Elektromagnetische Welle

Was bedeutet Infrarot-Kurzwelle in der Wärmetechnologie

Kleine Einführung in die Natur von Wellen

Unter einer Welle versteht man in der Physik allgemein, eine sich in einem System räumlich und zeitlich ausbreitende Erregung (Störung). Die Welle transportiert Energie, jedoch keine Materie und kann entweder einmalig oder periodisch (= Schwingung) ablaufen. Der Mensch kann manche Arten von Wellen, z. B. Schallwellen, Wasserwellen oder Lichtwellen auch direkt wahrnehmen. Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal bei Wellen, ist deren Ausbreitung. Wenn sich Wellen parallel zu ihrer Ausbreitungsrichtung verbreiten, spricht man von einer Longitudinalwelle. Verbreiten sich Wellen, hingegen senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung spricht man von einer Transversalwelle. Daneben gibt es auch Mischformen. Des Weiteren wird unterschieden zwischen mechanischen Wellen, die ein Medium (Luft, Wasser, etc.) benötigen um sich auszubreiten (z. B. Schallwellen, Wasserwellen) und Wellen, die sich auch im Vakuum ausbreiten können (z. B. elektromagnetische Wellen). Die Wellenausbreitung in einem äußeren Medium erfolgt über die vom Erreger zur Schwingung gebrachten Materieteilchen, z. B. Luftteilchen. Im Unterschied dazu benötigen die in physikalischen Feldern erzeugten Wellen kein Ausbreitungsmedium. Die Träger der Wellenbewegung im Vakuum sind winzige Teilchen, die Photonen. Genau genommen sind Photonen die Grundlage elektromagnetischer Strahlung. Die Welleneigenschaften werden mit folgenden mathematischen Größen beschrieben: Wellenlänge, Frequenz, Amplitude und Phase. Eine weitere Größe ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese hängt neben bestimmten physikalischen Zustände wie Temperatur auch davon ab, in welchem Medium die Ausbreitung der Welle erfolgt. Ein Beispiel: Bei 20 °C breiten sich Schallwellen im Medium Luft mit einer Geschwindigkeit von 343 m/s aus, bei 0 °C nur noch mit 332 m/s. Bei 0 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit in Wasser 1.485 m/s, bei 20 °C nur noch 1.440 m/s. Im Vakuum hingegen breiten sich alle elektromagnetischen Wellen (Lichtwellen, Röntgenwellen, Radiowellen, etc), mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Die Ausbreitung erfolgt dabei mit 299.792.458 m/s, allgemein bekannt als Lichtgeschwindigkeit. Doch selbst die Lichtgeschwindigkeit kann sich je nach Ausbreitungsmedium ändern, im Wasser beträgt sie nur noch 225.000.000 m/s. Die Gesamtheit aller, elektromagnetischer Wellen von elektrischen Wellen über Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen bis hin zu Gammastrahlen, wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet.

Was sind elektromagnetische Wellen?

Neben dem Begriff elektromagnetische Wellen werden in der Physik auch die Begriffe elektromagnetische Felder und elektromagnetische Strahlung verwendet. Im Grunde werden damit aber nur unterschiedliche physikalische Eigenschaften des gleichen Phänomens beschrieben. Elektrische oder magnetische Felder bis zu einer Frequenz von 10 kHz sind immer an ihre Quelle gebunden. Höherfrequente Felder hingegen können sich von ihrer Quelle trennen und als Wellen im Raum ausbreiten, diese Felder bezeichnet man als elektromagnetische Felder. Der Energietransport durch elektromagnetische Felder wird als elektromagnetische Strahlung bezeichnet. Unter elektromagnetischen Wellen versteht man die sich im Raum zeitlich ausbreitenden wellenförmigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Die Existenz solcher Wellen wurde im Jahr 1886 durch den deutschen Physiker Heinrich Hertz nachgewiesen. Mithilfe von elektrischen Schwingkreisen (Hertzscher Oszillator) gelang ihm erstmals die Erzeugung und Übertragung elektromagnetischer Wellen von einem Sender zu einem Empfänger. Heinrich Hertz’s Ergebnisse lieferten den Beweis das elektromagnetische Felder und Lichtwellen die gleichen Eigenschaften haben und bestätigten somit die von J. C. Maxwell in den Jahren 1861 bis 1864 entwickelten Grundgleichungen (bekannt als Maxwell-Gleichungen, der Wechselwirkungen zwischen Elektromagnetismus und Optik (= Lehre vom Licht). Seine Erkenntnisse dienten auch als Grundlage für neue technische Entwicklungen wie Radio und drahtlose Telegrafie. Die heute allgemein übliche internationale Einheit für Frequenz, wurde Heinrich Hertz zu Ehren als Hertz (Hz = 1 Schwingung pro Sekunde) bezeichnet.

