Elektromagnetische Wellen: Was sind sie und wie werden sie erzeugt (mit Beispielen)

Elektromagnetische (EM) Wellen sausen ständig um Sie herum, und ihre Untersuchung repräsentiert einen ganz entscheidenden Bereich der Physik. Das Verstehen, Klassifizieren und Beschreiben der verschiedenen Formen elektromagnetischer Strahlung hat der NASA und andere wissenschaftliche Einrichtungen drängen menschliche Technologie in und über bisher unerforschtes Gebiet hinaus, oft in dramatischer Wege. Doch nur ein winziger Bruchteil der EM-Wellen ist für das menschliche Auge sichtbar.

In der Physik ist ein gewisses Maß an Mathematik unvermeidlich. Aber das Schöne an den Naturwissenschaften ist, dass die Mathematik logischerweise "ordentlich" ist – das heißt, wenn man mit den Grundgleichungen vertraut ist der klassischen Mechanik (d. h. normalerweise große, sichtbare Dinge, die sich bewegen), kommen die Gleichungen des Elektromagnetismus bekannt vor, nur mit anderen Variablen.

Um elektromagnetische Felder und Wellen am besten zu verstehen, sollten Sie über Grundkenntnisse der Maxwell-Gleichungen verfügen, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von James Clerk Maxwell abgeleitet wurden. Diese Gleichungen, aus denen die allgemeine Lösung für EM-Wellen abgeleitet wird, beschreiben den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus. Am Ende solltest du auch verstehen, was es heißt, eine Welle zu „sein“ – wie

Maxwells Gleichungen formalisieren die Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus und beschreiben alle diese Phänomene. Aufbauend auf der Arbeit von Physikern wie Carl Gauss, Michael Faraday und Charles-Augustin de Coulomb entdeckte Maxwell dass die von diesen Wissenschaftlern aufgestellten Gleichungen für elektrische und magnetische Felder grundsätzlich richtig waren, aber unvollkommen.

Wenn Sie mit Infinitesimalrechnung nicht vertraut sind, lassen Sie sich nicht entmutigen. Sie können ganz schön mitmachen, ohne etwas zu lösen. Denken Sie daran, dass Integration nichts anderes ist als eine clevere Form, die Fläche unter einer Kurve in einem Diagramm zu finden, indem unglaublich kleine Abschnitte dieser Kurve addiert werden. Auch wenn die Variablen und Begriffe anfangs vielleicht nicht viel bedeuten, werden Sie im Laufe des Artikels immer wieder darauf zurückgreifen, da die "Lichter" für Sie bei diesem wichtigen Thema weiter aufleuchten.

​Maxwells erste Gleichungist abgeleitet vonGaußsches Gesetzfür elektrische Felder, die besagt, dass der elektrische Nettofluss durch eine geschlossene Oberfläche (z. B. die Außenseite einer Kugel) proportional zur Ladung im Inneren ist:

Hier repräsentiert das auf dem Kopf stehende Dreieck ("nabla" oder "del") einen dreidimensionalen Gradientenoperator,ρist die Ladungsdichte pro Volumeneinheit undε​₀ ist die ElektrikPermittivität des freien Raums​.

​Maxwells zweite Gleichungist das Gaußsche Gesetz für den Magnetismus, bei dem es im Gegensatz zu elektrischen Feldern keine "punktförmige magnetische Ladung" odermagnetischer Monopol. Stattdessen erscheinen magnetische Feldlinien als geschlossene Schleifen. Der Nettomagnetfluss durch eine geschlossene Oberfläche wird immer 0 sein, was direkt aus den dipolaren Magnetfeldern resultiert.

Das Gesetz besagt, dass jede Linie aus einem MagnetfeldBder Eintritt in ein gewähltes Raumvolumen muss dieses Volumen an einem bestimmten Punkt verlassen, und das heißt, der nächste magnetische Fluss durch die Oberfläche ist daher null.

​Maxwells dritte Gleichung(Faradaysches Gesetz der magnetischen Induktion) beschreibt, wie ein elektrisches Feld durch ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt wird. Das lustige "∂" bedeutet "partielle Ableitung" und impliziert Fluktuation. Abgesehen von den ungeraden Symbolen zeigt die Beziehung, dass eine Änderung des elektrischen Flusses sowohl aus a. resultiert als auchnicht konstantMagnetfeld.

​Die vierte Gleichung von Maxwell(das Ampere-Maxwell-Gesetz) ist die Quelle für die anderen, für Maxwells Korrektur von Amperes Versäumnis, Berücksichtigen Sie instationäre Ströme, die durch die anderen drei Gleichungen gewellt werden, mit Korrekturfaktoren ihrer besitzen. Die Gleichung leitet sich aus dem Ampere-Gesetz ab und beschreibt, wie ein Magnetfeld durch einen Strom (bewegte Ladung), ein sich änderndes Magnetfeld oder beides erzeugt wird.

