Physik K2 · EM-Wellen
Block I–V

Elektromagnetische Wellen

Vom Schwingkreis zum WLAN — in fünf Schritten.

I · Maxwell in vier Sätzen

  • ① Ladungen erzeugen elektrische Felder.
  • ② Es gibt keine magnetischen Monopole — B-Feldlinien sind geschlossen.
  • ③ Veränderliches B erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld.
  • ④ Veränderliches E erzeugt ein Magnetfeld.

③ + ④ = eine Welle, die sich selbst trägt. Geschwindigkeit aus Labor-Konstanten: $$c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\,\mu_0}} \approx 3{,}0\cdot 10^{8}\,\mathrm{m/s}$$ → Maxwells Schluss: Licht ist eine EM-Welle.

II · Schwingkreis → Hertz'scher Dipol

  • Schwingkreis schwingt mit der Thomson-Frequenz: $f = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$
  • Geschlossen: Felder bleiben im Bauteil → kaum Abstrahlung.
  • Aufgebogen (Platten auseinander, Spule → Draht): L und C winzig, f riesig, Felder ragen raus → offener Schwingkreis = Hertz'scher Dipol.
  • Grundschwingung: $l = \lambda/2$
  • Strom I: Mitte maximal, Enden null — Spannung U umgekehrt.
Geschlossen → aufgebogen → Dipol. Kleineres L·C → höheres f, Felder strahlen.
Fehlvorstellung
„Elektronen fliegen als Welle durch den Raum." Nein — Elektronen schwingen nur im Draht. Abgestrahlt wird das gekoppelte E/B-Feld.
Rechnen: L = 1 mH, C = 1 nF · WLAN-Dipol
$f = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{10^{-3}\cdot 10^{-9}}} \approx 159$ kHz · WLAN 2,45 GHz: $\lambda = 0{,}122$ m → $l = \lambda/2 \approx 6$ cm.

III · Stehende Welle & Polarisation

  • Hin- + Rückwelle an der Metallwand → stehende Welle: Bäuche & Knoten.
  • Knotenabstand = λ/2 → Minima vermessen = λ messen.
  • An der Wand E-Feld-Knoten (im Leiter ist E = 0).
  • Metallgitter lässt die Welle nur durch, wenn E senkrecht zu den Stäben schwingt → Polarisation, geht nur bei Transversalwellen.
Fehlvorstellung
„Stehende Welle transportiert Energie nach vorn." Nein — zwei gleiche Wellen laufen gegeneinander, Netto-Transport = null.
Messung: f = 10,5 GHz, Minima 6/20/35/49 mm
Abstand 1.→4. Minimum = 43 mm über 3 Intervalle → λ/2 ≈ 14,3 mm → λ ≈ 28,6 mm → c = λf ≈ 3,0·10⁸ m/s.
0°: Empfang. 90° (E ∥ Stäbe): kein Empfang — Transversal-Beweis.

IV · Spektrum: c = λ·f

Alles dasselbe, nur f und λ verschieden:

BereichλBeispiel
Radio1–100 mUKW
Mikro1 mm–10 cmWLAN
IR780 nm–1 mmFernbedienung
Sichtbar400–780 nm—
UV10–400 nmSolarium
Röntgen0,01–10 nmMedizin
Gamma< 0,01 nmTherapie
Fehlvorstellung
„Röntgen ist schneller, weil f höher." Nein — c ist für alle gleich; höheres f → nur kleineres λ.

V · c messen & Einstein

  • Rømer 1676: Io-Uhr — Verspätung Δt ≈ 1000 s über Erdbahndurchmesser d ≈ 3·10¹¹ m → $c = d/\Delta t \approx 3\cdot 10^{8}$ m/s.
  • Fizeau 1849: Zahnrad zerhackt Licht; Dunkel bei halbem Zahnabstand → t = 1/(2·N·f), c = 2s/t ≈ 3,13·10⁸ m/s.
  • Foucault 1850: Licht im Wasser langsamer → entscheidet Newton vs. Huygens für die Welle.
  • Weber–Kohlrausch 1856 → Maxwell: Einheiten-Verhältnis = Geschwindigkeit 3,1·10⁸ m/s = $1/\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ → Licht ist EM-Welle.
  • Michelson–Morley 1887: Interferometer findet keinen Ätherwind — c überall gleich.
  • Einstein 1905: c ist für alle gleichförmig bewegten Beobachter gleich — stattdessen ändern sich Zeit und Länge (Zeitdilatation, GPS: 38 µs/Tag, sonst ~10 km Fehler/Tag).
Michelson: zwei rechtwinklige Lichtwege — gleiche Laufzeit, kein Äther.