Elektromagnetische Wellen und das Spektrum

Eine elektromagnetische Welle ist eine Schwingung des elektrischen und des magnetischen Feldes, die sich durch den Raum ausbreitet. Die beiden Felder schwingen senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, es ist also eine Querwelle. Wenn sich das elektrische Feld ändert, erzeugt es ein Magnetfeld, und ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt wieder ein elektrisches Feld. Dieses Wechselspiel trägt die Welle weiter, ohne dass irgendein Stoff nötig ist.

Das unterscheidet sie von Schall oder Wasserwellen. Schall braucht Luft oder einen anderen Stoff, deshalb hört man im Weltall nichts. Licht, Radiowellen und Wärmestrahlung der Sonne erreichen uns dagegen durch das Vakuum. James Clerk Maxwell sagte diese Wellen um 1865 aus seinen Gleichungen voraus, Heinrich Hertz wies sie 1886 mit einem Schwingkreis nach. Ihre Geschwindigkeit im Vakuum ist die Lichtgeschwindigkeit von rund 300 000 Kilometern pro Sekunde.

Entstehen können elektromagnetische Wellen immer dann, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden. Im Sendemast schwingen Elektronen in der Antenne hin und her, in der Glühlampe zittern Teilchen im heißen Draht, in der Röntgenröhre werden Elektronen abgebremst, und im Atomkern entsteht Gammastrahlung. Die Wellen sind also dasselbe Phänomen, nur mit sehr unterschiedlichen Schwingungszahlen.

Das Spektrum der elektromagnetischen Wellen reicht über viele Größenordnungen. Radiowellen haben Wellenlängen von einem Dezimeter bis zu mehreren Kilometern. Mikrowellen liegen zwischen etwa einem Millimeter und zehn Zentimetern. Es folgen Infrarot, das du als Wärme spürst, und das kleine Fenster des sichtbaren Lichts von rund 380 bis 780 Nanometern. Darüber liegen Ultraviolett, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.

Die Grenzen sind nicht scharf. Ein Bereich geht fließend in den nächsten über, und die Zahlen in Büchern schwanken leicht. Wichtig ist die Größenordnung. Das sichtbare Licht ist nur ein winziger Ausschnitt, nur etwa eine Oktave breit, und zwar dort, wo die Sonne am meisten ausstrahlt und sich unsere Augen deshalb entwickelt haben.

Die Ausbreitung ist bei allen gleich, die Wechselwirkung mit Stoffen aber nicht. Radiowellen gehen durch Wände, sichtbares Licht nur durch Glas, Röntgenstrahlen durch Gewebe, aber nicht durch Knochen und Blei. Die Wellenlänge entscheidet, womit die Welle wechselwirkt: Eine Antenne muss etwa so lang sein wie die Welle, ein Atom ist so klein, dass es erst auf Wellenlängen von Nanometern reagiert.

Der häufigste Fehler beim Rechnen ist ein Einheitenfehler. Wer 100 MHz als 100 Hz einsetzt, bekommt eine Wellenlänge von 3 000 Kilometern statt 3 Metern. Rechne Megahertz immer mit 10 hoch 6, Gigahertz mit 10 hoch 9 und Nanometer mit 10 hoch minus 9 um. Prüfe am Ende, ob das Ergebnis zum Bereich im Spektrum passt: Licht muss Nanometer liefern, Radio Meter.

Der zweite Fehler ist die Verwechslung mit Schall. Schall ist eine Längswelle, die ein Medium braucht, und er ist mit etwa 343 Metern pro Sekunde in Luft fast eine Million Mal langsamer als Licht. Auch die Formel c gleich λ mal f gilt in der Form nur für elektromagnetische Wellen im Vakuum. Für Schall nimmst du die Schallgeschwindigkeit statt c.

Der dritte Fehler ist der Gedanke, die Wellenarten seien grundverschieden. Eine Mikrowelle ist keine radioaktive Strahlung, und Handystrahlung ist nicht dasselbe wie Röntgenstrahlung. Röntgen- und Gammastrahlung sind ionisierend, Radio, Mikrowelle, Infrarot und sichtbares Licht sind es nicht. In Materie wird die Welle langsamer, deshalb ändert sich dort die Wellenlänge, während die Frequenz gleich bleibt.

Im Alltag nutzt du elektromagnetische Wellen ständig. Das Radio empfängt Wellen von 87,5 bis 108 MHz, die Fernbedienung sendet Infrarot, die Sonnencreme schützt vor Ultraviolett, und beim Arzt zeigt Röntgenstrahlung Knochen. Ein Mikrowellenherd erhitzt Essen mit 2,45 GHz, weil diese Frequenz Wassermoleküle zum Drehen anregt. Das Metallgitter in der Tür hält die Wellen im Gerät, weil seine Löcher viel kleiner sind als die Wellenlänge von etwa 12 cm.

Auch die Sensoren im Auto nutzen Wellen. Das Radar für den Abstandsregler arbeitet bei etwa 77 GHz, die Wellenlänge liegt bei rund 4 mm. Aus der Laufzeit der reflektierten Welle berechnet das Auto den Abstand zum Vordermann. GPS und Handy brauchen ebenfalls Funkwellen, deren Laufzeit mit Lichtgeschwindigkeit gerechnet wird.

In der Klausur schreibst du zuerst c gleich λ mal f auf und stellst nach der gesuchten Größe um. Rechne in Basiseinheiten, setze c mit 3,00 mal 10 hoch 8 ein und ordne das Ergebnis dem Spektrum zu. Bei Verständnisfragen helfen zwei Sätze: Alle elektromagnetischen Wellen sind Querwellen ohne Medium mit gleicher Geschwindigkeit im Vakuum, und sie unterscheiden sich nur in Frequenz, Wellenlänge und Energie.