Physik

Wellenmodell für elektromagnetische Strahlung


Um 1860 entwickelte Maxwell vier Gleichungen, die im Wesentlichen das Verhalten elektrischer und magnetischer Phänomene synthetisieren.


Maxwell

Maxwells Gleichungen legen nahe, dass sich das elektrische Feld und das magnetische Feld gleichzeitig ausbreiten. Aus diesem Satz von Gleichungen können wir einige Schlussfolgerungen ziehen, darunter:

  • ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld induziert das Auftreten eines Magnetfeldes;
  • Ein zeitlich veränderliches Magnetfeld induziert das Auftreten eines elektrischen Feldes.

Wenn also ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld erzeugt werden, können beide zeitlichen Variablen die Existenz des anderen unterstützen, so dass sowohl Koexistenz als auch Ausbreitung perfekt möglich sind. Bei der Vermehrung bilden diese beiden Felder die elektromagnetische Strahlungwie Radiowellen, sichtbares Licht, Mikrowellen, Röntgenstrahlen usw.

Wegen ihres undulatorischen Verhaltens wird auch elektromagnetische Strahlung genanntelektromagnetische Wellen (OEM). Heinrich Hertz hat 1887 experimentell die Existenz von OEMs durch Erzeugung und Detektion von Radiowellen in seinem Labor nachgewiesen.


Heinrich Hertz

Nach Maxwells Theorie zum Elektromagnetismus werden OEMs durch schnelle elektrische Ladungen hergestellt. Ein Beispiel für die Anwendung dieses Prinzips sind Funkantennen, die ihre Wellen aus oszillierenden Elektronen erzeugen. Bei der Durchführung einer FrequenzbewegungfEin Elektron (oder ein elektrisch geladenes Teilchen) emittiert einen OEM, dessen Frequenz ebenfalls istf.

In der folgenden Abbildung ist vereinfacht dargestellt, wie sich ein elektromagnetischer Impuls ausbreitet - ein flacher OEM.

Das elektrische und das magnetische Feld sind nicht nur zeitlich veränderlich, sondern auch senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung.

Ein OEM benötigt kein materielles Medium zur Ausbreitung (wie zum Beispiel mechanische Wellen). Daher besteht die Möglichkeit, dass es sich im Vakuum ausbreitet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum wurde von Maxwell bereits berechnet, bevor er wusste, dass Licht ein OEM ist. Der mathematische Ausdruck, der uns den Wert dieser Geschwindigkeit gibt,cwird gegeben durch:

Wo:

ε0= 8,85 × 10-12 F / m (elektrische Vakuumdurchlässigkeit);

μ0= 4πx10-7 Tm / A (magnetische Vakuumdurchlässigkeit);

c = 2,99792 x 108 m / s (Lichtgeschwindigkeit).

Die obigen Ergebnisse gelten sowohl für Vakuum als auch für Luft und stimmen mit der experimentell erhaltenen Lichtgeschwindigkeit in Luft überein. Auf dieser Grundlage gelangte Maxwell zu dem Schluss, dass das sichtbare Licht auch ein OEM war.

Wichtig ist, dass OEMs nicht mit den elektrischen und magnetischen Feldern interagieren, die sie durchlaufen. Auf diese Weise weicht das Licht nicht ab, wenn es sich einem elektrifizierten Körper oder einem Magnetpol nähert.