Elektro-magnetische Strahlung ist wie ...?

Wellen !

Geh mal an nen Teich.. wenn es windstill ist, und die oberfläche Glatt..
Schmeiss nen Stein rein.
Beobachte wie sich die Wellen z.B. am Steg reflektiert werden.
Schmeiss noch nen Stein rein...

Mechanische Analogien für elektromagnetische Wellen sind leider immer "verlustbehaftet". Was aber beim Verständnis der Vorgäng an einem Beobachtunsort hilft ist, sich das Superpositionsprinzip von Wellen vor Augen zu halten. Sich ausbreitende Wellen überlagern sich ungestört und ohne sich gegenseitige zu beinflussen. Das Ergebnis, die Interferenz könnte man auch am Teich gut sehen, wenn man zwei Steine an unterschiedlichen Stellen in den Teich wirft und sieht, was "scheinbar" an der Interferenzstelle passiert. Wie nach der Interferenz die Ursprüngswellen unbeeinflusst sich weiter ausbreiten als wären sie für sich alleine unterwegs. .

Hier ein beeindruckender Lehrfilm von Bell Labs, in Schwarzweiß aus dem Jahr 1959 (e-learning ist also gar nicht so neu). John Shrives hat zur Veranschaulichung der Vorgänge von Wellen eigens eine "mechnische Wellenmaschine" als Lehrhilfsmittel erfunden und handelt das Thema didaktisch großartig auf.

"Similiarities of Wave Behavior" https://www.youtube.com/watch?v=DovunOxlY1k

die 25Minuten sind es wert zu investieren.

73
Günter

Moin,

ich verwirre mal noch mehr. So gut wie jeder kennt das Experiment mit den Geldstücken auf dem Tresen, das im Unterricht dazu diente, zu erklären, warum Strom sich nahe Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Eine Reihe Groschen wurde ohne Abstand aneinandergelegt. Das erste Geldstück wurde fest auf die Tischplatte gedrückt und mit der anderen Hand wurde ein loses Geldtück in Richtung der Reihe gegen das heruntergedrückte geschnippt. Ergebnis: Das letzte Geldstück aus der Reihe bewegte sich weg.

Heute kann man sich diesen Effekt das eher mit den silbernen Klick-Klack-Kugeln vorstellen, die an V-förmigen Seilchen aufgehängt sind und auf den Möbeln zum Spielen anregen.

Gemeinsam ist eines: Es wird der Stoß (an die Elektronen) weitergegeben. Sie werden angeregt. Genau diese Stoßweiterleitung ermöglicht es, in knapp Lichtgeschwindigkeit am anderen Ende der Welt gehört zu werden.

Die reine Elektronenbewegung ist vergleichsweise langsam. Ferner "strahlt" eine Antenne nicht wirklich, denn sie erregt (Wortstamm Anregen) / schubst nur die Elektronen im Umfeld entsprechend stark an. So wie der Stein das Wasser anregt, was ja schon da ist. Je nach Konstruktion der (Richt)Antenne in unterschiedlichen Segmenten mehr oder weniger. Hätten wir keine Elektronen um uns herum, würde es nicht klappen.

In dem Film, der weiter oben verlinkt ist und lange auf meiner Festplatte als DER gute Film für die 'Wellendinge' liegt, zeigt ja auch, dass sich die Elektronen eher nicht von der Stelle bewegen, sondern die Stoßbewegung. Das ist beim Schall ja auch nicht anders, dort wird die Luft angestossen. Da geht auch kein Strahl von weg. Durch Anpassung der Schallwandler (=Antenne) an das Medium Luft kann gute Wirkung erzeugt werden. Vergleich Taschenradio-LS und Megaphon mit dem passenden Trichter. Allerdings ist die Geschwindigkeit wegen der anderen Dichte nicht so fix...

Echte Strahlungsquellen (Alpha, Beta, Gamma etc.) möchte ich nicht unbedingt in meinem Umfeld haben. Daher bekomme ich immer schon ein leichtes Zucken, wenn jemand bei Funkwellen von Strahlung berichtet. Das hat sich allerdings sprachlich so eingebürgert.

Daher ist die E-Smog-Hysterie ja so groß, weil sie mit der echten Strahlung (von atomaren Stoffen etx.) gleichgesetzt wird. Aber das mach' mal 'nem Laien klar...

Zitat von dl1sdz

Gehen von diesem Punkt nun 1 Ray, viele Rays, eine Fläche ... ab?

Eine EM Welle ist kein zweidimensionales Gebilde, wie man es oft auf den Darstellungen sieht. Sie ist nicht platt wie eine Flunder, sondern ein vektorielles Gebilde mit drei Dimensionen im Raum. Je nach Größe und Richtung der Vektoren kann die Ausbreitung kugelförmig oder in Vorzugsrichtungen erfolgen. Von einer punktförmig gedachten Antenne breiten sich die elektromagnetischen Wellen gleichmäßig kugelförmig in alle Richtungen des freien Raumes aus. Ist man weit genug von der Quelle entfernt, kann die Wellenfront als eben angesehen werden.

