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.

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