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Elektromagnetische Wellen

Ein sich änderndes elektrisches Feld wirkt wie ein Strom. Man nennt es den Verschiebungsstrom, und er erzeugt ein Magnetfeld. Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Feld. Zusammen laufen beide als elektromagnetische (EM) Welle mit c = 3 × 10⁸ m/s, sogar durch den leeren Raum. E und B stehen senkrecht aufeinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, deshalb sind EM-Wellen transversal. Nach der Wellenlänge geordnet bilden sie das Spektrum: Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.

🎬 Geschichte Schritt für Schritt

  1. Ein Kondensator wird geladen. In den Drähten fließt Strom, aber keine Ladung springt über die Lücke. Trotzdem wächst das elektrische Feld in der Lücke. Dieses sich ändernde Feld wirkt wie ein Strom. Wir nennen es den Verschiebungsstrom.
  2. Ein sich änderndes E-Feld erzeugt ein B-Feld. Ein sich änderndes B-Feld erzeugt ein E-Feld. Jedes erzeugt das andere immer wieder, deshalb kann das Paar die Drähte verlassen und sich allein weiterbewegen.
  3. Dieses wandernde Paar ist eine elektromagnetische Welle. Rote Pfeile sind E, blaue Pfeile sind B. Sie steigen und fallen gemeinsam und bewegen sich mit 3 × 10⁸ m/s. Sie brauchen weder Luft noch Wasser.
  4. Schau dir die Richtungen an. E schwingt auf und ab. B schwingt seitlich. Die Welle läuft nach vorn. Alle drei stehen im Winkel von 90° zueinander. Darum ist die Welle transversal.
  5. Alle EM-Wellen sind die gleiche Art von Welle. Nur die Wellenlänge ist anders. Lange Wellen sind Radiowellen. Kürzere sind Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgen- und Gammastrahlen.
  6. Jetzt bist du dran. Bewege den Wellenlängen-Regler. Rate zuerst den Namen des Bereichs und prüfe dann Nutzen und Quelle.

Tipp: Zieh die 3D-Szene, um sie zu drehen. Mit zwei Fingern zoomst du.

🤔 Häufige Zweifel, geklärt

Wenn keine Ladung über die Lücke wandert, wie kann dort ein Strom sein?

Es fließen keine Ladungen. Aber das elektrische Feld in der Lücke ändert sich, und ein sich änderndes E-Feld erzeugt ein Magnetfeld genau wie ein echter Strom. Darum nennen wir es wegen seiner Wirkung "Strom".

Gibt es den Verschiebungsstrom immer?

Nur solange sich E ändert. Ist der Kondensator voll geladen, ändert sich E nicht mehr und I_d wird null, genau wie der Strom im Draht aufhört.

Wie halten sich die Felder ohne Drähte am Laufen?

Ein sich änderndes E erzeugt ein sich änderndes B, und ein sich änderndes B erzeugt ein sich änderndes E. Jedes erzeugt das andere immer wieder, so ziehen sie weiter durch den Raum.

Braucht Licht Luft, um sich auszubreiten?

Nein. EM-Wellen brauchen kein Medium. Sonnenlicht durchquert 150 Millionen km fast leeren Raum.

Wenn E und B beide da sind, in welche Richtung läuft die Welle?

Senkrecht zu beiden, entlang E × B. Sieh zu, wie E auf und ab geht, B seitlich schwingt und die Welle nach vorn läuft.

Sind Röntgenstrahlen und Radiowellen wirklich dasselbe?

Ja. Beide sind EM-Wellen mit gleicher Geschwindigkeit im Vakuum. Nur Wellenlänge und Energie sind verschieden.

Welcher Bereich trägt mehr Energie?

Je kürzer die Wellenlänge, desto mehr Energie. Schiebe von Radio Richtung Gamma und sieh, wie sich die Namen der Bereiche ändern.

Verschiebungsstrom: der fehlende Strom

Das Ampèresche Gesetz sagt: Ein Strom erzeugt um sich herum ein Magnetfeld. Denk nun an einen Kondensator, der geladen wird. In den Drähten fließt Strom. Zwischen den Platten ist aber nur Luft oder leerer Raum. Keine Ladung kommt hindurch.

Trotzdem findet man auch um die Lücke ein Magnetfeld. Also muss in der Lücke etwas wie ein Strom wirken. Maxwell fand es: das sich ändernde elektrische Feld zwischen den Platten.

Er nannte es den Verschiebungsstrom Id:

Id = ε₀ × (dΦE/dt)

Hier ist ΦE der elektrische Fluss (Feld × Fläche) und ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C²/N m². Beim Laden ist Id in der Lücke gleich dem Strom I im Draht. Der Strom ist also ringsum "durchgehend".

