Was ist eine elektromagnetische Welle?

Die Physik hinter dem Radio – Kapitel 1

Ein Radioempfänger ist ein merkwürdiges Gerät. Er sammelt keinen Schall aus der Luft wie ein Ohr. Er hört nicht auf Druckwellen, die sich durch die Atmosphäre bewegen. Stattdessen reagiert er auf unsichtbare Änderungen elektrischer und magnetischer Felder. Erst nachdem diese Änderungen empfangen, verstärkt, gefiltert und umgewandelt wurden, bewegt ein Lautsprecher schließlich Luft und erzeugt Schall. Dieser Unterschied ist wichtig. Schall ist eine mechanische Störung in Materie: ein Muster aus Druck und Dichte, das sich durch Luft, Wasser oder ein anderes Material bewegt. Eine Radiowelle ist etwas anderes. Sie ist eine elektromagnetische Welle: eine sich ausbreitende Anordnung elektrischer und magnetischer Felder. Anders als Schall braucht sie keine Luft, kein Wasser und keinen anderen materiellen Träger; elektromagnetische Wellen können sich auch im Vakuum ausbreiten [1]. Diese Vorstellung wirkt abstrakt, weil wir elektrische und magnetische Felder nicht direkt sehen. Wir sehen ihre Wirkungen. Ein geladener Kamm zieht kleine Papierstücke an. Eine Kompassnadel dreht sich in der Nähe eines Magneten. Ein Funke springt über einen Luftspalt. Eine Radioantenne erzeugt eine Spannung, wenn weit entfernt ein Sender eingeschaltet wird. In jedem dieser Fälle scheint etwas im Raum ohne sichtbaren Kontakt eine Wirkung auszuüben. Lange Zeit war das eines der tiefsten Rätsel der Physik. Wie kann ein Objekt ein anderes über leeren Raum hinweg beeinflussen? Gibt es eine verborgene mechanische Verbindung? Gibt es ein unsichtbares Medium? Oder trägt der Raum selbst etwas? Die Geschichte der elektromagnetischen Wellen beginnt mit dieser Frage.

Von Kräften zu Feldern

Ein guter Ausgangspunkt ist das elektrische Feld. Ein elektrisches Feld beschreibt, was eine elektrische Ladung mit dem Raum um sich herum macht. Wenn wir an einer Stelle in diesem Raum eine kleine positive Probeladung platzieren, sagt uns das Feld, welche Kraft diese Ladung spüren würde und in welche Richtung sie sich bewegen würde. In moderner Lehrbuchsprache ist die elektrische Feldstärke die Kraft pro Ladungseinheit [2]. Das klingt nach einer einfachen Definition, bedeutet aber einen großen Wandel im Denken. Statt nur zu sagen, dass eine Ladung eine andere Ladung aus der Ferne anzieht oder abstößt, sagen wir: Die erste Ladung erzeugt einen Zustand im Raum. Die zweite Ladung reagiert dann auf das lokale Feld an ihrer eigenen Position. Ein magnetisches Feld ist dem Geist nach ähnlich, verhält sich aber anders. Eine ruhende elektrische Ladung spürt eine elektrische Kraft. Eine magnetische Kraft wirkt dagegen auf bewegte Ladungen, elektrische Ströme und magnetische Dipole. Deshalb richtet sich eine Kompassnadel im Erdmagnetfeld aus, und deshalb kann ein stromdurchflossener Draht in der Nähe eines Magneten eine Kraft erfahren [2]. Elektrische und magnetische Felder sind also eng verwandt, aber sie sind nicht einfach dasselbe unter zwei verschiedenen Namen. Elektrische Felder sind mit Ladung verbunden. Magnetische Felder sind mit bewegter Ladung, Strom und veränderlichen elektrischen Feldern verbunden. Die vollständige Verbindung zwischen beiden gehört zu den großen Leistungen der Physik des 19. Jahrhunderts.