Hier,μ​₀ ist die Durchlässigkeit des freien Raumes. Die Gleichung zeigt, wie das Magnetfeld in einem bestimmten Bereich um den Strom in einem DrahtJändert sich mit diesem Strom und mit dem elektrischen FeldE​.

Nachdem Maxwell sein Verständnis von Elektrizität und Magnetismus mit seinen Gleichungen formalisiert hatte, suchte er nach verschiedenen Lösungen für die Gleichungen, die neue Phänomene beschreiben könnten.

Da ein sich änderndes elektrisches Feld ein Magnetfeld erzeugt und ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt magnetic ein elektrisches Feld, stellte Maxwell fest, dass eine sich selbst ausbreitende elektromagnetische Welle erzeugt. Mit seinen Gleichungen stellte er fest, dass die Geschwindigkeit einer solchen Welle eine Geschwindigkeit hat, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Dies stellte sich als kein Zufall heraus und führte zur Entdeckung, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung ist!

Im Allgemeinen sind Wellen Schwingungen in einem Medium, die Energie von einem Ort zum anderen übertragen. Wellen haben eine mit ihnen verbundene Wellenlänge, Periode und Frequenz. Die Geschwindigkeitveiner Welle ist ihre Wellenlängeλmal seine Frequenzf, oder f = v.

Die SI-Einheit der Wellenlänge ist das Meter, obwohl Nanometer häufiger anzutreffen sind, da diese für das sichtbare Spektrum geeigneter sind. Die Frequenz wird in Zyklen pro Sekunde gemessen (s^-1) oderHertz(Hz), nach Heinrich Hertz. Die PeriodeTeiner Welle gibt an, wie lange es dauert, einen Zyklus oder 1/f abzuschließen.

Für den Fall einer EM-Welle gilt, anders als bei mechanischen Wellen,vist in allen Situationen konstant, was bedeutet, dassλvariiertumgekehrtmitf. Das heißt, höhere Frequenzen implizieren kürzere Wellenlängen für ein gegebenesv. "Hochfrequenz" bedeutet auch "Hochenergie"; das heißt elektromagnetische EnergieEin Joule (J) ist proportional zuf, über einen Faktor namens Planck-Konstanteha​ (= 6.62607 × 10^-34 J).

• Die Gleichung für eine Welle lautety = A sin (kx − ωt), woEINist Amplitude,xist die Verschiebung entlang der x-Achse,kdie Wellenzahl 2π/k ist, und

​ω​

ist die Kreisfrequenz 2π/T.

Eine elektromagnetische Welle besteht aus einem elektrischen Feld (E) Welle schwingt in einer Ebene senkrecht (im rechten Winkel) zu einem Magnetfeld (B) Welle. Wenn Sie sich eine EM-Welle vorstellen, die sich über einen ebenen Boden ausbreitet, ist dieEWellenkomponente schwingt in einer vertikalen Ebene durch Ihren Körper und dieBWelle schwingt innerhalb des horizontalen Bodens.

Da elektromagnetische Strahlung als Welle wirkt, hat jede bestimmte elektromagnetische Welle eine damit verbundene Frequenz und Wellenlänge. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass, da die Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen auf c = 3 × 10. festgelegt ist,⁸ m/s, die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Vakuum ausbreitet (für enge Näherungen auch für die Lichtgeschwindigkeit in Luft verwendet). Niedrigere Frequenzen sind daher mit längeren Wellenlängen verbunden und umgekehrt.

EM-Wellen benötigen kein Medium wie Wasser oder Gas, um sich auszubreiten; daher können sie das Vakuum des leeren Raums selbst mit der schnellsten Geschwindigkeit im gesamten Universum durchqueren!

Elektromagnetische Wellen werden über einen enormen Frequenz- und Wellenlängenbereich erzeugt. Beginnend mit niedriger Frequenz (niedrigere Energie) und damit längerer Wellenlänge sind die verschiedenen Arten von EM-Strahlung:

