Abb. 4 Maxwell`schen
Gleichungen
Wie der Name schon andeutet bestehen diese Wellen aus elektrischen und magnetischen Feldern. Abb. 5 zeigt eine solche elektromagnetische Welle. Genauer gesagt zeigt sie die Abhängigkeit des elektrischen Feldes E einer elektromagnetischen Welle von der Zeit t. Wir fragen nun, warum uns das sichtbare Licht anders erscheint, als z.B. die Radiowellen, obwohl beides elektromagnetische Wellen sind. Elektromagnetische Wellen müssen sich also in mindestens einem Parameter unterscheiden. Das Geheimnis der unterschiedlichen Eigenschaften liegt in der sogenannten Wellenlänge. Die Wellenlänge ist der Abstand, der eine vollständige Periode der zeitlichen Änderung des elektrischen Feldes erfaßt. Für uns weniger interessant ist die Amplitude (maximale Auslenkung von der Null Linie) der Welle; sie steht in einem festen Zusammenhang zur Intensität oder „Stärke“ einer Welle.
Abb. 5 elektromagnetische Welle
Die Wellenlänge hat nichts mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu tun; diese ist immer konstant 300 000 km/s (Lichtgeschwindigkeit c). Wohl aber ist die Energie proportional (abhängig) zur Wellenlänge, d.h. eine Welle mit der Wellenlänge x hat immer die Energie y und keine andere. Genauso ist die Frequenz einer Welle proportional zur Wellenlänge, d.h. aus der Frequenz einer Welle kann man die Wellenlänge berechnen (und umgekehrt).
Die Frequenz n ist die Anzahl der Schwingungsperioden, die eine Welle in einer Sekunde durchläuft. Sie ist die Anzahl der Wellenlängeneinheiten, die sich eine Welle in einer Sekunde ausbreitet. Die Frequenz wird in Hertz (Hz=[1/s]) gemessen, wobei ein Hertz bedeutet, daß die Welle eine Schwingung pro Sekunde Ausführt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit konstant ist, läßt sich die Frequenz einer Welle berechnen, wenn die Wellenlänge bekannt ist.
Dazu betrachten wir ein praktisches Beispiel: bei der Feuerwehr funkt man auf dem „2 Meter Band“ und dem „4 Meter Band“. Das bedeutet, daß die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen im Bereich von 2 bzw. 4 Metern liegt. Das bedeutet nicht, daß die Wellenlänge beim Funken um die 2 bzw. 4 Meter schwankt, sondern daß die Wellenlänge je nach eingestelltem Kanal konstant in der nähe, also im selben Abstand, zu 2 bzw. 4 Metern liegt. Wir wollen nun die Frequenzbereich ermitteln, auf dem gefunkt wird. Dazu bedienen wir uns der Frequenzgleichung:
n = c / l n = 300 000 000 ms-1 / 2m
= 150 000 000 1/s = 150 000 000 Hz = 150 MHz
n = 300 000 000 ms-1 / 4m = 75 000 000
1/s = 75 000 000 Hz = 75 MHz
Wenden wir uns nochmals der Frage zu, was denn Funkwellen von Licht, Mikrowellen, Röntgenstrahlen und Wärmestrahlung unterscheidet. Der Unterschied zwischen den 2m- und 4m-Wellen liegt, wie wir oben gesehen haben, in der Wellenlänge (2, 4 m), bzw. Frequenz (150, 75 MHz). Der Unterschied zwischen Funkwellen und Licht liegt auch in der Wellenlänge, bzw, Frequenz, jedoch ist der Wellenlängen- bzw. Frequenzunterschied erheblich größer, als zwischen den 2m und 4m Wellen. Bei Lichtwellen des sichtbaren Bereiches liegt die Wellenlänge bei ca. 600 nm, das sind 0.000 000 6 m. Führen wir die Berechnung der Frequenz mit dieser Wellenlänge durch:
n = c / l, n = 300 000 000 ms-1 / 0.000 000 6 m = 500000000000000 Hz = 500 000 000 MHz
Die folgenden beiden Tabellen zeigen die Spektren, des gesamten Wellenlängenbereiches (Abb.6) und der im Funk verwendeten Wellenlängen (Abb. 7).
Abb. 6 gesamter Wellenlängenbereich
Abb.7 Wellenlängen des Funkverkehrs
Bei der Feuerwehr verwenden wir Wellen mit einer Frequenz zwischen 50 und 200 MHz. UKW-Radio arbeitet mit einer Frequenz von ca. 100 MHz.
Um eine Vorstellung von der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle zu gewinnen, berechnen wir, wie lange sie braucht um eine Strecke von 40 km (Querschnitt von Hamburg) zurückzulegen: t40 km = 40 000 m / 300 000 000 ms-1 = 0.00013 s = 0.1 ms. Die Verschlußzeit einer Fotokamera ist z.B. ca.100 mal größer. Das bedeutet, daß der Empfänger eine Nachricht praktisch zur gleichen Zeit empfängt, zu welcher der Sender sie abgesetzt hat.
Wir wollen unser Bild von der elektromagnetischen
Welle noch etwas vertiefen. Die Physik lehrt: ein sich zeitlich änderndes
elektrisches Feld verursacht ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld und
ein sich zeitlich änderndes magnetisches Feld aber verursacht wieder ein sich
zeitlich änderndes elektrisches Feld. Es entsteht also ein Kreislauf, bei dem
sich abwechselnd elektrische und magnetische Felder bilden und im Raum fortpflanzen.
Die folgende Abbildung (Abb. 8) zeigt, daß elektrisches und magnetisches Feld
einer elektromagnetischen Welle senkrecht aufeinander stehen.
Abb. 8
elektrisches und magnetisches Feld einer elektromagnetischen Welle
Elektrische und magnetische Felder benötigen kein
Material, um sich zu bilden; sie können frei im Raum entstehen. Daraus folgt,
daß sie bei der Ausbreitung nicht auf irgendwelche Materialien angewiesen sein.
Denken wir zurück an die Schallwellen, die sich durch die Atomschwingungen, die
von Atom zu Atom weitergegeben werden, im Raum fortbewegen. Die Schallwellen
sind im Gegensatz zu den elektromagnetischen Wellen auf die Atome angewiesen,
um sich auszubreiten. Daher ist die Kommunikation mit Raumschiffen im Weltall
nur mit elektromagnetischen Wellen (also Funk) möglich, da sie sich auch im
Vakuum ausbreiten und das All passieren.
Zusammenfassend noch einmal die wichtigsten Eigenschaften elektromagnetischer Wellen (zur Frage was verbindet zwei Antennen miteinander ?):
*elektromagnetische Wellen keine mechanische Erscheinung (nicht Schallwellen)
*Ausbreitung im Vakuum
*Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit
*Charakterisierung durch Wellenlänge
*Proportionalität zwischen Wellenlänge und Frequenz