1.12 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

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Reinhardt Schenck
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1 1.12 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Die Maxwellschen Gleichungen (im Vakuum) ( )

2 Elektromagnetische Schwingungen der Schwingkreis

3 Zum Schwingkreis Oszillografen-Bilder (d.h. elektrische Spannung als Funktion der Zeit) von einem Signal, das einen Schwingkreis kurzzeitig anregt (obere Spur) und Spannung am Kondensator des Schwingkreises (untere Spur). Links hoher Ohmscher Widerstand und starke Dämpfung der Oszillation, rechts etwas kleinerer Widerstand und schwächere Dämpfung.

4 Elektromagnetische Schwingungen der Schwingkreis (hier: Serienschwingkreis)

5 Übergang vom Schwingkeis zur Antenne (Giancoli)

Erzeugung von Funk -Wellen Bei den ersten Experimenten zur Erzeugung und

Hertz 1887/88 in Karlsruhe) wurden weder Musik noch erbauliche Reden gesendet,

Spalt erzeugt. Links die Empfangsantenne, mit der z.b.

7 Erzeugung von Funk -Wellen Bei den ersten Experimenten zur Erzeugung und Übertragung elektromagnetischer Wellen (H. Hertz 1887/88 in Karlsruhe) wurden weder Musik noch erbauliche Reden gesendet, sondern der Sender erzeugte nur Funken daher der Begriff Funk. Rechts eine Sendeantenne. Mit hochtransformierter Netzspannung werden periodisch Funken in einem engen Spalt erzeugt. Links die Empfangsantenne, mit der z.b. die Richtcharakteristik des Senders untersucht werden kann (Minima auf der verlängerten Achse der Sendeantenne). Ein Gitter zwischen Sende- und Empfangsantenne weist die Polarisation der elektromagnetischen Welle nach.

8 Zur Lichtgeschwindigkeit:Vergleich Strecke/Zeit Zeit 1 Ps = 32 Mio. Jahre Entfernung Erde-M31 1 Ts 1 Gs 100 Jahre Entfernung Erde-Mond Balldurchmesser 1 Ms 1 ks 1 s 1 ms 1 μs 1 ns 1/10 Sekunde Magnetisierung Haardurchmesser ps 1 fs Zeit 1 as Atome

9 Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

10 Radiowellen Heinrich Hertz ( ) (Giancoli)

11 Radioempfänger

1.12.6 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Zahnradmethode Ole Roemer (1644-1710) modern:

12 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit historisch: astronomisch, Drehspiegelmethode, Zahnradmethode Ole Roemer ( ) modern: Teil der Definition des Meters Sekunde über Atomuhr definiert ( Schwingungen eines Übergangs im Cäsium-Atom) Licht legt m pro s zurück

13 Polarisation elektromagnetischer Wellen

14 Stehende Wellen z.b. Laser Gitarre

15 Laufende Wellen... in Hohlleitern... in Koaxialkabeln und Streifenleitern... in Lichtwellenleitern (Glasfaserkabel)... in der Erdatmosphäre

Orientierung (lineare Polarisation der Welle) Empfänger Ein Wachsblock mit dreieckiger Grundfläche lenkt die Welle ab. Der Sender muss gedreht werden (s.

16 Mirkowellensender (Frequenz ca. 10 MHz, Wellenlänge ca. 3 cm) und Empfänger a) Sender mit Hornantenne und Empfänger Sender Wachsblock Eine Metallplatte schirmt die elektromagnetische Welle ab Ein Metallgitter schwächt die Welle in Abhängigkeit von ihrer Orientierung (lineare Polarisation der Welle) Empfänger Ein Wachsblock mit dreieckiger Grundfläche lenkt die Welle ab. Der Sender muss gedreht werden (s. Bild), damit die Welle den Empfänger erreicht Drehachse b) Sender mit kleiner Antenne vor einer Metallplatte: Zwischen Sender und Platte bildet sich eine stehende Welle aus, deren Intensität vom Abstand Sender-Platte abhängt. Platte Der Abstand zwischen zwei Intensitätsmaxima (oder Minima, die man genauer einstellen kann) ist eine halbe Wellenlänge (hier ca. 1,5 cm). Sender Empfänger