Das Problem mit physikalischen Phänomenen ist, dass sie nicht in das Vorstellungsvermögen des Menschen passen, das von Kindesbeinen durch alltägliche Beobachtungen geprägt ist. Wellen werden daher von den Physikern in der Sprache der Mathematik beschrieben.

Kein leichter Stoff (kapitel 2 http://download.prgm.org/ham/ant/wiesbeck-aas-05skript.pdf

Einfach erklärt und hilfreich:
https://www.lernhelfer.de/schu…l/das-huygenssche-prinzip

73
Günter

Zitat von DF2OK

Die reine Elektronenbewegung ist vergleichsweise langsam. Ferner "strahlt" eine Antenne nicht wirklich, denn sie erregt (Wortstamm Anregen) / schubst nur die Elektronen im Umfeld entsprechend stark an. So wie der Stein das Wasser anregt, was ja schon da ist. Je nach Konstruktion der (Richt)Antenne in unterschiedlichen Segmenten mehr oder weniger. Hätten wir keine Elektronen um uns herum, würde es nicht klappen.

Sorry, aber vielleicht liege ich ja komplett daneben: wie kann eine elektromagnetische Welle sich im Weltraum ausbreiten, wenn da gar keine Elektronen sind? Also ich bin der Meinung, das eine elektromagnetische Welle zwar mit Elektronen wechselwirkt, diese aber nicht zur Ausbreitung benötigt.
Da versagt leider schon die Analogie zur Schallwelle.

Zitat von DF2OK

Echte Strahlungsquellen (Alpha, Beta, Gamma etc.) möchte ich nicht unbedingt in meinem Umfeld haben. Daher bekomme ich immer schon ein leichtes Zucken, wenn jemand bei Funkwellen von Strahlung berichtet. Das hat sich allerdings sprachlich so eingebürgert.

Daher ist die E-Smog-Hysterie ja so groß, weil sie mit der echten Strahlung (von atomaren Stoffen etx.) gleichgesetzt wird. Aber das mach' mal 'nem Laien klar...

Auch hier sollte man verschiedene "Strahlungen unterscheiden" Röntgenstrahlung (https://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%B6ntgenstrahlung) ist eine elektromagnetische Welle. Wie gefählich eine solche Strahlung ist, ist eine Frage der Wellenlänge und der enthaltenen Energie. Alpha-/und Beta-Strahlung sind Teilchenstrahlungen, Gammastrahlung dagegen ist auch eine elektromagnetische Welle. So einfach ist also die Unterscheidung zwischen "Funk-Wellen" und "Strahlung" nicht zu ziehen.

Zitat von DF2OK

ich verwirre mal noch mehr. So gut wie jeder kennt das Experiment mit den Geldstücken auf dem Tresen, das im Unterricht dazu diente, zu erklären, warum Strom sich nahe Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Diese Analogie kann meiner Meinung nach leider nicht verwendet werden, führt somit tatsächlich zu mehr "Verwirrung".

Zitat von dl1sdz

Wenn ich eine Antenne habe, die rundum strahlt und ich schneide vereinfacht aus dem 3D Diagramm eine Ebene z.B. horizontal 180 Grad heraus. Dann habe ich eine Scheibe. Wenn ich wiederum aus dieser Scheibe vertikal 90 Grad herausschneide habe ich einen Abstrahlungspunkt auf der Antenne.

Das Modell des Isotropen Rundstrahlers ist leider nur ein theoretisches Modell, welches in der Praxis leider nicht gibt. Hier geht man davon aus, dass sich die Energie von einem theoretisch kleinen Punkt aus gleichmäßig in die Umgebung ausbreitet. Da die Wellenlänge aber nicht unbegrenzt klein ist, kann so etwas praktisch nur ab einer größeren Entfernung von dem theoretischen Rundstrahler als Feld erzeugt werden, wobei mir keine Antenne bekannt ist, die ein gleichmäßiges Feld rundum abstrahlt. Der isotrope Kugelstrahler ist somit nur ein Rechenmodel, der in der Praxis nur für kleinere Segmente angenommen werden kann.

Mein vereinfachtes (und vielleicht auch schon zu kompliziertes) Model für elektromagnetische Wellen ist, das die Wellen sich durch die Wechselwirkung zwischen magnetischem Feld und elektrischen Feld ausbreiten. Die einfachste Erzeugung ist immer noch der resonante Dipol, wobei der gleich die elektrische und magnetische Komponente erzeugt. Das elektrische Feld wird durch die Ladungen im Dipol erzeugt, wobei die größte Spannung sich wechselweise an den Enden aufbaut.

