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Physik · Elektrizitätslehre
Entstehung und Eigenschaften elektromagnetischer Wellen, c = λ·f, die Bereiche des Spektrums von Radio- bis Gammastrahlung, ionisierende Wirkung und Strom im Körper.
Elektromagnetische Wellen entstehen durch beschleunigte Ladungen, brauchen kein Medium und sind transversal. Je höher die Frequenz, desto mehr Energie trägt ein Photon.
Schwingen Ladungen hin und her, etwa Elektronen in einer Antenne, ändern sich E-Feld und B-Feld ständig. Beide erzeugen sich gegenseitig neu und lösen sich vom Sender: eine Welle. Das fassen die vier Maxwell-Gleichungen zusammen:
Ein geschlossener Schwingkreis aus Spule und Kondensator schwingt elektromagnetisch, die Felder bleiben aber im Bauteil. Biegst du den Kondensator zum Dipol auf, strahlt er die Felder in den Raum ab. → Ausführlich in: Wechselstrom
Die Welle ist transversal: E und B stehen senkrecht aufeinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und schwingen im Gleichtakt. Wie jede Welle kann sie reflektiert, gebrochen und polarisiert werden. → Ausführlich in: Polarisation
Anders als Schall oder Wasserwellen braucht sie kein Trägermedium. Im Vakuum läuft jede elektromagnetische Welle mit c ≈ 3 · 10⁸ m/s = 300 000 km/s, unabhängig von der Frequenz.
In Materie ist sie langsamer. → Ausführlich in: Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle
c = λ · fBei festem c gilt: höhere Frequenz, kürzere Wellenlänge
Beispiel: Ein Sender mit 100 MHz = 10⁸ Hz hat λ = 3 · 10⁸ m/s : 10⁸ Hz = 3 m.
| Bereich | Wellenlänge | Typisch |
|---|---|---|
| Radiowellen | über 1 m | UKW-Rundfunk |
| Mikrowellen | 1 mm bis 1 m | Radar, WLAN, Mikrowellenherd |
| Infrarot | 780 nm bis 1 mm | Wärmestrahlung |
| Sichtbares Licht | 380 bis 780 nm | Sehen |
| Ultraviolett | 10 bis 380 nm | Sonnenbrand |
| Röntgen | 0,01 bis 10 nm | Bildgebung |
| Gamma | unter 0,01 nm | Atomkern |
Von Radiowellen zu Gammastrahlung wachsen Frequenz und Energie pro Photon, die Wellenlänge sinkt. Aufsteigend nach Photonenenergie: Mikrowellen, sichtbares Licht, Röntgen, Gamma. Im Licht ist Violett (380 nm) energiereicher als Rot (780 nm). UV teilt sich in UV-A (315 bis 380 nm), UV-B (280 bis 315 nm) und UV-C (unter 280 nm).
Jeder Bereich hat eine typische Quelle:
Röntgen und Gamma überlappen; benannt werden sie nach der Quelle.
Funk nutzt Radiowellen, weil Wände, Nebel und dein Körper sie kaum schlucken; Metall und Stahlbeton schirmen sie ab. Eine IR-Fernbedienung muss aufs Gerät zeigen, denn fast jeder Stoff schluckt Infrarot.
Jedes Photon trägt E = h · f, mit dem Planckschen Wirkungsquantum h. Die Energie steigt also mit der Frequenz. → Ausführlich in: Licht elektromagnetische Strahlung
Ionisierend ist Strahlung, deren Photonen etwa 10 eV oder mehr tragen und so Elektronen aus Atomen schlagen: UV unter etwa 124 nm, Röntgen und Gamma. Die Grenze liegt mitten im UV. UV-A und UV-B ionisieren nicht, schädigen die DNA aber photochemisch (Thymin-Dimere), UV-B löst Sonnenbrand aus.
Ein Röntgenphoton hat weit mehr als 10 eV, es ionisiert und zerstört Bindungen. Ein Photon sichtbaren Lichts hat dafür zu wenig Energie.
Gammastrahlung durchdringt Gewebe tief und ionisiert dabei. → Ausführlich in: Ionisierende Strahlung, Absorption, Kosmische Strahlung
Strom im Körper reizt Nerven und Muskeln; gefährlich machen ihn Stromstärke, Dauer und der Weg über das Herz (Kammerflimmern).
Beschriftbare Abbildung
Deine AufgabeOrdne jedem Bereich des Spektrums sein Beispiel zu und decke dann die Namen auf. Begründe, warum die Grenze zur ionisierenden Strahlung mitten im UV-Bereich liegt und warum Röntgenstrahlung Gewebe schädigen kann, Radiowellen aber kaum.
Tippe auf eine Beschriftung in der Abbildung, um ihre Erklärung zu lesen.
