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13. Elektromagnetische Wellen Physik für Informatiker

13. Elektromagnetische Wellen

13.1 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen13 2 E l kt ti h W ll13.2 Erzeugung elektromagnetischer Wellen13.3 Das elektromagnetische Spektrum13 4 A b it ( l kt ti h ) W ll13.4 Ausbreitung (elektromagnetischer) Wellen13.5 Reflexion und Brechung13 6 B13.6 Beugung

Doris Samm FH Aachen


El kt ti h W ll i d t l

13.1 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen sind transversal.

W ll f k i ( B )Wellenfunktion (z.B.):

E und B sind senkrecht zueinander E d B i d h l i h (h i h W ll )


E und B sind phasengleich (harmonische Wellen)


13.2 Erzeugung elektromagnetischer Wellen

Oszillierender Dipolt l kt i herzeugt elektrische

und magnetische Felder.



Elektrische Dipolantenne mit Wechselstrom gespeist

Das elektrische Feld entfernt sich mit Lichtgeschwindigkeit.



Elektrische Dipolantenne für den Empfangelektromagnetischer Strahlung

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



Ringantenne für den Empfang elektromagnetischer Strahlung

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

induzierter Wechselstrom im Ring



13 3 D l kt ti h S kt13.3 Das elektromagnetische Spektrum

- Radiowellen (AM: 550 – 1600 kHz, FM: 88 – 108 MHz):k k i h St ö illi i A tmakroskopische Ströme oszillieren in Antennen

- Mikrowellen (109 – 1011) Hz: elektronische Schaltkreise

- Infrarotstrahlung (1011 – 1014) Hz: heiße Körper

- Lichtwellen ca. 101 4Hz: atomare Übergänge

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

g g

- Röntgenstrahlung (1017 – 1019) Hz: atomare Übergänge, Beschleunigung von Ladungen

- Gammastrahlung ( > 1019 Hz) Kernübergänge, Abbremsung höchstenergetischer Teilchen, Z hl M i


Zerstrahlung von Materie


iElektromagnetischeSpektrum



13.4 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Beschreibung der Ausbreitung durch Strahlenesc e bu g de usb e u g du c S e

Wellenfront = Orte mit Oszillationen gleicher PhaseStrahlen = Linie entlang Bewegungsrichtung der WelleStrahlen = Linie entlang Bewegungsrichtung der Welle

senkrecht zur Wellenfront



13.5 Reflektion und Brechung

Annahme: Welle von Medium 1 in Medium 2Annahme: Welle von Medium 1 in Medium 2Beobachtung: Brechung und/oder Reflexion

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



ReflexionEinfallswinkel Θ1 gleich Ausfallswinkel Θr

Θ1 = Θr

Verhältnis von sin Θ1 zu sin Θ2 = KonstanteBrechung

n11 2

n2 n n<n1,n2: Brechzahlen Medium 1, Medium 2

mit n = c/v

n2

n

n1 n2<

mit n c/v

Snellius‘sches Brechungsgesetzn1

n2


2


Brechung



Totalreflexion

Mit zunehmendem Θ1 wird Θ2 größern2

Mit zunehmendem Θ1 wird Θ2 größer

(n1 > n2)

n1

Totalreflexion falls Θ2 > 90o

Grenzwinkel Θκ der Totalreflexion:



Beispiele Totalreflexion



Luftspiegelung (Fata Morgana)


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13.6 Beugung von Wellen

Spaltgröße >> Wellenlänge => keine BeugungSpaltgröße = (<) Wellenlänge => Beugung

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Pit

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El kt ti h W ll i t f iElektromagnetische Wellen interferierenBeispiel: Beugung an Blende


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