Wie entstehen elektromagnetische Wellen?

Wenn Ladungsträger (z. B. Elektronen) beschleunigt oder abgebremst werden, entstehen elektromagnetische Wellen, die sich im Raum ausbreiten. Elektromagnetische Wellen bzw. Felder können künstlich erzeugt werden. Ein typisches Beispiel ist die kurzwellige Röntgenstrahlung. Sie entsteht, wenn Elektronen in einer Vakuumelektronenröhre abrupt gestoppt werden. Elektromagnetische Wellen kommen aber auch in der Natur, z. B. im Sonnenlicht, in unterschiedlichen Frequenzen (Hz) und Wellenlängen (m) vor:

  • Radiowellen: 10 kHz-1 MHz bis zu 100 MHz; ≈ 1 m bis 0,5-10 km;
  • Infrarotlicht: 1.012-4 x 1.014 Hz; 1 mm-800 nm;
  • Sichtbares Licht: 4-8 x 1.014 Hz; 800-400 nm;
  • Ultraviolett: 1.015-1.017 Hz; 400-10 nm;
  • Röntgenstrahlen: 1017-1021 Hz; 10 nm-1 pm;
  • Gammastrahlen: 1.021 Hz und höher; 1 pm;

Radiowellen entstehen, wenn auf der Oberfläche (Korona) der Sonne geladene Teilchen, großflächig umherströmen.

Charakteristische Phänomene elektromagnetischer Wellen

Folgende vier physikalischen Phänomene lassen sich bei allen elektromagnetischen Wellen beobachten: Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz. Bei der Reflexion wird die Welle an der Trennfläche zwischen zwei Medien (z. B. Luft, Wasser) in das primäre Ausbreitungsmedium vollständig zurückgeworfen bzw. reflektiert. Der Einfallswinkel entspricht dabei dem Ausfallswinkel (Reflexionsgesetz). Bei der Brechung ändert sich an der Trennfläche zweier Medien die Ausbreitungsrichtung der Welle (Brechungsgesetz). Trifft die Welle, auf ein Hindernis ändert sie an dessen Rand (Kante) die Richtung. Dieses Merkmal wird als Beugung bezeichnet. Bei der Interferenz schließlich überlagern sich mehrere Wellen gleicher Frequenz zu einer Welle. Dabei kann es entweder zur gegenseitigen Auslöschung der Wellen (destruktive Interferenz) oder zu einer Verstärkung (konstruktive Interferenz). Die Erscheinungen lassen sich experimentell bei allen elektromagnetischen Wellen nachweisen. Hierzu werden jedoch unterschiedliche Untersuchungsmethoden genutzt. Die Beugung und Interferenz von Röntgenwellen entsteht zum Beispiel, wenn diese durch Kristalle, deren Atome als Beugungspunkte dienen, geleitet werden. Die Interferenz, bzw. das gegenseitige Auslöschen und Verstärken von Lichtwellen wird anhand spezieller Strichgitter an einem Auffangschirm nachgewiesen. Ein weiteres Merkmal ist die Polarisation. Elektromagnetische Wellen lassen sich polarisieren. Dazu werden sogenannte Polarisatoren (z. B. Kristalle) genutzt. Die Polarisation bewirkt, dass die elektrische Feldstärke der Welle nur in einer vorgegebenen Richtung schwingt.

