13. Elektromagnetische Wellen

13. Elektromagnetische Wellen

13.1 Erzeugung elektromagnetischer Wellen13.2 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen13.3 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen13.4 Reflexion und Brechung13.5 Interferenz und Beugung

13. Elektromagnetische Wellen

Oszillierender Dipolerzeugt elektrischeund magnetische Felder.

13.1 Erzeugung elektromagnetischer Wellen

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Elektrische Dipolantenne mit Wechselstrom gespeist

Das elektrische Feld entfernt sich mit Lichtgeschwindigkeit.

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E und B sind senkrecht zueinander E und B sind phasengleich (harmonische Wellen)

Wellenfunktion (z.B.):

Elektromagnetische Wellen sind transversal.

13.2 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

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Elektrische Dipolantenne für den Empfangelektromagnetischer Strahlung

Das Wechsel-E-Feld erzeugt Wechselstrom in der Antenne.

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Ringantenne für den Empfang elektromagnetischer Strahlung

Wechsel-B-Feld führt zu einem sich ändernden Fluss ΦB

induzierter Wechselstrom im Ring

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Antennen eines Kreuzschiffs

Beide Arten der Antennenwerden genutzt.

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13.1 Das elektromagnetische Spektrum

- Radiowellen (AM: 550 – 1600 kHz, FM: 88 – 108 MHz):makroskopische Ströme oszillieren in Antennen

- Mikrowellen (109 – 1011) Hz: elektronische Schaltkreise

- Infrarotstrahlung (1011 – 1014) Hz: heiße Körper

- Ultraviolette Strahlung (1014 – 1017) Hz: angeregte Atome

- Lichtwellen ca. 101 4Hz: atomare Übergänge

- Röntgenstrahlung (1017 – 1019) Hz: atomare Übergänge, Beschleunigung von Ladungen (z.B. TV)

- Gammastrahlung ( > 1019 Hz) Kernübergänge, Abbremsung höchstenergetischer Teilchen, Zerstrahlung von Materie

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ElektromagnetischeSpektrum

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13.3 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Beschreibung der Ausbreitung durch Strahlen

Wellenfront: Orte mit Oszillationen gleicher Phase

Strahlen: Linie entlang Richtung der Welle senkrecht zurWellenfront

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13.4 Reflektion und Brechung

Annahme: Übergang einer Welle von Medium 1 in Medium 2

Beobachtung: Brechung und/oder Reflexion

Richtungen einlaufender, reflektierter , gebrochener Welle in einer Ebene senkrecht zur Trennfläche der Materialien

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ReflektionEinfallswinkel Θ1 gleich Ausfallswinkel Θr

Θ1 = Θr

Verhältnis von sin Θ1 zu sin Θ2 = KonstanteBrechung

n1,n2: Brechzahlen Medium 1 bzw. Medium 2 mit n = c/v

Snellius‘sches Brechungsgesetz

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Brechung

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Totalreflexion

Mit zunehmendem Θ1 wird Θ2 größer

(n1 > n2)

Totalreflexion falls Θ2 > 90o

Grenzwinkel Θκ der Totalreflexion:

n2

n1

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BeispieleTotalreflexion

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Wie funktioniert Lichtleiter ?

Prinzip: Man nutze Totalreflexion

Aufbau: Kern (z.B. Glas) + Plastik + Mantel

Es gilt: nKern > nPlastik

Problem: unterschiedliche Wegstrecken z.B. s1 > s2Verbreiterung des Pulses

Lösung: Man nutze:- Mulitmode Gradientenfaser- Single mode Faser

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Lichtleiter

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Luftspiegelung (Fata Morgana)

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13.5 Interferenz und BeugungWir hatten: Wellen können interferieren

+

Mit k1 = k2 und ω1 = ω2 gilt: δ = 0 konstruktive, δ = π destruktive Interferenz

Konstruktive Interferenz falls

Destruktive Interferenz falls

Interferenz nur beobachtbar, falls Wellen kohärent ( in fester Phasenbeziehung)

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Beispiel Beugung am Doppelspalt

Abstand Spalt-Schirm >>Spaltabstand: D >> d

Konstruktive InterferenzDestruktive Interferenz

Interferenzmuster

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Beugung an Lochblende