Ampère-Maxwell-Gesetz

Der gesamte Strom, der ein Magnetfeld erzeugt, ist I + Id. In Worten: Ein Magnetfeld entsteht durch bewegte Ladungen und durch ein sich änderndes elektrisches Feld.

Warum das wichtig ist

Ein sich änderndes B erzeugt E (Faraday). Ein sich änderndes E erzeugt B (Maxwell). Diese Verbindung in beide Richtungen hält die Felder gegenseitig am Laufen. So entstehen Licht und Radiowellen.

Wie eine EM-Welle entsteht

Eine ruhende Ladung erzeugt nur ein E-Feld. Eine Ladung mit gleichmäßiger Geschwindigkeit erzeugt auch ein B-Feld, aber keine Welle. Eine Ladung, die beschleunigt (schneller wird, bremst oder hin und her schwingt), sendet EM-Wellen aus.

Beispiel: In einer Radioantenne bewegen sich Elektronen millionenfach pro Sekunde auf und ab. Sie senden Radiowellen mit derselben Frequenz aus.

Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Transversale Natur der EM-Wellen

Bei einer Transversalwelle schwingt es senkrecht zur Richtung, in die sich die Welle bewegt. Für eine EM-Welle entlang x gilt:

E, B und die Ausbreitungsrichtung stehen alle im Winkel von 90° zueinander. Die Ausbreitungsrichtung ist die Richtung von E × B.

Beweis aus dem Alltag

Polarisationsbrillen verringern Blendung. Sie lassen nur Licht durch, dessen E-Feld in einer Richtung schwingt. Nur eine Transversalwelle lässt sich so "filtern". Schall (eine Longitudinalwelle) geht das nicht.

Das elektromagnetische Spektrum: von Radio bis Gamma

Das Spektrum ist die ganze Familie der EM-Wellen, nach Wellenlänge geordnet. Von der längsten Wellenlänge (kleinste Frequenz, kleinste Energie) zur kürzesten:

BereichWellenlänge (ungefähr)Wie sie entstehtNutzen
Radio> 0.1 mElektronen, die sich in Antennen bewegenRadio, Fernsehen, Mobiltelefone
Mikrowelle0.1 m bis 1 mmMagnetron / Klystron-RöhrenRadar, Mikrowellenherd, WLAN, Satellitenverbindungen
Infrarot1 mm bis 700 nmHeiße Körper, schwingende MoleküleFernbedienung, Nachtsicht, Wärmetherapie, Treibhauseffekt
Sichtbar700 nm bis 400 nmElektronen, die in Atomen springenSehen, Fotografie, Glasfaser
Ultraviolett400 nm bis 1 nmSonne, sehr heiße Körper, BogenlampenKeime im Wasser abtöten, Geldscheine auf Fälschung prüfen, LASIK-Augenoperation
Röntgenstrahlen1 nm bis 10⁻³ nmSchnelle Elektronen, die auf ein Metall treffenKnochen- und Zahnaufnahmen, Gepäckkontrolle am Flughafen
Gammastrahlen< 10⁻³ nmRadioaktive Atomkerne, KernreaktionenKrebszellen zerstören, medizinische Geräte sterilisieren

Sicherheit in einfachen Worten

Kürzere Wellenlänge bedeutet mehr Energie pro Paket. UV kann Sonnenbrand verursachen; die Ozonschicht hält das meiste davon ab. Röntgen- und Gammastrahlen können Zellen schädigen, deshalb hält man die Dosis klein.

Probier es zu Hause aus

Richte eine Fernbedienung auf die Frontkamera deines Handys und drücke eine Taste. Die Kamera zeigt ein kleines blinkendes Licht. Deine Augen sehen dieses Infrarotlicht nicht, die Kamera aber schon. Halte nun ein Glas Wasser davor: Es funktioniert weiter. Halte deine Hand davor: Es hört auf. Finde dann mit dem λ-Regler in der 3D-Szene heraus, welchen Bereich die Fernbedienung nutzt.

Wichtige Formeln und Definitionen

Gelöste Beispiele

1. Ein UKW-Sender sendet mit 100 MHz. Berechne die Wellenlänge.

Schritt 1: c = fλ, also λ = c/f. Schritt 2: λ = (3 × 10⁸) / (100 × 10⁶) = 3 m. Antwort: 3 m (Radiobereich).

