Elektromagnetische Wellen
Die Maxwell-Gleichungen prognostizieren sich selbst erhaltende Wellen elektrischer und magnetischer Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und das elektromagnetische Spektrum umfassen.
Definition
Elektromagnetische Wellen sind gekoppelte Schwingungen elektrischer und magnetischer Felder, die im Vakuum transversal und in Phase sind, die aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitete Wellengleichung erfüllen und Energie und Impuls mit Lichtgeschwindigkeit durch den Raum oder Medien transportieren.
Scope
Dieser Bereich behandelt die Wellenlösungen der Maxwell-Gleichungen: ebene und andere elektromagnetische Wellen im Vakuum und in Medien, Polarisation, Energie- und Impulstransport durch Wellen, Reflexion und Brechung an Grenzflächen, Dispersion und Absorption sowie geführte Ausbreitung in Wellenleitern und Übertragungsleitungen. Er betrachtet das gesamte elektromagnetische Spektrum als ein einziges Phänomen, während die Emission von Strahlung durch Quellen im Bereich Strahlung und Antennen behandelt wird.
Sub-topics
Core questions
- Wie führen die Maxwell-Gleichungen zu sich ausbreitenden Wellen?
- Wie sind Wellen polarisiert und wie transportieren sie Energie?
- Wie verhalten sich Wellen an Grenzflächen und in dispersiven Medien?
- Wie werden elektromagnetische Wellen in Strukturen geführt?
Key concepts
- Wellengleichung
- ebene Welle
- Polarisation
- elektromagnetisches Spektrum
- Phasen- und Gruppengeschwindigkeit
- Reflexion und Brechung
- Dispersion
- Wellenleiter
Key theories
- Elektromagnetische Wellengleichung
- Die Kombination der Maxwellschen Rotationsgleichungen ergibt eine Wellengleichung für die Felder, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit durch die elektrischen und magnetischen Konstanten bestimmt wird, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht und Licht als elektromagnetische Welle identifiziert.
- Transversale, polarisierte ebene Wellen
- Im freien Raum sind die elektrischen und magnetischen Felder einer ebenen Welle senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wobei die Orientierung des elektrischen Feldes die Polarisation definiert.
- Existenz elektromagnetischer Wellen (Hertz)
- Hertz erzeugte und detektierte elektromagnetische Wellen im Labor, bestätigte damit Maxwells Vorhersage und demonstrierte Reflexion, Brechung und Polarisation analog zum Licht.
Clinical relevance
Elektromagnetische Wellen sind die Grundlage für Funk- und drahtlose Kommunikation, Radar, Glasfaser- und Freistrahloptik, Mikrowellen- und Millimeterwellensysteme sowie die Bildgebung über das gesamte Spektrum von Radio- bis Röntgenstrahlen in Medizin und Industrie.
History
Maxwell sagte elektromagnetische Wellen in den 1860er Jahren voraus und identifizierte Licht als eine solche Welle. Hertz bestätigte ihre Existenz experimentell in den Jahren 1887-1888, und die rasche Entwicklung des Radios durch Marconi und andere, zusammen mit der Optiktradition von Fresnel, etablierte die Einheit des elektromagnetischen Spektrums.
Key figures
- James Clerk Maxwell
- Heinrich Hertz
- Augustin-Jean Fresnel
Related topics
Seminal works
- jackson1998
- born1999
- hertz1893
Frequently asked questions
- Warum bewegen sich elektromagnetische Wellen mit Lichtgeschwindigkeit?
- Die Wellengleichung aus den Maxwell-Gleichungen hat eine Ausbreitungsgeschwindigkeit, die durch die Permittivität und Permeabilität des Mediums festgelegt ist; im Vakuum entspricht diese Geschwindigkeit der gemessenen Lichtgeschwindigkeit, was zeigt, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.
- Sind Radiowellen und sichtbares Licht die gleiche Art von Phänomen?
- Ja; sie sind alle elektromagnetische Wellen, die sich nur in Frequenz und Wellenlänge unterscheiden und zusammen das elektromagnetische Spektrum bilden, von Radiowellen über Mikrowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.