Faradays unsichtbare Linien

Michael Faraday war eine der zentralen Figuren beim Wandel des physikalischen Denkens über Elektrizität und Magnetismus. Er war nicht in erster Linie ein mathematischer Theoretiker. Er war ein experimentelles Genie mit einer starken physikalischen Vorstellungskraft. Wenn Faraday Eisenfeilspäne um einen Magneten streute, ordneten sie sich zu eleganten Kurven an. Um einen Stabmagneten bildeten sie Schleifen von einem Pol zum anderen. Um einen stromdurchflossenen Draht bildeten sie Kreise. Diese Muster waren keine zufällige Dekoration. Sie zeigten Richtungen, in denen magnetische Wirkungen auftraten. Faraday nannte sie Kraftlinien. Heute behandeln wir Feldlinien meist als visuelle Hilfsmittel. Sie sind keine materiellen Fäden im Raum. Ein geladenes Teilchen muss nicht entlang einer Feldlinie laufen, und die Linie selbst ist kein materielles Objekt. Eine Feldlinie zeigt nur die Richtung des Feldes an jedem Punkt. Wo Feldlinien dichter gezeichnet werden, ist das Feld stärker [3]. Faradays Intuition ging aber tiefer als eine bloße Zeichenkonvention. Für ihn war der Raum um Ladungen, Ströme und Magnete nicht passive Leere. Er hatte physikalische Struktur. Das Feld war nicht nur ein mathematischer Trick zur Berechnung von Kräften; es war der lokale Zustand des Raums, durch den elektrische und magnetische Wirkungen übertragen wurden [4]. Diese Idee ist der erste gedankliche Schritt in Richtung Radio. Eine Radiowelle ist kein kleines Objekt, das vom Sender zum Empfänger fliegt. Sie ist ein sich veränderndes Feldmuster, das sich nach außen durch den Raum ausbreitet. Faraday hatte noch nicht die endgültige mathematische Theorie solcher Wellen, aber sein Feldbegriff machte es möglich, über sie nachzudenken [4].

Statische Felder sind noch keine Wellen

Es ist verlockend zu sagen: Wo immer es ein elektrisches oder magnetisches Feld gibt, gibt es schon so etwas wie Radio. Das stimmt nicht. Ein ruhender geladener Körper erzeugt ein elektrisches Feld. Ein Permanentmagnet erzeugt ein magnetisches Feld. Ein stationärer Gleichstrom erzeugt ein magnetisches Feld um einen Draht. Diese Felder können den Raum um das Objekt erfüllen, aber sie bilden nicht automatisch eine elektromagnetische Welle [5]. Eine Welle braucht Veränderung. Genauer gesagt: Eine elektromagnetische Welle besteht aus elektrischen und magnetischen Feldern, die sich zeitlich und räumlich in gekoppelter Weise ändern. Das Feldmuster sitzt nicht einfach nur um seine Quelle herum. Es breitet sich aus. Es trägt Energie und Impuls von der Quelle weg. Weit entfernt vom Sender, im idealen Fall einer ebenen Welle im freien Raum, stehen elektrisches Feld, magnetisches Feld und Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander [5], [6]. Dieses einfache Bild — elektrisches Feld in eine Richtung, magnetisches Feld rechtwinklig dazu, die Welle in eine dritte Richtung — wird oft in Diagrammen gezeigt. Es ist ein sehr nützliches Bild, aber es ist auch eine Vereinfachung. In der Nähe von Antennen, in Kabeln, nahe an Schaltungen und um reaktive Bauelemente kann die Feldstruktur deutlich komplizierter sein. Spätere Kapitel dieser Serie werden auf diese Bereiche zurückkommen.

Eine häufige Quelle für Missverständnisse ist die Formulierung, dass ein veränderliches elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugt und ein veränderliches magnetisches Feld ein elektrisches Feld. Bei einer frei laufenden Fernfeldwelle bedeutet das nicht, dass sich die beiden Felder abwechseln. Die elektrische und die magnetische Feldkomponente wachsen, fallen und kehren gemeinsam ihre Richtung um. Sie sind in Phase. Maxwells Gleichungen beschreiben keinen lokalen Austausch, sondern eine gekoppelte Raum-Zeit-Struktur, die Energie nach vorne trägt.

