Physics 2000 Science Trek Electromagnetic Waves

Mehr zur Veranschaulichung von elektromagnetischen Wellen

Bevor wir weitermachen, Alex, müssen wir über ein paar wichtige Dinge reden: die Form der elektrischen Feldlinien und warum die Welle elektromagnetisch heißt.

Sie meinen, das ist noch nicht alles, die Welle, die wir eben sahen, als die Ladung an der Feder wackelte?

Nahe an der schwingenden Ladung stimmt das Bild schon, aber weiter weg ändert sich die Form der Welligkeit auf den elektrischen Feldlinien ganz erheblich, etwa so...

Aber das sieht ja total verrückt aus! Warum wird die Welle größer, wenn man von der schwingenden Ladung weiter weg ist?

Sie wird gar nicht größer! Denk dran, eine Feldlinie sagt überhaupt nichts darüber, wie stark die Kraft auf eine Testladung irgendwo auf der Feldlinie wäre. Sie gibt uns nur die Richtung der Kraft an. Denk einfach an die gerade Feldlinie unmittelbar zwischen zwei Ladungen.

Also kann ich einer Feldlinie nicht ansehen, wie groß die Kraft ist. Wie finde ich denn die Richtung der Kraft auf eine Testladung heraus?

Die Richtung der Kraft auf eine positive Testladung an irgendeinem Punkt auf der Feldlinie ist tangential zur Feldlinie an diesem Punkt.

Woher bekommen wir denn dann die Stärke der Kraft?

Nun, erinnere dich noch mal an das Experiment mit den Elektronenbahnen. Wenn der "Kraft"-Knopf gedrückt war, konntest du die Größe der Kraft sehen, wenn du das Elektron in der Nähe des Protons platziert hattest. Wir haben einige der grundlegenden Gesetze des Elektromagnetismus benutzt, um die Stärke und die Richtung der Kraft auf das Testelektron auszurechnen, das du ohne Schwung, also ohne Anfangsgeschwindigkeit, platziert hattest. Pfeile wurden benutzt, um sowohl Stärke als auch Richtung der Kraft anzuzeigen. Ein langer Pfeil bedeutet eine große Kraft, ein kurzer eine kleine.

Wie ist das nun mit der welligen Feldlinie, die von der schwingenden Ladung ausgeht? Wie sehen da die Kraftpfeile entlang der Welle aus?

Ich zeige dir mal ein paar davon. Lass uns eine gerade Linie weg von der schwingenden Ladung zeichnen, und zwar in Ausbreitungsrichtung der Welle. Diese Linie heißt Strahl. Die Kräfte auf eine (positive) Testladung auf dem Strahl sehen so aus:

Also wird die Kraft, die die Welle auf eine Testladung ausüben würde, doch kleiner, wenn man weiter von der schwingenden Ladung weggeht?

Das stimmt, Alex, und wenn wir weit genug weg sind, können wir uns die Welle anhand der Pfeile auf dem Strahl veranschaulichen und die Feldlinien einfach ignorieren, wie in dem Bild unten. Die Pfeile zeigen die Stärke und die Richtung der Kraft auf eine Testladung an den verschiedenen Punkten entlang des Strahls, jeweils zu einem gegebenen Zeitpunkt. Beachte, dass die Kräfte alle senkrecht zum Strahl sind!


Ich hab' so ein Bild einer elektromagnetischen Welle schon früher mal gesehen, aber mit einer gekrümmten Linie durch die Pfeilspitzen. Etwas so...


Diese krumme Linie ist doch eine Feldlinie?

Nein, überhaupt nicht. Das ist bloß eine Kurve durch die Pfeilspitzen — eine andere Art, sich die Welle zu veranschaulichen. Manchmal werden dabei sogar die Pfeile weggelassen.

Warum ist das eine gute Möglichkeit, sich eine elektromagnetische Welle vorzustellen?

Weil dann das Bild ganz ähnlich aussieht wie bei einer Welle auf einem Seil, wenn du an einem Ende wackelst und das andere Ende festgehalten wird.

Zum Beispiel übt so eine elektromagnetische Welle

kleinere Kräfte aus als so eine,



obwohl sie die gleiche Wellenlänge besitzen. Die zweite Welle ist stärker, oder, im Fall von Lichtwellen, "heller".



>