• ​Radiowellen(ca. 1 m und länger): Hochfrequente EM-Strahlung umfasst etwa 20.000 bis 300 Milliarden Hz. Diese „fliegen“ nicht nur um die Welt aber tief in den Weltraum, und ihre Nutzung durch Marconi an der Wende des 20. Jahrhunderts revolutionierte die Welt der Menschen Kommunikation.
• ​Mikrowellen(ca. 1 mm bis 1 m): Diese können auch in den Weltraum eindringen, sind aber bei Wetteranwendungen nützlich, da sie auch Wolken durchdringen können.
• ​Infrarotwellen(700 nm bis 1 mm): Infrarotstrahlung oder "Infrarotlicht" ist der Stoff für "Nachtsichtbrillen" und andere Geräte zur Verbesserung der Sehkraft.
• ​Sichtbares Licht(400 nm bis 700 nm): Lichtwellen im sichtbaren Spektrum umfassen einen winzigen Bruchteil der elektromagnetischen Wellenfrequenz und des Wellenlängenbereichs. Ihre Augen sind schließlich das ziemlich konservative Produkt dessen, was die Natur für das tägliche Überleben braucht.
• ​Ultraviolettes Licht(10 nm bis 400 nm): UV-Strahlung verursacht Sonnenbrand und wahrscheinlich auch Hautkrebs. Trotzdem würde es ohne sie keine Solarien geben.
• ​Röntgenstrahlen(ca. 0,01 nm bis 10 nm): Diese energiereichere Strahlung ist ein unglaubliches diagnostisches Hilfsmittel in der Medizin, Dies muss jedoch gegen ihr Potenzial abgewogen werden, in höheren Lagen selbst körperlichen Schaden zuzufügen Expositionen.
• ​Gamma Strahlen(< 0,01 nm): Dies ist erwartungsgemäß sehr energiereiche und daher potenziell tödliche Strahlung. Hätte die Erdatmosphäre nicht das meiste davon blockiert, wäre das Leben in seiner jetzigen Form vor Milliarden von Jahren nicht in Gang gekommen. Sie werden zur Behandlung besonders aggressiver Tumoren eingesetzt.

Da elektromagnetische Strahlung sowohl die Eigenschaften einer Welle hat und sich bei Messung als solche wie eine Welle verhält, aber auch wie ein Teilchen (genannt acalledPhoton) als solche gemessen, sagen wir, dass es Teilchen-Welle-Dualität hat.

Ein stetiger Strom erzeugt ein stetiges Magnetfeld, während ein sich ändernder Strom ein sich änderndes Magnetfeld induziert. Wenn die Änderung stetig und zyklisch ist, sagt man, dass die Wellen (und die zugehörigen Felder) oszillieren oder schnell in einer Ebene hin und her "wackeln".

Das gleiche Grundprinzip funktioniert umgekehrt: Ein oszillierendes Magnetfeld induziert ein oszillierendes elektrisches Feld.

Aus diesem Wechselspiel zwischen elektrischen und magnetischen Feldern entstehen elektromagnetische Wellen. Wenn sich eine Ladung entlang eines Drahtes hin und her bewegt, erzeugt sie ein sich änderndes elektrisches Feld, das wiederum erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld, das sich dann als EM-Welle selbst ausbreitet und emittieren kann Photonen. Dies ist ein Fall von zwei Transversalwellen (und Feldern), die sich schneiden, um eine weitere Transversalwelle zu bilden.

• Atome und Moleküle können spezifische Frequenzen elektromagnetischer Strahlung absorbieren und emittieren, die mit ihren zugehörigen quantisierten Energieniveaus übereinstimmen.

Die Leute verwechseln diese beiden Arten von Wellen oft, einfach weil sie mit dem Radiohören so vertraut sind. Aber Radiowellen sind, wie Sie jetzt wissen, eine Form elektromagnetischer Strahlung. Sie reisen mit Lichtgeschwindigkeit und übertragen Informationen vom Radiosender an Ihr Radio. Diese Informationen werden dann jedoch in die Bewegung eines Lautsprechers umgewandelt, der Schallwellen erzeugt, dielängsWellen in der Luft (wie die in einem Teich, nachdem er von einem geworfenen Stein gestört wurde).

• Schallwellen breiten sich in der Luft mit ungefähr 343 m/s aus, was viel langsamer ist als Radiowellen, und sie benötigen ein Medium, durch das sie sich fortbewegen können.

Ein Phänomen namens Doppler-Frequenzverschiebung bei EM-Strahlung ermöglicht es Astrophysikern zu erkennen, ob sich Objekte im Weltraum auf uns zubewegen oder us weg von uns, weil ein stationäres Objekt, das EM-Wellen aussendet, ein anderes Muster zeigt als ein sich bewegendes, relativ zu einem festen Beobachter.

Eine Technik namens Spektroskopie ermöglicht es Chemikern, die Zusammensetzung von Gasen zu bestimmen. Die Erdatmosphäre schützt die Biosphäre vor der schädlichsten ultravioletten Strahlung und anderen energiereicheren Strahlungen wie Gammastrahlen. Mikrowellenherde zum Kochen von Speisen haben es College-Studenten ermöglicht, Mahlzeiten in ihren Wohnheimen zuzubereiten. Handy- und GPS-Signale sind eine relativ neue, aber bereits kritische Ergänzung der Liste der Technologien, die auf EM-Energie angewiesen sind.