Für den Moment ist der wichtigste Punkt:

Ein statisches Feld ist ein Zustand im Raum.
Eine elektromagnetische Welle ist eine sich ausbreitende Störung von Feldern.

Maxwell schließt den Kreis

James Clerk Maxwell nahm Faradays Feldintuition und verwandelte sie in eine mathematische Theorie. Vor Maxwell kannten Physiker bereits mehrere wichtige Gesetze. Elektrische Ladungen erzeugen elektrische Felder. Elektrische Ströme erzeugen magnetische Felder. Faraday hatte gezeigt, dass ein veränderliches magnetisches Feld ein elektrisches Feld induzieren kann; das ist das Prinzip hinter Generatoren, Transformatoren und Induktivitäten [5]. Aber es gab eine Asymmetrie. Wenn ein veränderliches magnetisches Feld ein elektrisches Feld hervorbringen kann, könnte dann auch ein veränderliches elektrisches Feld ein magnetisches Feld hervorbringen? Maxwells Antwort war ja. Seine entscheidende Ergänzung war der Verschiebungsstrom. Der Name ist historisch bedingt und kann irreführend sein, denn es handelt sich nicht um einen gewöhnlichen Leitungsstrom von Ladungen, die durch einen Draht fließen. Vielmehr beschreibt er die magnetische Wirkung eines veränderlichen elektrischen Feldes [5]. Ein klassisches Beispiel ist ein ladender Kondensator. In den Drähten zu den Kondensatorplatten fließt Strom, aber durch den isolierenden Spalt zwischen den Platten fließt kein gewöhnlicher Leitungsstrom. Trotzdem ändert sich dort das elektrische Feld. Maxwell erkannte, dass dieses veränderliche elektrische Feld genau die Rolle spielen muss, die nötig ist, um das Magnetfeld um den Stromkreis zu vervollständigen [5].

Das war keine kleine Korrektur. Es schloss das System. Faradays Gesetz sagt im Kern, dass ein veränderliches magnetisches Feld mit einem wirbelförmigen elektrischen Feld verbunden ist. Maxwells Ergänzung sagt, dass ein veränderliches elektrisches Feld mit einem magnetischen Feld verbunden ist. Zusammen erlauben diese Ideen, dass sich eine selbsttragende elektromagnetische Störung durch den Raum ausbreitet [5]. Die populäre Erklärung lautet: Ein veränderliches elektrisches Feld erzeugt ein veränderliches magnetisches Feld, und das veränderliche magnetische Feld erzeugt wieder ein veränderliches elektrisches Feld, also läuft die Welle weiter. Dieses Bild ist nützlich, sollte aber nicht zu wörtlich als Abfolge kleiner mechanischer Ereignisse verstanden werden, als würde ein Zahnrad das nächste antreiben. Maxwells Gleichungen beschreiben ein gekoppeltes Feldsystem. Elektrische und magnetische Felder sind Teile einer elektromagnetischen Struktur. In einer sich ausbreitenden Welle sind sie keine unabhängigen Zutaten, die nachträglich zusammengesetzt werden; sie sind verknüpfte Aspekte desselben physikalischen Prozesses [5].

