Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum ist die Summe aller elektromagnetischen Strahlungen. Es erstreckt sich über mehr als 20 Zehnerpotenzen. Es reicht von der kosmischen Höhenstrahlung (1023 Hz) bis zur Wechselspannung der Hausversorgung 50 Hz.

Trotz der großen Breite des Spektrums ist die physikalische Basis dieser Strahlungen stets die Gleiche. Eine elektromagnetische Welle setzt sich aus der Überlagerung eines elektrischen- und eines magnetischen Feldes zusammen.

Elektromagnetische Wellen benötigen zur Ausbreitung kein Medium. Sie breiten sich im Vakuum mit der Vakuum Lichtgeschwindigkeit c = 3,0·108  m/s aus.

In Medien reduziert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit und ist neben dem jeweiligen Medium, auch von der Frequenz abhängig.

Die Existenz elektromagnetischer Wellen sagte Jams Clerk Maxwell bereits 1864 voraus. Die vier MAXWELL-Gleichungen bilden die Basis der Elektrodynamik.

Der experimentelle Nachweis elektromagnetischer Wellen gelang Heinrich Hertz ca. 20 Jahre später. Ihm zu Ehren ist die Einheit der Frequenz (1 Hz – Hertz) benannt.

Ausbreitungsgeschwindigkeit:

Vakuum: {c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_{0}\cdot \mu_{0}}}}

Medium: {c = \frac{1}{\sqrt{\epsilon_{0}\cdot \epsilon_{r}\cdot \mu_{0}\cdot \mu_{r}}}}

ε0 – elektrische Feldkonstante; µ0 – magnetische Feldkonstante; εr – relative Dielektrizitätszahl; µr – relative Permeabilität

Während ε0 und  µ0 universelle Konstanten sind, sind die materialabhängigen Größen εr  und µr  auch von der Frequenz abhängig. Ohne die Frequenzabhängigkeit, könnten wir keine Brechung beobachten.

Das elektromagnetische Spektrum

Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Die Skalen für die Wellenlängen und Frequenzen sind jeweils logarithmisch skaliert. Das bedeutet, dass zwischen zwei Teilstrichen jeweils eine Zehnerpotenz liegt.

Am präsentesten ist uns aus dem elektromagnetischen Spektrum der sichtbare Bereich, das Licht. Dieser Ausschnitt nimmt nur einen sehr kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums ein und reicht von ca. 380 nm bis 780 nm.

  • langwellige Grenze: 780 nm ; f = 385 THz
  • kurzwellige Grenze: 380 nm ; f = 789 THz

Elektromagnetische Strahlung - Ausbreitungsgeschwindigkeit

Elektromagnetische Strahlung breitet sich mit der Lichtgeschwindigkeit c aus. Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit beträgt für alle Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung rund 3 · 108 m/s

In Medien reduziert sich die Lichtgeschwindigkeit.

Dabei sind εr und µr nicht nur vom Material, sondern auch von der Frequenz abhängig. Daher kann die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium auch nur für eine bestimmte Frequenz angegeben werden. Während sich die Lichtgeschwindigkeiten z.B. in Glas im sichtbaren Spektrum nur wenig unterscheiden, weichen die Geschwindigkeiten für andere Frequenzbereiche bereits deutlich ab. Das wird beim Experiment mit dem Dipol-Wassertank (Beschreibung folgt) deutlich. 

im Vakuum: {\huge c = \frac{1}{\sqrt{\mu_{0}\cdot \epsilon_{0}}}}

im Medium: {\huge c = \frac{1}{\sqrt{\mu_{0}\cdot \mu_{r} \cdot \epsilon_{0}\cdot \epsilon_{r}}}}

ε0 elektrische Feldkonstante , εr – relative Permitivität,  µ– magnetische Feldkonstanteµr relative Permeabilität