Wie wirken elektromagnetische Wellen auf Menschen?

Bei der biologischen Wirkung elektromagnetischer Wellen auf Lebewesen ist, bedingt durch die Strahlungsintensität, zu unterscheiden zwischen ionisierender Strahlung und Nicht-ionisierender Strahlung. Erstere tritt als Radioaktivität (Alpha-, Beta-, Gammastrahlung) auf. Auch Höhen- und Röntgenstrahlung zählen dazu. Die elektromagnetischen Wellen in hohen Frequenzbereichen (ab einer Frequenz von ca. 750 Terahertz) können Schäden an den menschlichen Zellen verursachen. Die nicht-ionisierende Strahlung umfasst elektromagnetische Wellen in Frequenzbereichen von 0 Hertz bis 750 Terahertz. In diesem Bereich arbeiten Wechselstromleitungen und Elektrogeräte, Funkanwendungen wie Radio, Fernsehen, Mobilfunk, Funksender etc. Im Alltagsleben ist der Mensch ständig von solchen künstlich erzeugten elektromagnetischen Wellen bzw. Feldern umgeben. Immer wenn elektrische Energie erzeugt oder transportiert wird, entstehen elektromagnetische Felder im Niederfrequenz- bzw. Hochfrequenzbereich. Auch die drahtlose Übertragung über WLAN oder Babyfones oder die in vielen Haushalten gebräuchliche Mikrowelle erzeugt elektromagnetische Felder im Hochfrequenzbereich. Dazu kommen neue technische Errungenschaften wie Wireless Local Area Networks (WLAN), Bluetooth und Ultrawideband (UWB). Alles ebenfalls Anwendungen mit hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung. Auch nicht-ionisierende elektromagnetische Wellen bzw. Felder, insbesondere im Hochfrequenzbereich können gesundheitliche Schäden verursachen. Auf der Webseite des Bundesamts für Strahlenschutz werden die Auswirkungen von Elektrosmog auf den Menschen umfassend beschrieben und auch entsprechende Schutzmaßnahmen empfohlen.

Quelle

Das elektromagnetische Spektrum, auch EM-Spektrum oder elektromagnetisches Wellenspektrum ist die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen. Das Lichtspektrum, auch Farbspektrum, ist der für den Menschen sichtbare Anteil des elektromagnetischen Spektrums.

Das Spektrum wird in verschiedene Bereiche unterteilt. Diese Einteilung ist willkürlich. Sie orientiert sich im niederenergetischen Bereich aus historischen Gründen an der Wellenlänge. Dabei werden jeweils Wellenlängenbereiche über mehrere Größenordnungen mit ähnlichen Eigenschaften in Kategorien wie etwa Licht, Radiowellen usw. zusammengefasst. Eine Unterteilung kann auch nach der Frequenz oder nach der Energie des einzelnen Photons (siehe unten) erfolgen. Bei sehr kurzen Wellenlängen, entsprechend hoher Quantenenergie, ist eine Einteilung nach Energie üblich.

Geordnet nach abnehmender Frequenz und somit zunehmender Wellenlänge befinden sich am Anfang des Spektrums die kurzwelligen und damit energiereichen Gammastrahlen, deren Wellenlänge bis in atomare Größenordnungen reicht. Am Ende stehen die Längstwellen, deren Wellenlängen viele Kilometer betragen.

Die Umrechnung der Wellenlänge in eine Frequenz erfolgt mit der Formel . Dabei ist die Lichtgeschwindigkeit.

