Elektromagnetische Wellen einfach erklärt

Bei einer Seilwelle schwingt das Seil, bei einer Schallwelle schwingen Teilchen eines Stoffes. Eine elektromagnetische Welle braucht dagegen keinen schwingenden Stoff. Es verändern sich das elektrische Feld E und das magnetische Feld B.

Für eine freie ebene Welle im Vakuum gilt: Das elektrische Feld steht senkrecht zum magnetischen Feld. Beide Felder stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Im Fernfeld erreichen beide Felder gleichzeitig ihre Maxima und Nulldurchgänge. Weil die Felder quer zur Ausbreitungsrichtung schwingen, handelt es sich um eine Transversalwelle.

Ein stationäres Feld ist noch keine Welle: Es breitet keine fortlaufende Schwingung aus. Auch Schall ist keine elektromagnetische Welle, denn Schall benötigt einen Stoff wie Luft, Wasser oder einen Festkörper.

Elektromagnetische Wellen können entstehen, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden. In einer Sendeantenne sorgt ein hochfrequenter Wechselstrom dafür, dass Ladungen hin- und herschwingen. Ein Teil der Energie wird als elektromagnetische Welle abgestrahlt.

Im Vakuum bewegen sich alle elektromagnetischen Wellen mit der Lichtgeschwindigkeit. Der folgende Wert ist gerundet:

c \approx 3{,}00\cdot 10^8\,\mathrm{m/s}

Das gilt für Radiowellen ebenso wie für sichtbares Licht oder Gammastrahlung. In Materie ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit gewöhnlich geringer und kann vom Material sowie von der Frequenz abhängen.

Elektromagnetische Wellen transportieren Energie. Die Intensität beschreibt die übertragene Leistung pro Fläche und wird beispielsweise in Watt pro Quadratmeter angegeben. Bei einer freien Welle wächst sie mit dem Quadrat der Feldstärke: Eine doppelte Feldstärke bedeutet daher nicht die doppelte, sondern die vierfache Intensität.

Die Wellenlänge \lambda ist der räumliche Abstand zweier benachbarter Punkte gleicher Schwingungsphase, zum Beispiel zweier Wellenberge. Ihre Einheit ist der Meter. Die Frequenz f gibt an, wie viele vollständige Schwingungen pro Sekunde stattfinden. Ihre Einheit ist Hertz: 1\,\mathrm{Hz}=1\,\mathrm{s^{-1}}.

Die Periodendauer T ist die Zeit für eine vollständige Schwingung. Es gilt:

T=\frac{1}{f}

Für jede Welle gilt:

v=\lambda\cdot f

Im Vakuum ist v=c. Daher gilt dort:

c=\lambda\cdot f

Bei gleichbleibender Ausbreitungsgeschwindigkeit gilt: Je größer die Frequenz ist, desto kleiner ist die Wellenlänge.

Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes legt die Polarisationsrichtung fest. Bei linearer Polarisation schwingt das elektrische Feld entlang einer festen Richtung.

Ein Polarisationsfilter lässt nur den Feldanteil in seiner Durchlassrichtung passieren. Bei zwei idealen linearen Filtern mit senkrechten Durchlassrichtungen erreicht kein Licht den Ausgang. Diese Polarisierbarkeit zeigt den transversalen Charakter der Welle: Eine reine Longitudinalwelle besitzt keine frei wählbare Querrichtung.

Alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums beruhen auf derselben Wellenart. Sie unterscheiden sich vor allem durch Frequenz und Wellenlänge. Sichtbares Licht nehmen wir als Farben wahr; für Infrarot- und Radiowellen brauchen wir geeignete Sensoren.

Im Teilchenmodell besteht elektromagnetische Strahlung aus Photonen. Für die Energie eines Photons gilt:

E_\gamma=h\cdot f

Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum. Je höher die Frequenz, desto höher ist die Energie pro Photon. Eine kürzere Vakuumwellenlänge gehört deshalb zu höherer Photonenenergie. Die Intensität ist eine andere Größe: Sie beschreibt die insgesamt übertragene Energie pro Zeit und Fläche. Auch viele energiearme Photonen können zusammen eine hohe Intensität ergeben.

Beim Eintritt in ein anderes Medium bleibt die Frequenz gleich. Sinkt dort die Ausbreitungsgeschwindigkeit, wird nach v=\lambda\cdot f auch die Wellenlänge kleiner. Die drei senkrechten Richtungen sind ein Modell für freie ebene Wellen im Vakuum. Im Nahfeld einer Antenne, in Medien oder in Wellenleitern können Längsanteile auftreten.

Überlagern sich eine einlaufende und eine reflektierte Welle, kann eine stehende Welle entstehen. Benachbarte Knoten ohne Schwingung haben dann den Abstand \lambda/2.