Licht wird elektromagnetisch

Maxwells Theorie führte zu einer der schönsten Identifikationen der Physik. Als er die Folgen seiner Gleichungen ausarbeitete, fand er, dass sich elektromagnetische Störungen mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreiten sollten. Diese Geschwindigkeit lag sehr nahe bei der gemessenen Lichtgeschwindigkeit [7]. Das war kein Zufall. Maxwell schloss daraus, dass Licht selbst eine elektromagnetische Störung ist [7]. Diese Aussage vereinte zwei Welten, die zuvor getrennt erschienen waren. Elektrizität, Magnetismus und Optik waren keine unabhängigen Zweige der Natur. Sichtbares Licht war Teil desselben Phänomens wie elektrische und magnetische Felder. Der Unterschied lag in Frequenz und Wellenlänge. Das ist der Moment, in dem Radio im Prinzip möglich wird, noch bevor es praktische Radiosender gibt. Wenn sichtbares Licht eine elektromagnetische Welle ist, dann können auch andere elektromagnetische Wellen existieren — Wellen, die zu lang sind, um gesehen zu werden, und deren Frequenz zu niedrig für das Auge ist, die aber denselben Feldgesetzen folgen. Später wurden daraus Radiowellen. Maxwell baute kein Radiosystem. Er tat etwas Grundlegenderes: Er zeigte, dass die Natur elektromagnetische Wellen erlaubt. Historisch war das kein einzelner isolierter Geistesblitz im Jahr 1865. Maxwells frühere Arbeiten in den 1850er und frühen 1860er Jahren hatten Faradays Feldideen bereits mathematisch entwickelt und die Begriffe eingeführt, die zum Verschiebungsstrom führten. Seine Arbeit von 1865 war die Kulmination dieser Entwicklung, kein losgelöstes Wunder in einem einzigen Jahr [8].

Hertz macht die Wellen sichtbar

Eine Theorie, so elegant sie auch sein mag, braucht experimentelle Bestätigung. Diese Bestätigung kam durch Heinrich Hertz in den späten 1880er Jahren. Hertz baute Apparaturen, mit denen sich elektromagnetische Wellen im Labor erzeugen und nachweisen ließen. Sein Sender verwendete Funken und schwingende Ströme. Sein Empfänger war eine kleine Schleife oder ein Leiter mit einem winzigen Spalt. Wenn elektromagnetische Wellen vom Sender den Empfänger erreichten, erschien ein kleiner Funke über diesem Spalt [9]. Ein Funke allein klingt vielleicht noch nicht wie ein Beweis für eine neue Art von Welle. Hertz ging weiter. Er zeigte, dass sich diese Störungen wie Wellen verhielten. Sie konnten reflektiert werden. Sie konnten Interferenzmuster bilden. Sie hatten Polarisation. Sie breiteten sich mit einer Geschwindigkeit aus, die mit der Lichtgeschwindigkeit vergleichbar war [9]. Das war die entscheidende Brücke von Maxwells Mathematik zur physikalischen Wirklichkeit. Die unsichtbaren Feldstörungen, die Maxwell vorhergesagt hatte, waren real. Sie konnten erzeugt, abgestrahlt, empfangen und untersucht werden. Hertz hatte gezeigt, dass elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Bereichs existieren.

Spätere Ingenieure machten daraus Kommunikation. Aber Hertz’ Experiment war noch kein Radio im alltäglichen Sinn. Es war keine Musik, keine Sprache und keine Datenübertragung rund um die Welt. Es war eine Labordemonstration, dass schnell veränderliche elektrische Systeme elektromagnetische Wellen in den Raum aussenden können. Diese Demonstration öffnete die Tür zu allem, was folgte: drahtlose Telegraphie, Rundfunk, Radar, Satellitenkommunikation, WLAN, Mobilfunknetze und Kommunikation mit Raumsonden. Eine kleine historische Vorsicht ist hier nützlich. Tesla, Marconi, Braun, Lodge, Popov und viele andere gehören zur späteren Geschichte der Funktechnik und der drahtlosen Systeme. Für die physikalische Grundlage elektromagnetischer Wellen verläuft die zentrale Linie jedoch von Faraday über Maxwell zu Hertz. Tesla wird wichtiger, wenn es um Hochfrequenztechnik, Resonanz und drahtlose Energieübertragung geht.

