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Harmonische Wellen beschreiben die zeitliche und räumliche Ausbreitung einer harmonischen Schwingung, wobei Energie, aber keine Materie transportiert wird.
Eine harmonische Welle entsteht, wenn ein schwingungsfähiges System (Oszillator) eine harmonische Schwingung ausführt und diese Störung an benachbarte Teilchen weitergibt. Während die Schwingung eine rein zeitliche Periodizität an einem festen Ort beschreibt, ist die Welle eine zeitliche und räumliche Zustandsänderung. Wichtig ist: Eine Welle transportiert Energie und Impuls, aber niemals Materie über weite Strecken; die Teilchen des Mediums schwingen lediglich um ihre Ruheposition.
Man unterscheidet Wellen nach ihrer Schwingungsrichtung. Bei Transversalwellen (Querwellen) erfolgt die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wie bei einer schwingenden Saite oder Licht. Longitudinalwellen (Längswellen) schwingen parallel zur Ausbreitungsrichtung, was zu einer Abfolge von Verdichtungen und Verdünnungen führt, wie es bei Schallwellen in Luft der Fall ist.
Die räumliche Ausdehnung einer Welle wird durch die Wellenlänge (Lambda, λ) definiert. Sie entspricht dem kleinsten Abstand zweier Punkte gleicher Phase, also beispielsweise von Wellenberg zu Wellenberg. Die Zeit, die vergeht, bis ein vollständiger Wellenzug einen Punkt passiert, nennt man Periodendauer (T). Die Kehrzahl der Periodendauer ist die Frequenz (f = 1/T), gemessen in Hertz (Hz).
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (v) einer Welle ist das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz (v = λ × f). In einem homogenen Medium bleibt diese Geschwindigkeit konstant. Ändert sich das Medium, ändert sich meist die Wellengeschwindigkeit und damit die Wellenlänge, während die Frequenz – die vom Erreger vorgegeben wird – konstant bleibt.
Das Superpositionsprinzip (Überlagerungsprinzip) besagt, dass sich Wellen ungestört durchdringen können. An jedem Punkt addieren sich die Elongationen (Auslenkungen) der einzelnen Wellen vorzeichenrichtig zur resultierenden Gesamtauslenkung. Dieses Phänomen bezeichnen wir als Interferenz.
Treffen zwei Wellenberge aufeinander, spricht man von konstruktiver Interferenz (Verstärkung). Dies geschieht, wenn der Gangunterschied (die Wegdifferenz Δ s) ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist (Δ s = n × λ). Treffen Wellenberg und Wellental aufeinander, kommt es zur destruktiven Interferenz (Auslöschung), sofern der Gangunterschied ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist (Δ s = (n + 0,5) × λ).
Ein besonderes Merkmal von Transversalwellen ist die Polarisation. Da die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt, kann sie in einer spezifischen Ebene stattfinden. Longitudinalwellen können hingegen nicht polarisiert werden, da ihre Schwingungsrichtung bereits durch die Ausbreitungsrichtung fest vorgegeben ist.
Das Huygenssche Prinzip erklärt, wie sich Wellenfronten ausbreiten: Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer neuen, kugelförmigen Elementarwelle betrachtet werden. Die Einhüllende aller dieser Elementarwellen bildet die neue Wellenfront. Dieses Prinzip ist die Grundlage für das Verständnis von Beugung und Brechung.
