Frequenz (Hz) 10 22 10 20 10 18 10 16 10 14 10 12 10 10 10 8 10 6 10 4 10 2 0 sichtbares Licht Gammastrahlung Röntgenstrahlung Ultraviolettstrahlung Infrarotstrahlung kurze Radiowellen Mikrowellen Fernsehen, FM Radio AM Radio lange Radiowellen Das elektromagnetische Spektrum umfasst die Gesamtheit aller elektromagnetischen Phänomene und wird in verschiedene Bereiche unterteilt (42.1). Bei technischen Anwendungen von elektromagnetischen Wellen wie z. B. beim Betrieb von Handys oder Zahnröntgen ist man auf deren künstliche Erzeugung angewiesen. Der Mensch kann mit seinen Sinnesorganen nur einen kleinen Ausschnitt wahrnehmen, sichtbares Licht und Wärmestrahlung, für andere Strahlungsarten sind unterschiedliche „Empfänger“ nötig. Im bisherigen Physikunterricht sind elektrische und magnetische Felder vorgekommen, welche mit Ladungen und Strömen eng verbunden sind. Ruhende Ladungen erzeugen elektrische Felder, und durch die Bewegung von Ladungen (Ströme) entstehen Magnetfelder. Es stellt sich die Frage, ob sich diese Felder auch unabhängig von den Ladungen ausbreiten können. Michael Faraday vermutete die Existenz von so genannten Schwingungen der Feldlinien, die sich in Wellenform im gesamten Raum ausbreiten können. Die mathematische Formulierung der Faraday’schen Ideen gelang 1856 dem englischen Physiker James Clerk Maxwell. Er stellte die Grundgleichungen zur Beschreibung elektrischer und magnetischer Felder auf. Aus diesen Maxwell’schen Feldgleichungen (siehe S. 46) folgt, dass oszillierende elektrische Ladungen periodisch veränderliche elektrische und magnetische Felder hervorrufen. Diese Felder lösen sich als elektromagnetische Wellen von ihren Quellen los und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit im Raum aus. Die experimentelle Überprüfung der Maxwell’schen Theorie erwies sich als schwierig. Erst 30 Jahre später gelang es Heinrich Hertz, elektromagnetische Wellen zu erzeugen und ihre Eigenschaften zu untersuchen. Die Ergebnisse von Maxwell und Hertz legten die Hypothese nahe, dass auch Licht eine elektromagnetische Welle ist. Die elektromagnetische Lichttheorie wurde in der Folge durch zahlreiche Experimente bestätigt und führte zur Vereinigung von Elektrizitätslehre und Optik in der Elektrodynamik. Darüber hinaus wurde dadurch der Grundstein zur Entwicklung des modernen Nachrichtenwesens gelegt. Bereits 1899 konnte Guglielmo Marconi den Ärmelkanal zwischen England und Frankreich mit Funksignalen überbrücken, und schon 1901 fand die erste drahtlose Nachrichtenübertragung über den Atlantik statt. Damit begann der unaufhaltsame Siegeszug der drahtlosen Telegrafie (42.2), des Radios und des Fernsehens. Heute ist Kommunikation ohne Handys und Internet nicht mehr vorstellbar. Untersuche, überlege, forsche: Nachrichtenübertragung 42.1 S1 Die Übertragung von Nachrichten über weite Strecken war immer schon ein Anliegen der Menschen. Sammle Informationen über die geschichtliche Entwicklung der Nachrichtenübertragung, nimm einen für dich interessanten Teil davon heraus und bereite eine kurze Präsentation vor. 42.1 „Wir leben in einem Wellenbad“ – Die Abbildung (siehe auch 56.1) zeigt das Spektrum elektromagnetischer Wellen und ihre Frequenzen. Wo kommen in unserem Alltag elektromagnetische Wellen vor? Wie werden elektromagnetische Wellen erzeugt? Sind sie gefährlich? Betrachtet man das elektromagnetische Spektrum, so lassen sich folgende Grundprinzipien feststellen: − Es gibt verschiedene Strahlungsarten, die unterschiedliche Empfänger brauchen und unterschiedlich mit Materie wechselwirken. − Für die Ausbreitung ist kein Medium nötig, im Vakuum erfolgt die Ausbreitung mit Lichtgeschwindigkeit. − Elektromagnetische Strahlung kann sowohl Energie als auch Information transportieren. − Eine Quelle sendet elektromagnetische Strahlung in alle Richtungen aus. Die Strahlung breitet sich so lange aus, bis sie auf Materie trifft, wo sie entweder transmittiert (durchgelassen), absorbiert (aufgenommen) oder reflektiert (zurückgestrahlt) wird. Wie viel Strahlung transmittiert, absorbiert oder reflektiert wird, hängt von der Strahlungsart und der Materie ab. − Wir leben in einem „Wellenbad“, wir sind sozusagen immer von elektromagnetischer Strahlung umgeben. 42.2 Mit einem Telegrafen werden kurze oder lange elektrische Impulse (Morsezeichen) übertragen. 42 Elektromagnetische Wellen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen In diesem Kapitel erfährst du, – was Röntgenstrahlen, Radiowellen und Licht gemeinsam haben und warum man sie als elektromagnetische Wellen bezeichnet, – wie man die Energie elektromagnetischer Wellen nützt, – wie man mit elektromagnetischen Wellen Informationen überträgt, – etwas über mögliche, gewollte und ungewollte biologische Wirkung elektromagnetischer Wellen. 4 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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