Wellenlänge, Frequenz und Geschwindigkeit

Jede Welle hat eine Frequenz und eine Wellenlänge. Die Frequenz sagt, wie viele Schwingungen pro Sekunde auftreten. Sie wird in Hertz gemessen. Eine Frequenz von einem Kilohertz bedeutet tausend Schwingungen pro Sekunde. Ein Megahertz bedeutet eine Million Schwingungen pro Sekunde. Ein Gigahertz bedeutet eine Milliarde Schwingungen pro Sekunde. Die Wellenlänge sagt, wie groß der Abstand von einem Punkt im Wellenmuster zum entsprechenden Punkt im nächsten Zyklus ist, zum Beispiel der Abstand von einem Wellenberg zum nächsten. Für elektromagnetische Wellen im Vakuum sind Frequenz und Wellenlänge über die Lichtgeschwindigkeit miteinander verbunden [5], [10]:

c = λ × f

Hier ist c die Lichtgeschwindigkeit, λ die Wellenlänge und f die Frequenz. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt exakt 299.792.458 Meter pro Sekunde [10]. Aus dieser Beziehung folgt: Hohe Frequenz bedeutet kurze Wellenlänge, niedrige Frequenz bedeutet lange Wellenlänge. Ein Rundfunksignal bei ungefähr 100 MHz hat eine Wellenlänge von etwa 3 Metern. Ein WLAN-Signal bei 2,4 GHz hat eine Wellenlänge von etwa 12,5 Zentimetern. Sichtbares Licht hat Wellenlängen von nur wenigen hundert Nanometern. Röntgenstrahlung ist noch kurzwelliger. Deshalb ändern sich Antennen, Schaltungen und Ausbreitungsverhalten so stark mit der Frequenz. Ein Bauelement, das bei Audiofrequenzen elektrisch klein ist, kann bei Radiofrequenzen bereits ein erheblicher Bruchteil einer Wellenlänge sein. Ein Draht, der bei niedriger Frequenz wie eine einfache Verbindung wirkt, kann bei höherer Frequenz zur Übertragungsleitung werden. Eine Öffnung, die bei langer Wellenlänge bedeutungslos ist, kann bei kürzerer Wellenlänge zu einer wirksamen Schlitzantenne werden. Spätere Kapitel werden diese Folgen genauer behandeln. Für jetzt reicht die Grundregel: Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit gehören untrennbar zusammen.

Radio, Mikrowellen, Licht und Röntgenstrahlung

Wenn man Maxwells Theorie verstanden hat, wird das elektromagnetische Spektrum begrifflich einfach. Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung sind alles elektromagnetische Strahlung. Sie sind keine verschiedenen Substanzen. Sie sind keine getrennten Familien von Wellen. Sie sind verschiedene Bereiche desselben kontinuierlichen Spektrums [11]. Sie unterscheiden sich in Frequenz, Wellenlänge und Photonenenergie. Am niederfrequenten Ende können Radiowellen Wellenlängen von Metern bis Kilometern oder mehr haben. Sie sind nützlich für Kommunikation, Rundfunk, Navigation und Sensorik. Mikrowellen haben kürzere Wellenlängen und werden in Radar, Satellitenverbindungen, Mikrowellenöfen, WLAN und vielen anderen Systemen verwendet. Infrarotstrahlung ist mit Wärmestrahlung und optischer Kommunikation verbunden. Sichtbares Licht ist der kleine Teil des Spektrums, den menschliche Augen wahrnehmen können. Ultraviolett, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung haben zunehmend höhere Frequenzen und zunehmend höhere Photonenenergien [11]. Es ist daher sowohl richtig als auch etwas gefährlich zu sagen: Radiowellen und Röntgenstrahlen sind dasselbe. Sie sind dieselbe Art physikalischen Phänomens: elektromagnetische Strahlung. Aber sie sind nicht gleich in Energie, Entstehung oder Wechselwirkung mit Materie. Ein Mittelwellensender, ein Mikrowellenradar, ein Laserpointer und eine Röntgenröhre arbeiten alle mit elektromagnetischer Strahlung, erzeugen sie aber auf verschiedene Weise und wechselwirken sehr unterschiedlich mit Materie [11]. Die Einheit ist grundlegend. Die Unterschiede sind praktisch und physikalisch. Das ist einer der Gründe, warum Funktechnik so reich an Phänomenen ist. Dieselbe maxwellsche Physik zieht sich durch das ganze Spektrum, aber jeder Frequenzbereich hat seine eigenen Gewohnheiten.