Das dadurch erzeugte, mit der gegeben Frequenz wechselne elektrische Feld ist nicht nur im Leiter des Dipols, sondern auch um den Dipol herum. Die Maxwellschen Gleichungen sagen, das sich da, wo sich ein elektrisches Feld verändert, auch ein magnetisches Feld (90° anders polarisiert) aufgebaut. Das magnetische Feld ist dort am stärksten, wo auch die größte Änderung des elektrischen Feldes ist. Beim Dipol wird es auch direkt mit dem Strom durch den Dipol erzeugt.

Aber auch im Abstand quer vom Dipol haben wir ein sich änderndes elektrisches Feld, d.h. auch da wird wieder ein magnetisches Feld erzeugt. Ein sich änderndes magnetische Feld erzeugt aber auch wieder ein entsprechendes elektrisches Feld. Somit haben wir eine kontinuierliche Wechselwirkung zwischen elektrischem und magnetischem Feld, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.

Richtwirkung entsteht dadurch, dass z.B. in einer Richtung keine Felder erzeugt werden (Beim Dipol in Richtung der Achse des Leiters), oder sich Felder von mehreren Strahlern addieren oder aufheben (Yagi). In der Richtung wo keine Felder erzeugt werden, wird auch keine Energie weitergeleitet. Aber auch der Boden oder eine leitende Fläche kann die Reflexion bewirken und die Richtung beeinflussen.

Je nachdem in welcher Entfernung zum erzeugenden Strahler die Reflexion stattfindet addiert sich die Feldstärke (Steilstrahler bei zu niedrig hängendem Dipol) oder hebt sich in einer Richtung größtenteils auf (Flach strahlender Dipol, wenn er hoch genug ist).

Kurz zusammengefasst: Wenn man ein wechselndes elektrisches oder magnetisches Feld erzeugt, das eine gewisse räumliche Ausbreitung hat, wird sich dieses Feld als elektromagnetische Wechselwirkung weiter im Raum ausbreiten. Je nachdem wie gut oder schlecht ich die räumliche Verteilung (im Verhältnis zur Frequenz) mache, geht auch die Ausbreitung besser (z.B. resonanter Dipol mit großer Feldverteilung) oder schlechter (Plattenkondensator, mit sehr wenig Streufeld an den Rändern oder Ringspule mit geringem magnetischem Streufeld).

vy 73 de Karsten, DD1KT

Haua !

Das ist auch in der Theoretischen Physik anscheinend ein ganz wunder Punkt.. als ich da mal eine Stringtheorie las.. (bei Telepolis sind da manchmal gute Artikel) musste ich sofort wieder an den Begriff "Äther" denken.
Die Frage ist halt : Kann man diese oder jene Theorie auch beweisen.
Und was wird es sein ?
Wie stehen wir ? Also Newton konnte sich Einstein nicht vorstellen.
Einstein konnte sich wen nicht vorstellen ?

Und schon die Relativitätstheorie ist schon "abartig".
Hawkinstrahlung.. also wie und warum kann ein Schwarzes Loch strahlen..
"Virtuelle Teilchen" die dauernd aus dem Nichts entstehen ?! Dann aber durch den Ereignishorizont separiert werden... Gehts noch ?!

Hallo,

nur eine kleine Überlegung zu Vakuum und einer Röhre, die die älteren OMs besser kennen als ich, der aufgewachsen ist, als es schon bipolare Transistoren gab.

In einer Röhre habe ich ein sehr hochohmiges Verhalten, wenn ich nicht über die Heizung Elektronen freisetzte, die dann zur ungeheizten Elektrode wandern können.

OK, das habe ich auch an der Luft, wo im Normalfall auch keine frei verfügbaren Elektronen zur Leitung des Stromes zur Verfügung stehen. Aber bei einem Epsilon-R von 1 mit Luft habe ich auch keine bewegten Ladungen, die sich mit dem Feld bewegen und die Kapazität beeinflussen. Somit deutet nichts darauf hin, dass sich Materie in der normalen Luft befindet, die auf elektrische Felder reagiert.

Ich glaube, man muss einfach akzeptieren, dass es elektrische und magnetische Felder gibt und diese nichts mit elektrisch ausgeglichener Materie wie Stickstoff, Sauerstoff oder Kohlendioxid in Wechselwirkung haben. Erst bei freien Ladungen wie in einem elektrischen Leiter, oder elektrisch polarisierter Materie (wo die Elektronen aber nicht frei sind) , wie z.B. die Dielektrika, wie sie in Kondensatoren zur Erhöhung der Kapazität verwendet werden, gibt es Wechselwirkungen.

