Was ist eine Welle?

Bildbeschreibung: Elektromagnetische Wellen entstehen durch die Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder. Diese Felder stehen immer senkrecht zueinander, aber auch senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle. Einmal gebildet, breitet sich diese Energie mit Lichtgeschwindigkeit aus, bis sie zur nächsten Wechselwirkung mit der Materie kommt.

Eine Welle ist Energie, die sich ausbreitet!

Zu sagen, dass eine Welle die Ausbreitung einer Störung in der Umgebung ist, reicht nicht aus, um zu verstehen, was eine Welle ist.
Zu sagen, dass Geschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz die drei Eigenschaften sind, die eine Welle charakterisieren, reicht nicht aus, um zu verstehen, was eine Welle ist.
Zu sagen, dass sich eine Welle mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, die von den Eigenschaften des Ausbreitungsmediums abhängt, zeigt uns nicht die Welle.
Die Aussage, dass eine Welle Energie transportiert, ohne Materie zu transportieren, sagt uns immer noch nichts über die Natur einer Welle.

Stellen wir uns nun ein Seil vor, das wir mit einer vertikalen Geste schütteln. Diese einfache Bewegung erzeugt eine Welle einer bestimmten Höhe, die sich scheinbar vorwärts ausbreitet, aber in Wirklichkeit bewegt sich kein Punkt des Seils, jeder Punkt kommt und geht und bewegt sich vertikal. Diese Amplitude gibt uns eine Vorstellung von der Kraft, mit der wir das Seil schütteln, nicht jedoch von der Welle selbst. Um zu verstehen, was eine Welle ist, müssen Sie das Seil entfernen und sich vorstellen, wie die Luftmoleküle dem mechanischen Druck des Seils ausgesetzt sind. In diesem Moment verbleibt im Medium (der Luft) nur noch Energie, eine Kraft, die durch die Bewegung des Seils erzeugt wird. Diese Energie bewirkt, dass der Luftdruck um einen Gleichgewichtswert oszilliert, der Druck nimmt um diesen Wert abwechselnd zu und ab.

Die Welle (also die Energie) bewegt die Luftmoleküle, ohne sie zu transportieren. Solange wir das Seil schütteln, können wir den Abstand zwischen 2 Höckern oder 2 Mulden messen, dieser Abstand ist die in Metern gemessene Wellenlänge. Der Rhythmus, mit dem wir das Seil schütteln, entspricht der in Hertz gemessenen Frequenz der Welle. Die Geschwindigkeit der Welle, gemessen in Metern/Sekunde, ist gleich der Wellenlänge multipliziert mit der Frequenz.

Die Welle und ihr Feld

Eine Welle breitet sich in einem stabilen Medium aus und ist in der Lage, in einen Gleichgewichtszustand zurückzukehren; Bei einer Schallwelle ist es der Luftdruck, der sich relativ zu einem Durchschnittswert bewegt. Bei einer elektromagnetischen Welle ist es die Intensität des elektromagnetischen Feldes, die sich relativ zu einem Durchschnittswert des Feldes ändert.

Elektrizität kann statisch sein, wie Bernstein, der nach dem Reiben kleine Gegenstände anzieht. Magnetismus kann auch statisch sein, wie bei einem Magneten. Aber wenn diese Felder zusammenrücken, werden siesich selbst ausbreitende transversale elektromagnetische Wellen.

Elektromagnetische Wellen entstehen, wenn ein elektrisches Feld mit einem magnetischen Feld gekoppelt wird. In diesem Moment schwingen sie im rechten Winkel zueinander und breiten sich senkrecht zur Bewegungsrichtung aus. Mit anderen Worten: Die Schwingungen des magnetischen Feldes und des elektrischen Feldes stehen immer senkrecht zueinander, aber auch senkrecht zur Wellenrichtung.

Die zwei Arten von Wellen,mechanischUndelektromagnetischsind zwei Möglichkeiten, Energie in einem Medium zu transportieren. Wellen im Wasser und Schallwellen in der Luft sind zwei Beispiele für mechanische Wellen. Dieser Energietransport stört oder bringt die Materie (fest, flüssig, gasförmig oder plasma) zum Schwingen, ohne sie zu transportieren, die Wasser- oder Luftmoleküle kollidieren, bleiben aber am selben Ort.