Wellenbild und Photonenbild

Bisher haben wir elektromagnetische Strahlung als Welle in elektrischen und magnetischen Feldern beschrieben. Für Funktechnik, Antennen, Übertragungsleitungen und Ausbreitung ist dieses klassische Feldbild meist der nützlichste Ausgangspunkt. Die moderne Physik beschreibt elektromagnetische Strahlung auch mit Photonen. Ein Photon ist das Quant des elektromagnetischen Feldes, und seine Energie ist proportional zur Frequenz [6], [11]. Das widerspricht dem Wellenbild nicht. Es ist eine andere Beschreibungsebene. Für Radiowellen ist die Photonenenergie meist extrem klein im Vergleich zu thermischen Energien in gewöhnlicher Elektronik, sodass die klassische Feldtheorie bemerkenswert gut funktioniert. Für sichtbares Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung und atomare Prozesse wird das Photonenbild deutlich wichtiger. Für den Rest dieser Serie werden wir meistens das Feldbild verwenden, weil es die natürliche Sprache für Antennen, Speiseleitungen, Nahfelder, Strahlung und Energiefluss ist.

Wo ist die Energie?

Eine elektromagnetische Welle trägt Energie. Dieser Satz ist vertraut, verbirgt aber eine wichtige Frage: Wo befindet sich diese Energie eigentlich? Es ist verlockend, sich vorzustellen, dass Energie im Draht fließt und dann aus der Antenne in den Raum springt. Die Feldtheorie gibt eine subtilere Antwort. Elektromagnetische Energie ist mit den elektrischen und magnetischen Feldern selbst verbunden. In einer sich ausbreitenden Welle bewegt sich Energie im Feld in Ausbreitungsrichtung [12]. Die präzise mathematische Beschreibung verwendet den Poynting-Vektor, der in Richtung des elektromagnetischen Energieflusses zeigt. Dieses Thema verdient ein eigenes Kapitel und wird später in dieser Serie wiederkehren. Für dieses erste Kapitel ist der wichtige Punkt einfach: Eine elektromagnetische Welle ist nicht nur ein Muster ohne physikalische Folgen. Sie kann Energie an eine Empfangsantenne liefern. Sie kann Material erwärmen. Sie kann Druck ausüben. Sie kann Information tragen [12]. Funkkommunikation funktioniert, weil kontrollierte Änderungen im Feld Energie und Information von einem Ort zum anderen transportieren können.

Warum Antennen wichtig sind

Wenn elektromagnetische Wellen Feldstörungen sind, dann braucht ein Radiosender eine Möglichkeit, solche Störungen effizient zu erzeugen. Das ist die Aufgabe einer Antenne. Eine Antenne ist nicht einfach ein Metallstab, aus dem Elektronen in den Raum geworfen werden. Die Elektronen in der Antenne reisen nicht vom Sender zum Empfänger. Stattdessen treibt der Sender Ladungen in der Antenne hin und her. Diese beschleunigten Ladungen erzeugen veränderliche elektrische und magnetische Felder. Unter den richtigen Bedingungen löst sich ein Teil dieser Feldstruktur aus der unmittelbaren Umgebung der Antenne und breitet sich als Strahlung nach außen aus. Deshalb hängt die Größe einer Antenne mit der Wellenlänge zusammen. Die Geometrie des Leiters, die Verteilung von Strom und Spannung und der umgebende Raum bestimmen gemeinsam, wie effizient Energie vom Sender in das elektromagnetische Feld übertragen wird. Eine Empfangsantenne vollzieht den umgekehrten Prozess. Die einlaufende elektromagnetische Welle übt Kräfte auf Ladungen im Leiter aus. Dadurch entstehen Spannungen und Ströme, die der Empfänger verarbeiten kann. Kein materieller Stoff hat den Raum zwischen Sender und Empfänger durchquert. Energie und Information aber schon. Das ist das grundlegende Wunder des Radios.