Aber da hat jeder die Freiheit, sein Modell und die damit verbundene Abstraktionsebene selbst zu wählen. Damit wird nur festgelegt, wie weit sich Effekte noch erklären lassen und wann auf eine detailliertere Modellierung gewechselt werden muss.

vy 73 de Karsten, DD1KT

Hallo,

ein Modell ist ein Modell. Es soll helfen die Wirklichkeit zu verstehen und diese technisch nutzbar zu machen. Darauf beruht unsere gesamte Wissenschaft und Technik. Deshalb ist es auch legitim sich mit Wasserwellen Funkwellen vorzustellen.
Dennoch sollte man aber akzeptieren, dass hier 2 grundsätzlich unterschiedliche Wellentypen diskutiert werden:

1) Wellen (elastische) in Medien. Hier übertragen die Moleküle die Welle. Dies kann das Heben- und Senken von Wassermolekülen sein, oder aber auch die Verdichtung von Molekülen in gasförmigen Medien wie bei der Schallübertragung.
2) Elektromagnetische Wellen (EM-Wellen). Diese beruhen auf der Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern (wie oben erläutert) und benötigen KEIN Medium zur Ausbreitung. Da spielen auch Elektronen KEINE Rolle. Im Vakuum breiten sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Woraus denn jetzt eigentlich ein Magnetfeld oder ein Elektrisches Feld besteht und warum sich diese gegenseitig beinflussen weiß niemand! Demjenigen der es herausfindet ist der Nobelpreis sicher.
Das einzige was wir kennen ist die Wirkung dieser Felder. Wir wissen wie wir sie erzeugen können, welche Wirkung sie haben und können sie daher auch technisch nutzbar machen.

Ein (weiteres) einfaches Modell für Funkwellen ist die Erläuterung mit Luftballons. Von der punktförmigen Sendeantenne aus wird ein Luftballon immer weiter aufgeblasen und stellt die Maximalamplitude der Welle dar. Nach einer Schwingung, analog der Sendefrequenz wir ein 2. Luftballon hinterhergeschoben. Dieser dehnt sich ebenfalls weiter aus. Dann kommt der 3. etc. Man kann sich leicht vorstellen, dass die Hülle der Ballons immer dünner wird, da immer mehr Raum umschlossen wird. Analog nimmt die Amplitude der EM-Welle immer weiter ab (Energieerhaltung).

In Wirklichkeit ist es natürlich viel komplizierter. Die Luftballons sind deformiert aufgrund der Richtcharakteristik der Antenne. Auch gibt es eine Serie von 'elektrischen' als auch 'magnetischen' Luftballons. Wenn man jetzt noch bedenkt, das sich diese gegenseitig beeinflussen und sich damit auch verändern, passt das Modell nicht mehr. Aber wie gesagt, ein Modell ist ein Modell.

Die ursprüngliche Frage war mal, was man nach einem 180 Grad horizontalen Schnitt und einem dann 90 Grad vertikalen Schnitt hat? Einen Funkstrahl? Zunächst mal gar nichts bis auf eine Linie im Raum. An jedem Punkt dieser Linie lässt sich die Wirkung der EM-Welle messen. Wie stark ist das magnetische Feld zu einem bestimmten Zeitpunkt, wie stark ist das elektrische Feld dabei? Wie schnell ändern die Felder sich? Wie ist deren Maximalamplitude? Nichts anderes machen unsere Antennen beim Empfang. Sie nehmen eine Probe des elektrischen und/oder magnetsichen Feldes an einem Punkt im Raum. Um beim Ballonmodell zu bleiben, es ist zu beobachten, wann gerade eine Ballonhülle mit welcher Dicke vorbeikommt.

Ein klein wenig komplizierter wird es, wenn sich Wellen überlagern (auch unterschiedlicher Frequenz), brechen, gedämpft werden etc. Dann haben wir an einem Punkt tatsächlich das vorher genannte Chaos. Unsere Antenne zeigt uns dann irgendeinen chaotischen Spannungsverlauf über die Zeit. Dieses stellt aber nichts anderes als die überlagerten Wellen dar (kombiniert mit ein bischen selbsterzeugtem Rauschen). Auf einem Oszilloskop ist dieser Spannungsverlauf sichtbar. Glücklicherweise überlagern sich EM-Wellen reversibel. Die Welle/der per Probe erzeugte Strom lässt sich nach der Frequenz einfach wieder trennen. Genau das geschieht mit resonanten Antennen, Schwingkreisen und anderen Techniken die eine betsimmte Frequenz herausfiltern.

Das Schöne ist, dass sich Überlagerung absolut mit dem Modell von Wasserwellen beschreiben lässt. Es spricht also nichts dagegen solche Modelle zu nutzen. Sie werden nur nicht immer passen und grob sollten ihre Grenzen bekannt sein.

73 Michael, DG5MK