Die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums

Übersicht elektromagnetisches Spektrum
Bezeichnung des Frequenzbereichs Wellenlänge Frequenz Photonen-
Energie
Erzeugung / Anregung Technischer Einsatz
Haupt Unterteilung
Nieder-
frequenz
Extremely Low Frequency (ELF) 104...105 km 3...30 Hz > 2,0 · 10−33 J
> 1,2 · 10−14 eV
Bodendipol, Antennenanlagen, Magnetantenne
Super Low Frequency (SLF) 103...104 km 30...300 Hz > 2,0 · 10−32 J
> 1,2 · 10−13 eV
(ehemals) U-Boot-Kommunikation
Ultra Low Frequency (ULF) 100...1000 km 300...3000 Hz > 2,0 · 10−31 J
> 1,2 · 10−12 eV
Very Low Frequency (VLF)
Myriameterwellen
Längstwellen (SLW)
10...100 km 3...30 kHz > 2,0 · 10−30 J
> 1,2 · 10−11 eV
U-Boot-Kommunikation (DHO38, ZEVS, Sanguine, SAQ), Funknavigation, Pulsuhren
Radio-
wellen
Langwelle (LW) 1...10 km 30...300 kHz > 2,0 · 10−29 J
> 1,2 · 10−10 eV
Oszillatorschaltung + Antenne Langwellenrundfunk, DCF77, Induktionskochfeld
Mittelwelle (MW) 100...1000 m 300...3000 kHz > 2,0 · 10−28 J
> 1,2 · 10−9 eV
Mittelwellenrundfunk, HF-Chirurgie, (1,7...3 MHz Grenzwelle, Kurzwellenrundfunk)
Kurzwelle (KW) 10...100 m 3...30 MHz > 1,1 · 10−27 J
> 1,2 · 10−8 eV
Grenzwelle, Kurzwellenrundfunk, HAARP, Diathermie, CB-Funk, RC-Modellbau
Ultrakurzwelle (UKW) 1...10 m 30...300 MHz > 2,0 · 10−26 J
> 1,2 · 10−7 eV
Hörfunk, Fernsehen, Radar, Magnetresonanztomografie
Mikro-
wellen

[1]
Dezimeterwellen 1 dm...1 m 300...3000 MHz > 2,0 · 10−25 J
> 1,2 µeV
Magnetron, Klystron, Maser, kosmische Hintergrundstrahlung
Anregung von Kernspinresonanz und Elektronenspinresonanz, Molekülrotationen
Radar, Magnetresonanztomografie, Mobilfunk, Fernsehen, Mikrowellenherd, WLAN, Bluetooth, GPS, 2G, 3G, 4G, 5G
Zentimeterwellen 1 cm...1 dm 3...30 GHz > 2,0 · 10−24 J
> 12 µeV
Radar, Radioastronomie, Richtfunk, Satellitenrundfunk, WLAN, 4G, 5G
Millimeterwellen 1 mm...1 cm 30...300 GHz
(0,3 THz)
> 2,0 · 10−23 J
> 120 µeV
Radar, Radioastronomie, Richtfunk
Terahertzstrahlung 30 µm...3 mm 0,1...10 THz > 6,6 · 10−23 J
> 0,4 meV
Synchrotron, Freie-Elektronen-Laser, elektronische Quellen Radioastronomie, Spektroskopie, Abbildungsverfahren (z. B. Körperscanner)
Infrarot-
strahlung

(Wärme-
strahlung)
Fernes Infrarot 50 µm...1 mm 0,300...6 THz > 2,0 · 10−22 J
> 1,2 meV
Wärmestrahler, Globar, Synchrotron
Molekülschwingungen
Infrarotspektroskopie, Raman-Spektroskopie, Infrarotastronomie
Mittleres Infrarot 3...50 µm 6...100 THz > 4,0 · 10−21 J
> 25 meV
Kohlendioxidlaser, Quantenkaskadenlaser, Globar Thermografie, Infrarotspektroskopie
Nahes Infrarot 780 nm...3 µm 100...384 THz > 8,0 · 10−20 J
> 500 meV
Nd:YAG-Laser, Laserdiode, Leuchtdiode Fernbedienung, Datenkommunikation (IRDA), CD, Infrarotspektroskopie, Datenübertragung (Lichtwellenleiter)
Licht Rot 640...780 nm 384...468 THz 1,59...1,93 eV Wärmestrahler (Glühlampe), Gasentladung (Neonröhre), Farbstoff- und andere Laser, Synchrotron, Leuchtdiode
Anregung von Valenzelektronen
DVD, Laserpointer, Datenübertragung (Lichtwellenleiter), Lasernivellier (rot, grün), Beleuchtung, Colorimetrie, Fotometrie, Lichtzeichenanlage (rot, gelb, grün), Blu-ray Disc (violett)
Orange 600...640 nm 468...500 THz 1,93...2,06 eV
Gelb 570...600 nm 500...526 THz 2,06...2,17 eV
Grün 490...570 nm 526...612 THz 2,17...2,53 eV
Blau 430...490 nm 612...697 THz 2,53...2,88 eV
Violett 380...430 nm 697...789 THz 2,88...3,26 eV
UV-
Strahlen