17 Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung Quellen und Anwendungen

1.12.11 Strahlung durch beschleunigte Ladungen -

18 Strahlung durch beschleunigte Ladungen - Radiowellen - Röntgenstrahlen - Synchrotronstrahlung Hertzscher Dipol a

19 Strahlung durch beschleunigte Ladungen - Radiowellen - Röntgenstrahlen - Synchrotronstrahlung W.C. Röntgen 1896 Röntgenröhre a Elektronenstrahl

1.12.11 Strahlung durch beschleunigte Ladungen - Radiowellen -

20 Strahlung durch beschleunigte Ladungen - Radiowellen - Röntgenstrahlen - Synchrotronstrahlung Elektronen-Speicherring Elektronenstrahl a

21 Strahlung durch beschleunigte Ladungen - Radiowellen - Röntgenstrahlen - Synchrotronstrahlung Elektronen-Speicherring Elektronenstrahl a

22 Fortschritte in der Erzeugung von Röntgenstrahlung/Synchrotronstrahlung Jahr Peak Brilliance (Log) Photons/sec*mrad 2 *mm 2 *0.1%bw

23 High-gain Freie-Elektronen-Laser Das SASE-Prinzip (self-amplified spontaneous emission)

24 FLASH (ex-vuv-fel, ex-ttf) bei DESY/Hamburg RF gun accelerator modules collimator electron beam dump Laser bunch compressor bunch compressor undulator photon beam 4 MeV 125 MeV 380 MeV 440 MeV

25 Spickzettel El.magn.Wellen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit) Maxwellsche Gleichungen (hier: im Vakuum) t z Laufende Welle E = E0 cos( ωt kz) = E0 cos 2π 2π Q T Stehende Welle λ E da= Gaußsches Gesetz ε E = E0 cos( ωt kz) + E0 cos( ωt+ kz) Oberfläche 0 = 2E0 sinωt sinkz B da= 0 keine magnetischen Monopole Oberfläche Polarisation linear, zirkular (allgemein: ellitisch) Schleife Schleife dφmagn. E ds = dt dφ B ds = μ0i + μ0ε0 dt elektr. Faradaysches Gesetz Ampèresches Gesetz Elektromagn. Spektrum Radiowellen (λ > 1 m) Mikrowellen (λ = 1 m... 1 mm) Fernes, mittleres, nahes Infrarot Sichtbares Licht (rot...violett) Ultraviolett, Vakuum-UV, Extremes UV Röntgenstrahlung (E >1 kev) Schwingkreis (Kondensator, Spule, Widerstand) cos R 2 R α I = I e t ωt α = ω = π f = 2 2L LC 4L Gammastrahlung (E >100 kev) wenn Widerstand klein c= λ f E = h f h= Js = evs 1 R ω 1 L ω Δω Güte: = Plancksches Wirkungsquantum LC L Δω R C Sichtbares Licht 15 λ = nm f = Hz E = eV 2 Hertzscher Dipol: Intensität cos θ Beschleunigte Ladungen strahlen, z.b. Periodische Beschleunigung: Radio-/Mikrowellen Elektromagn. Welle: Abbremsung in Materie: Röntgenstrahlung 8 m 1 E Kreisbeschleunigung: Synchrotronstrahlung Geschwindigkeit* c = = = s εμ B Energiefluss (Poynting-Vektor) 0 0 Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) historisch: Umlauf der Jupitermonde, Drehspiegelmethode... 2 c S = ε 0cE = B = E B S = E B μ heute: Definition von 1 m = Strecke pro Sekunde / μ0 μ0 *) Geschwindkeit ist nicht c in - in Medien wie Glas, Wasser, etc. - mit Begrenzungen wie Rohre, Koaxialkabel etc. Energie, Frequenz Wellenlänge

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