Ein veränderliches Magnetfeld induziert ein veränderliches elektrisches Feld und umgekehrt sind beide eng miteinander verbunden. Diese beiden Bereiche, beschrieben vonJames Clerk Maxwell(1831-1879) bilden beim Koppeln elektromagnetische Wellen (siehe Bild). Elektromagnetische Wellen benötigen im Gegensatz zu mechanischen Wellen keine physische Umgebung, um sich auszubreiten, sie breiten sich überall aus, sogar im Vakuum des Weltraums. Licht, elektromagnetische Wellen und alle Strahlung entstehen durch dasselbe physikalische Phänomen:Elektromagnetische Energie.

Das Feld ist ein Grundbegriff der Physik, es besteht aus nichts anderem, es ist es selbst, das die reale Welt ausmacht. Wenn eine Kraft auf sie ausgeübt wird, transportieren Felder Energie von Atomen zu großen galaktischen Strukturen.

Anmerkung: Die Welle wird als transversal bezeichnet, wenn sich die Energie senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle bewegt (Bewegung des Arms, die das Seil schüttelt, oder die Energie eines ins Wasser fallenden Kieselsteins). Von einer Longitudinalwelle spricht man, wenn sich die Energie in der Bewegungsrichtung der Welle (des Sprechermagneten) bewegt. Eine Welle kann sowohl longitudinal als auch transversal sein (ein Stock schlägt auf eine Trommel).

Frequenz, Wellenlänge und Energie

Frequenz, Wellenlänge und Energie hängen mathematisch zusammen; Sie müssen nur einen dieser drei Werte kennen, um die anderen beiden zu berechnen.

Radiowellen und Mikrowellen werden im Allgemeinen anhand der Frequenz (in Hertz), Infrarot- und sichtbares Licht anhand der Wellenlänge (in Metern) und Röntgen- und Gammastrahlen anhand der Energie (Elektronenvolt) beschrieben.

DortWellenfrequenzist nach Heinrich Hertz (1857-1894), der die Existenz von Radiowellen begründete, die Anzahl periodischer Phänomene oder die Anzahl der Spitzen, die in einer Sekunde wiederkehren. Von Radiowellen bis zu Gammastrahlen wird die Frequenz von einigen Hertz bis 10 gemessen²⁶ Hertz.

DortWellenlängeist der Abstand zwischen zwei Gipfeln. Die längsten Wellen (Radiowellen) können mehrere Kilometer messen, während die kürzesten Wellen (Gammawellen) bis zu 10 Kilometer lang sein können^-12Meter (Größe des Atomkerns).

L'Energie einer WelleElektromagnetisch wird in Elektronenvolt (eV) gemessen. Ein Elektronenvolt ist die Menge an kinetischer Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron durch ein Spannungspotential von 1 Volt zu bewegen. Die niedrigsten Energien sind die Energien von Radiowellen (einige eV), während die höchsten Energien die von Gammastrahlen (über 100 keV) sind.

Hinweis: Zwischen der Wellenlänge (λ) und der Frequenz (ν) besteht folgender Zusammenhang:ν = c / λ
ν = Wellenfrequenz in Hertz, c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in m/s, λ = Wellenlänge in Meter.

Was ist Licht?

Nach den Gleichungen von James Clerk Maxwell (1831-1879) ist Licht asich selbst ausbreitende elektromagnetische Transversalwellemit elektrischen und magnetischen Komponenten, bei denen die elektrischen und magnetischen Felder im rechten Winkel zueinander schwingen und sich senkrecht zu der Richtung, in die sie sich bewegen, unbegrenzt ausbreiten, sofern sie nicht von der dazwischenliegenden Materie absorbiert werden.
Das heißt, jede Feldart – elektrische und magnetische – erzeugt die andere, um die gesamte Verbundstruktur mit endlicher Lichtgeschwindigkeit durch den leeren Raum auszubreiten.