salopp gesagt brauchen EM-Wellen deshalb kein Medium, weil das elektromagnetische Feld selbst das Medium ist. Man kann es aber auch anders sehen: Licht und alle anderen EM-Wellen haben sowohl Wellen- als auch Teilchennatur. Auch diese Erkenntnis geht auf Einstein zu- rück, und zwar im Rahmen seiner Erklärung des Fotoeffekts (siehe Kap. 33.3 f. ab S. 57). Stahlhartes Nichts Der von M AXWELL und anderen Physikern erdachte Äther hät- te ein seltsames Ding sein müssen. Licht kann das Vakuum durchfliegen. Daher müsste auch das Vakuum mit Äther er- füllt sein. Das bedeutet, dass der Äther quasi ein Nichts sein müsste. Andererseits können sich Transversalwellen nur in Festkörpern und an der Oberfläche von Flüssigkeiten aus- breiten ( F10 ). Da EM-Wellen transversal schwingen (Abb. 28.11), müsste also der Äther ein Festkörper sein, und weil c so groß ist, müsste er viel, viel härter sein als Stahl. Bleibt unterm Strich: Der Äther müsste ein stahlhartes Nichts sein! Absurd! i Abb. 28.11: Bei EM-Wellen schwingen sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld quer zur Ausbreitungsrichtung. Sie sind daher Transversalwellen. Abb. 28.12: Die Höchst- geschwindigkeit im Universum beträgt rund 3 · 10 8 m/s – auch für die Enter- prise. Abb. 28.13: Erst A LBERT E INSTEIN machte 1905 klar, dass elektromagnetische Wellen kein Medium benötigen, und zwar mit seiner Speziellen Relativi- tätstheorie und mit der Erklärung des Fotoeffekts. Nur zu Prüfzw cken – Eigentum Am 2 des Verlags öbv