Elektromagnetische Wellen und Spezielle Relativitätstheorie

Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen

Um ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen zu erzeugen, muss dem Schwingkreis im zeitlichen Mittel ständig so viel Energie zugeführt werden, wie in innere Energie umgewandelt wird. Außerdem muss die Energie im Takt der Schwingung zugeführt werden.

Maximum der Amplitude

Ein Maximum der Amplitude wird erreicht, wenn die Erregerfrequenz genauso groß wie die Eigenfrequenz des Schwingkreises ist. In diesem Fall liegt Resonanz vor. Die Amplitude von Wechselspannung und Wechselstromstärke erreichen ein Maximum, also: f_E = f₀.

Die Energiezufuhr muss im richtigen Takt ohne menschliches Zutun erfolgen. Dazu muss das schwingende System von allein auf eine äußere Energiequelle zugreifen. Systeme, denen das möglich ist, werden als rückgekoppelte Systeme bezeichnet. Das physikalische Prinzip nennt man Rückkopplung. Die bekannteste Rückkopplungsschaltung ist die Meißnersche Rückkopplungsschaltung.

Elektromagnetische Felder

Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld ist untrennbar mit einem elektrischen Feld verbunden.

Ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld ist untrennbar mit einem magnetischen Feld verbunden.

Elektrische und magnetische Felder können sich gegenseitig induzieren.

Ein elektromagnetisches Feld ist der Zustand eines Raums, in dem elektrische und magnetische Felder existieren, die untrennbar miteinander verknüpft sind und sich wechselseitig bedingen.

Ein zeitlich konstant veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld mit konstanter Feldstärke (und umgekehrt).

Ergebnis: In beiden Fällen endet der Vorgang mit der Herausbildung eines weiteren Felds. Im umgebenden Raum entstehen keine weiteren Veränderungen.

Ist die zeitliche Änderung des elektrischen Felds nicht konstant, dann erzeugt es ein magnetisches Feld, das ebenfalls eine veränderliche Feldstärke besitzt. Dieses Feld ruft dann seinerseits ein neues elektrisches Feld hervor (und umgekehrt).

Ergebnis: In beiden Fällen wird eine Kette von Folgeinduktionen ausgelöst. Die elektrischen und magnetischen Felder breiten sich im Raum aus. Eine elektromagnetische Welle entsteht.

Werden Ladungsträger beschleunigt oder abgebremst, entstehen elektrische und magnetische Felder (elektromagnetische Wellen), die sich im Raum ausbreiten.

Mit elektromagnetischen Wellen wird Energie transportiert.

Eigenschaften von Wellen

1. An metallischen Leitern werden die Wellen reflektiert. Es gilt das Reflexionsgesetz α = α'.
2. Beim Übergang von einem Isolator in einen anderen können elektromagnetische Wellen ihre Ausbreitungsrichtung ändern. Sie werden gebrochen.
3. An Hindernissen können die Wellen gebeugt werden und sich auch in Schattenräume hinein ausbreiten.
4. Elektromagnetische Wellen können sich überlagern, sodass eine resultierende Welle als Addition der Ausgangswellen entsteht (Interferenz). Dabei kommt es zu typischen Interferenzerscheinungen wie Verstärkung und Abschwächung.
5. Elektromagnetische Wellen können polarisiert werden, z. B. durch ein engmaschiges Netz aus Metalldrähten. Ist die Schwingungsrichtung der elektromagnetischen Feldstärke E parallel zu den Stäben des Gitters, tritt die Welle nicht hindurch. Bei senkrechter Stellung der E läuft die Welle hindurch.

Das Huygenssche Prinzip

Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt für kreis- oder kugelförmige Elementarwellen. Diese Elementarwellen besitzen die gleiche Ausbreitungsgeschwindigkeit wie die ursprüngliche Welle. Die Elementarwellen überlagern sich. Die Einhüllende der Elementarwellen bildet die neue Wellenfront.

Huygens-Fresnelsches Prinzip

Der Schwingungszustand aller Elementarwellen in einem Punkt eines Raums wird bestimmt durch die Summe aller Elementarwellen, die von Wellenfronten ausgehen und die in diesem Punkt zusammentreffen.

Stehende Wellen

Zwei Wellen mit entgegengesetzter Richtung und gleicher Frequenz überlagern sich so, dass sich ortsfeste Schwingungsbäuche und -knoten ergeben. Es bildet sich eine stehende Welle heraus.

Schwingkreis und Erzeugung elektromagnetischer Wellen

Wieso ist der Schwingkreis in der bisher beschriebenen Baumform sehr bedingt zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen geeignet?

1. Die Frequenz ist nach der Thomsonschen Schwingungsgleichung bei großen Kapazitäten und Induktivitäten sehr gering.
2. Elektrisches Feld und magnetisches Feld sind voneinander isoliert.

Frequenzerhöhung

Man muss die Induktivität und Kapazität im Schwingkreis verringern. Bei der Spule: die Wicklungen auseinanderziehen. Beim Kondensator: die Fläche der Kondensatorplatten verkleinern und ihren Abstand vergrößern. Nach all diesen Veränderungen spricht man dann von einem offenen Schwingkreis, auch als Dipol bekannt.

Ein Dipol kann als Quelle elektromagnetischer Wellen dienen.

Eine elektromagnetische Welle ist die Ausbreitung einer elektromagnetischen Schwingung im Raum. Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen. Für sie gilt: c = λ * f (λ: Wellenlänge).

Longitudinalwellen und Transversalwellen

Longitudinalwellen: Schwingungsrichtung und Ausbreitungsrichtung stimmen überein.

Transversalwellen: Schwingungsrichtung und Ausbreitungsrichtung sind senkrecht zueinander.

Unterschied zwischen elektromagnetischen Wellen und mechanischen Wellen

Elektromagnetische Wellen können sich sowohl in Stoff als auch im Vakuum ausbreiten. Es handelt sich dabei um gekoppelte elektrische und magnetische Felder. Mechanische Wellen benötigen Stoff, um sich auszubreiten. Sie können sich im Vakuum nicht ausbreiten.

Spezielle Relativitätstheorie

Inertialsysteme sind Bezugssysteme, in denen das Trägheitsgesetz gilt. Alle Inertialsysteme sind gleichberechtigt. In ihnen gelten die gleichen physikalischen Gesetze.

Relativitätsprinzip

Alle Inertialsysteme sind bezüglich physikalischer Gesetze gleichberechtigt.

Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist in allen Inertialsystemen stets gleich groß. Sie ist unabhängig vom Bewegungszustand der Lichtquelle und des Beobachters bei der Messung.

Relativität der Gleichzeitigkeit

Zwei Ereignisse, die in einem Inertialsystem S stattfinden, erfolgen in einem dazu bewegten Inertialsystem S' nicht gleichzeitig.

Relativität der Zeitmessung

In seinem Ruhesystem dauert ein physikalischer Vorgang am kürzesten (Eigenzeit). Von einem dazu bewegten System aus wird die Zeitdauer größer gemessen.

Relativität der Längenmessung

In seinem Ruhesystem hat ein Körper seine größte Länge (Eigenlänge). In einem dazu bewegten System ist die Länge geringer.

Die Masse von Körpern bzw. Teilchen nimmt mit der Geschwindigkeit zu.

Die Gesamtenergie E eines Körpers und seine dynamische Masse m sind zueinander proportional.