Eine kurze historische Zeitleiste

Faraday gab der Physik eine neue Art, über Raum nachzudenken. Seine Kraftlinien legten nahe, dass elektrische und magnetische Wirkungen lokal, über Felder, verstanden werden sollten [4]. Maxwell verwandelte diese Idee in Gleichungen. Er verband Elektrizität, Magnetismus und Optik zu einer Theorie und zeigte, dass elektromagnetische Wellen existieren sollten [7], [8]. Hertz erzeugte und empfing diese Wellen im Labor. Er demonstrierte, dass sie reflektiert werden, interferieren, polarisiert sind und sich mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die mit Licht vergleichbar ist [9]. Spätere Erfinder und Ingenieure machten daraus praktische Kommunikation. Diese spätere Ingenieurgeschichte ist wichtig, aber die physikalische Grundlage lag bereits in der Linie von Faraday über Maxwell zu Hertz. Aus diesem Grund sollte das erste Kapitel einer Radio-Physik-Serie nicht mit Sendern, Empfängern oder Frequenzbändern beginnen, sondern mit Feldern. Radio ist angewandte Feldphysik.

Die Kernidee

Eine elektromagnetische Welle ist eine sich ausbreitende Störung elektrischer und magnetischer Felder. Sie entsteht, wenn sich Ladungen und Ströme zeitlich ändern. Im freien Raum sind die elektrische und die magnetische Komponente der Welle gekoppelt und breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Radiowellen, Mikrowellen, sichtbares Licht und Röntgenstrahlung sind alle Teil desselben elektromagnetischen Spektrums. Ihre Wellenlängen, Frequenzen und Photonenenergien unterscheiden sich enorm, aber die zugrunde liegende Feldtheorie ist dieselbe. Das ist die begriffliche Grundlage für alles, was folgt. Wenn wir später fragen, warum Antennen strahlen, warum Koaxialkabel Energie führen, warum Transformatoren kaum abstrahlen, warum Nahfelder sich anders verhalten als Fernfelder oder warum sich verschiedene Frequenzen unterschiedlich ausbreiten, fragen wir immer noch nach derselben Sache: wie elektrische und magnetische Felder existieren, sich ändern, Energie tragen und mit Materie wechselwirken. Das ist die Physik hinter dem Radio.

Kapitel 2: Nahfeld und Fernfeld – warum sich Radio mit der Entfernung veränder

Quellen und weiterführende Literatur

1. OpenStax – College Physics 2e, “Introduction to Electromagnetic Waves.”
   https://openstax.org/books/college-physics-2e/pages/24-introduction-to-electromagnetic-waves
2. OpenStax – Physics, “Electric Field.”
   https://openstax.org/books/physics/pages/18-3-electric-field
3. OpenStax – University Physics Volume 2, “Electric Field Lines.”
   https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/5-6-electric-field-lines
4. Assis, André Koch Torres. “The Field Concepts of Faraday and Maxwell.”
   https://www.ifi.unicamp.br/~assis/The-field-concepts-of-Faraday-and-Maxwell%282009%29.pdf
5. OpenStax – University Physics Volume 2, “Maxwell’s Equations and Electromagnetic Waves.”  
   https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/16-1-maxwells-equations-and-electromagnetic-waves
6. NASA Science – “Anatomy of an Electromagnetic Wave.”
    https://science.nasa.gov/ems/02_anatomy/
7. Maxwell, James Clerk. “A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field.”
   https://archive.org/download/dynamicaltheoryo00maxw/dynamicaltheoryo00maxw.pdf
8. Engineering and Technology History Wiki – “Milestones: Maxwell’s Equations, 1860–1871.”
   https://ethw.org/Milestones%3AMaxwell%27s_Equations%2C_1860-1871
9. Hertz, Heinrich. “Electric Waves.”
    https://commons.princeton.edu/josephhenry/wp-content/uploads/sites/71/2020/02/Electric_Waves.pdf
10. NIST – CODATA value of the speed of light in vacuum.
    https://physics.nist.gov/constants
11. NASA / GSFC – “Electromagnetic Spectrum: Introduction.”
     https://imagine.gsfc.nasa.gov/science/toolbox/emspectrum1.html
12. OpenStax – University Physics Volume 2, “Energy Carried by Electromagnetic Waves.”
    https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/16-3-energy-carried-by-electromagnetic-waves