13. Elektromagnetische Wellen

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1 13. Elektromagnetische Wellen 13.1 Erzeugung elektromagnetischer Wellen 13.2 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen 13.3 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen 13.4 Reflexion und Brechung 13.5 Interferenz und Beugung

2 13.1 Erzeugung elektromagnetischer Wellen Oszillierender Dipol erzeugt elektrische und magnetische Felder.

3 Elektrische Dipolantenne mit Wechselstrom gespeist Das elektrische Feld entfernt sich mit Lichtgeschwindigkeit.

4 13.2 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Elektromagnetische Wellen sind transversal. Wellenfunktion (z.b.): E und B sind senkrecht zueinander E und B sind phasengleich (harmonische Wellen)

5 Elektrische Dipolantenne für den Empfang elektromagnetischer Strahlung Das Wechsel-E-Feld erzeugt Wechselstrom in der Antenne.

6 Ringantenne für den Empfang elektromagnetischer Strahlung Wechsel-B-Feld führt zu einem sich ändernden Fluss F B induzierter Wechselstrom im Ring

7 Antennen eines Kreuzschiffs Beide Arten der Antennen werden genutzt.

8 13.1 Das elektromagnetische Spektrum - Radiowellen (AM: khz, FM: MHz): makroskopische Ströme oszillieren in Antennen - Mikrowellen ( ) Hz: elektronische Schaltkreise - Infrarotstrahlung ( ) Hz: heiße Körper - Lichtwellen ca Hz: atomare Übergänge - Ultraviolette Strahlung ( ) Hz: angeregte Atome - Röntgenstrahlung ( ) Hz: atomare Übergänge, Beschleunigung von Ladungen (z.b. TV) - Gammastrahlung ( > Hz) Kernübergänge, Abbremsung höchstenergetischer Teilchen, Zerstrahlung von Materie

9 Elektromagnetische Spektrum

10 13.3 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Beschreibung der Ausbreitung durch Strahlen Wellenfront: Orte mit Oszillationen gleicher Phase Strahlen: Linie entlang Richtung der Welle senkrecht zur Wellenfront

11 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

12 Reflektion Einfallswinkel Q 1 gleich Ausfallswinkel Q r Θ 1 = Θ r Brechung Verhältnis von sin Q 1 zu sin Q 2 = Konstante n 1,n 2 : Brechzahlen Medium 1 bzw. Medium 2 mit n = c/v Snellius sches Brechungsgesetz

13 Brechung

14 Totalreflexion n 2 n 1 Mit zunehmendem Q 1 wird Q 2 größer (n 1 > n 2 ) Totalreflexion falls Q 2 > 90 o Grenzwinkel Θ κ der Totalreflexion:

15 BeispieleTotalreflexion

16 Wie funktioniert Lichtleiter? Prinzip: Aufbau: Man nutze Totalreflexion Kern (z.b. Glas) + Plastik + Mantel Es gilt: n Kern > n Plastik Problem: unterschiedliche Wegstrecken z.b. s 1 > s 2 Verbreiterung des Pulses Lösung: Man nutze: - Mulitmode Gradientenfaser - Single mode Faser

17 Lichtleiter

18 Luftspiegelung (Fata Morgana)

19 13.5 Interferenz und Beugung Wir hatten: Wellen können interferieren + Mit k 1 = k 2 und w 1 = w 2 gilt: δ = 0 konstruktive, δ = π destruktive Interferenz Konstruktive Interferenz falls Destruktive Interferenz falls Interferenz nur beobachtbar, falls Wellen kohärent ( in fester Phasenbeziehung)

20 Beispiel Beugung am Doppelspalt Abstand Spalt-Schirm >> Spaltabstand: D >> d Konstruktive Interferenz Destruktive Interferenz Interferenzmuster

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22 Beugung an Lochblende