[2]
Nahes UV („Schwarzlicht“) 315...380 nm 789...952 THz 3,26...3,94 eV Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser, Leuchtdiode Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Banknotenprüfung, Fotolithografie, Desinfektion, UV-Licht, Spektroskopie
Mittleres UV
(„Dorno-Strahlung“)
280...315 nm 952...1071 THz
(1,07 PHz)
3,94...4,43 eV
Fernes UV 200...280 nm 1,07...1,5 PHz 4,43...6,2 eV
Vakuum-UV 100...200 nm 1,5...3 PHz > 9,9 · 10−19 J
> 6,2...12 eV
XUV-Röhre, Synchrotron, Nanoplasma EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie, Nanoskopie
EUV 10...121 nm 2,48...30 PHz > 5,0 · 10−18 J
> 10,2...120 eV
Röntgenstrahlen 10 pm...10 nm 30 PHz...30 EHz > 2,0 · 10−16 J
> 120 eV
Röntgenröhre, Synchrotron
Anregung von inneren Elektronen, Auger-Elektronen
medizinische Diagnostik, Sicherheitstechnik, Röntgen­struktur­analyse, Röntgen­beugung, Photo­elektronen­spektroskopie, Röntgen­absorptions­spektroskopie, Röntgen­astronomie
Gammastrahlen ≤ 10 pm ≥ 30 EHz > 2,0 · 10−14 J
> 120 keV
Radioaktivität, Annihilation
Anregung von Kernzuständen
medizinische Strahlentherapie, Mößbauerspektroskopie
ultrahochenergetische
Gammastrahlen
≤ 1,2 · 10−17 m ≥ 2,4 · 1025 Hz > 1,7 · 10−8 J
> 1011 eV
Supernova etc., höchste bisher beobachtete Energie: 16 TeV (2,6 µJ) Weltraumbeobachtung mit Luft-Tscherenkow-Teleskope (MAGIC, HEGRA, H.E.S.S.)
Hinweis

Die Klassifizierung nach Röntgenstrahlen und Gammastrahlen ist inhaltlich falsch. Sie bezeichnet die Entstehungsweise.

  • Röntgenstrahlen entstehen durch Bremsstrahlung oder durch höherenergetische Übergänge in der Elektronenhülle (man spricht ab 100 eV von Röntgenstrahlung).
  • Gammastrahlen entstehen durch Kernprozesse oder durch Paarvernichtung.
  • Röntgenstrahlen erzeugt man gesteuert durch „Umlegen eines elektrischen Schalters“ (Röntgenröhre), nicht als stoffliche Eigenschaft
  • Gammastrahlen entsteht als Strahlung aus Stoffen heraus, z. B. aus Technetium-99m
  • Energiebereich Röntgenstrahlen: für medizinische Diagnostik unter 100 keV, aber auch bis 25 MeV möglich
  • Energiebereich Gammastrahlen: meist über 125 keV, aber es gibt viele Gammastrahlen mit 20...125 keV, niedrige bekannte Linie: 8,35 eV(!)

Literatur

  • DIN 5031 Teil 7: Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. Januar 1984 (IR, VIS und UV).

Weblinks

Commons: Elektromagnetisches Spektrum – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. gehören nach der Definition der VO Funk, Ausgabe 2012, Artikel 1.5 auch noch zu den Radiowellen.
  2. Deutsches Institut für Normung (Hrsg.): Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik; Benennung der Wellenlängenbereiche. DIN 5031 Teil 7, Januar 1984.

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