2. Gelbes Licht hat die Wellenlänge 600 nm. Berechne seine Frequenz.

Schritt 1: f = c/λ. Schritt 2: λ = 600 × 10⁻⁹ m = 6 × 10⁻⁷ m. Schritt 3: f = 3 × 10⁸ / 6 × 10⁻⁷ = 5 × 10¹⁴ Hz.

3. In einer EM-Welle beträgt das maximale Magnetfeld B₀ = 2 × 10⁻⁸ T. Berechne das maximale elektrische Feld.

Schritt 1: E₀ = c B₀. Schritt 2: E₀ = 3 × 10⁸ × 2 × 10⁻⁸ = 6 V/m.

4. Eine Welle hat λ = 1 nm. Nenne den Bereich und berechne f.

Schritt 1: 1 nm liegt an der Grenze zwischen UV und Röntgenstrahlen; man rechnet es zu weicher Röntgenstrahlung. Schritt 2: f = 3 × 10⁸ / 10⁻⁹ = 3 × 10¹⁷ Hz.

5. Ein Kondensator mit 2 μF wird so geladen, dass die Spannung mit 5 × 10⁴ V/s steigt. Berechne den Verschiebungsstrom zwischen den Platten.

Schritt 1: Ladung Q = CV, also ist der Strom in die Platte I = C dV/dt. Schritt 2: In der Lücke ist I_d gleich diesem Strom. Schritt 3: I_d = 2 × 10⁻⁶ × 5 × 10⁴ = 0.1 A.

6. Ein Plattenkondensator hat die Plattenfläche 0.02 m². Das elektrische Feld zwischen den Platten ändert sich mit 5 × 10¹² V/(m s). Berechne I_d.

Schritt 1: Φ_E = E × A, also dΦ_E/dt = A × dE/dt = 0.02 × 5 × 10¹² = 10¹¹ V m/s. Schritt 2: I_d = ε₀ dΦ_E/dt = 8.85 × 10⁻¹² × 10¹¹ ≈ 0.885 A.

7. Licht mit der Frequenz 5 × 10¹⁴ Hz tritt in Glas mit n = 1.5 ein. Berechne Geschwindigkeit und Wellenlänge im Glas.

Schritt 1: v = c/n = 3 × 10⁸ / 1.5 = 2 × 10⁸ m/s. Schritt 2: Die Frequenz ändert sich in einem neuen Medium nicht. Schritt 3: λ = v/f = 2 × 10⁸ / 5 × 10¹⁴ = 4 × 10⁻⁷ m = 400 nm.

8. Prüfe, dass 1/√(μ₀ε₀) die Lichtgeschwindigkeit ergibt. (μ₀ = 4π × 10⁻⁷, ε₀ = 8.85 × 10⁻¹²)

Schritt 1: μ₀ε₀ = 4π × 10⁻⁷ × 8.85 × 10⁻¹² ≈ 1.112 × 10⁻¹⁷. Schritt 2: √(1.112 × 10⁻¹⁷) ≈ 3.33 × 10⁻⁹. Schritt 3: 1 / 3.33 × 10⁻⁹ ≈ 3 × 10⁸ m/s. Das passt zum Licht, also ist Licht eine EM-Welle.

Häufige Fehler

Übungsquiz

1. Der Verschiebungsstrom wird verursacht durch:
2. Was hat die kürzeste Wellenlänge?
3. In einer EM-Welle ist der Winkel zwischen E und B:
4. Was wird in einer Fernbedienung benutzt?
5. Die Geschwindigkeit von EM-Wellen im Vakuum ist:

Üben: Beantworte diese selbst

Tippe oder wähle deine Antwort und drücke dann Prüfen. Nutze einen Tipp, wenn du nicht weiterkommst; die ganze Lösung erscheint nach deiner Antwort.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Verschiebungsstrom in einfachen Worten?

Es ist der "Strom", den ein sich änderndes elektrisches Feld bildet, zum Beispiel in der Lücke eines sich ladenden Kondensators. Er erzeugt ein Magnetfeld wie ein normaler Strom. I_d = ε₀ dΦ_E/dt.

Wie ist die Reihenfolge des elektromagnetischen Spektrums?

Radio, Mikrowelle, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen, von der längsten zur kürzesten Wellenlänge.

Warum sind elektromagnetische Wellen transversal?

Weil das elektrische und das magnetische Feld senkrecht zur Richtung schwingen, in die sich die Welle bewegt.

Wo das unterrichtet wird

ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism and modern physics
RomaniaClasa a XI-aElectromagnetic oscillations and waves
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Spain2º BachilleratoVibrations and waves
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CBSE (India)Class 12Electromagnetic Waves
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 11Properties of Substances and Mixtures
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Waves, Sound, and Physical Optics
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