Frage zu elektromagnetischen Wellen

sanchez

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Hallo Leute,

hier eine Frage zu elektromagnetischen Wellen, bzw. Photonen.

Wikipedia sagt zu elektromagnetischen Wellen: https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle

In der Animation oben rechts sieht man wie ein elektrisches Feld und senkrecht dazu ein magnetischen Feld oszillieren.

Meine Frage: Wie muss ich mir das Vorstellen, ist da ein kleines Raumvolumen in dem sich diese Felder bewegen?
Hat das elektromagnetische Feld eine messbare Ausdehnung bzw. Volumen?
Was bedeutet die Amplitude in einer EMW?

Grüße sanchez
 

Bernhard

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Hallo sanchez,

Meine Frage: Wie muss ich mir das Vorstellen, ist da ein kleines Raumvolumen in dem sich diese Felder bewegen?
das Bild aus der Wikipedia zeigt nur einen Ausschnitt einer linear polarisierten Welle. Eine linear polarisierte Welle wird beispielsweise von einem kontinuierlichen Laserstrahl erzeugt. Innerhalb des Laserstrahls kann man elektrische und magnetische Felder nachweisen, die sich genau so verhalten, wie es das Bild in der WP zeigt.

Hat das elektromagnetische Feld eine messbare Ausdehnung bzw. Volumen?
Das em-Feld hat an einem Ort eine gewisse Stärke. Mit der Ausdehnung der Welle meint man alle Orte, an denen man das charakterische Feld der Welle nachweisen kann. Der Laserstrahl hat beispielsweise eine gewisse Strahldicke, die wiederum vom Laser selbst abhängt. Außerhalb des Strahles, gibt es auch keine em-Felder. Die Strahldicke kann man bei einem einfachen optischen Laser (z.B. ein Laserpointer) mit einem Blatt Papier kontrollieren. Überall dort, wo sich der Lichtpunkt auf dem Papier zeigt, kann auch das zugehörige em-Feld nachgewiesen werden.

Was bedeutet die Amplitude in einer EMW?
Das ist die Feldstärke. Sowohl das elektrische, wie auch das magnetische Feld wirkt auf geladene Teilchen, wie z.B. Elektronen und verändert dessen Flugbahnen. Je größer die Amplitude oder Feldstärke des Feldes, desto stärker wirkt dieses Feld auf geladene Testteilchen. Ein leistungsstarker Laser kann deshalb sogar Elektronen aus dem Atomverband heraus schlagen und die Atome von Gasen oder Festkörpern dadurch ionisieren. Die Amplitude des magnetischen Feldes ist bei der EMW immer um den Faktor c (=Lichtgeschwindigkeit) kleiner als die Amplitude des elektrischen Feldes, weswegen es auf geladene Teilchen weit weniger stark einwirkt.
 

julian apostata

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https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle#/media/File:EM-Wave.gif

Das ist halt leider auch so ein Gebiet der Physik, wo ich mich überhaupt nicht auskenne. Deshalb kommt jetzt eine ganz naive Anfängerfrage.

Ich mache einen Kreis (mit Radius r) parallel zur zy-Ebene. Der Mittelpunkt sei auf der x-Achse, da wo gerade die elektrische Feldstärke maximal ist (blauer Pfeil zeigt nach oben).

Jetzt kommen 2 naive Annahmen von mir, die höchstwahrscheinlich total falsch sind.

Ein Elektron auf diesem Kreis befinde sich im Punkt

1. y=r z=0 Auf das Elektron wirkt eine Kraft in Richtung y-Achse.
2. y=0 z=r Auf das Elektron wirkt keine Kraft.

Wie falsch liege ich denn nun?
 

Ich

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1. y=r z=0 Auf das Elektron wirkt eine Kraft in Richtung y-Achse.
2. y=0 z=r Auf das Elektron wirkt keine Kraft.

Wie falsch liege ich denn nun?
Schon ziemlich.

Die blauen und roten Pfeile sind rein symbolisch. Das sind keine Vektoren, die zwei Raumpunkte verbinden. Die sollen auch keine räumliche Ausdehnung implizieren.
Es ist so gedacht, dass die Vektoren die Feldstärke auf der Linie y=0,z=0 darstellen sollen. Wie groß das Feld bei y=r oder z=r ist hat damit nichts zu tun, das kann auch Null sein oder recht groß.
Die Länge der Vektoren im Bild ist nur ein beliebiges Maß für die Feldstärke und nicht für einen räumlichen Abstand. Es schwingt auch nichts hin und her im Raum, es ändern sich nur Richtung und Stärke des Felds an dem einen Punkt (bzw. an jedem der y=z=0 Punkte).
 

Bernhard

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1. y=r z=0 Auf das Elektron wirkt eine Kraft in Richtung y-Achse.
ist richtig.
2. y=0 z=r Auf das Elektron wirkt keine Kraft.
ist i.A. falsch. Das Bild in der Wikipedia zeigt diese Eigenschaft einer ebenen Welle nicht. Das E-Feld hängt nur vom x-Wert ab und ist in der Ebene parallel zur yz-Ebene überall gleich groß. Eine Verschiebung in dieser Ebene ändert also nichts an der Physik. In der Realität (Laser) ist diese Ausdehnung des Feldes in dieser Ebene natürlich endlich.
 

Bernhard

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@Bernhard und Ich. Danke.
You are welcome

Das Bild ist, wie gesagt, eine starke Vereinfachung.

Kann ich mir da einen periodisch ungleich elektrisch aufgeladenen Draht vorstellen, der sich mit Lichtgeschwindigkeit in Richtung x-Achse fort bewegt?
Das klappt schon wegen der SRT nicht und ergäbe auch ohne SRT die falsche Symmetrie für die Felder.
 
Zuletzt bearbeitet:

julian apostata

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Das klappt schon wegen der SRT nicht und ergäbe auch ohne SRT die falsche Symmetrie für die Felder.

Ist eh klar, ein Draht hat Masse und kann sich nicht mit c bewegen. Meine Vorstellung war nun die: Man kann auf der Momentaufnahme jedem Punkt auf der x-Achse eine bestimmte elektrische Ladung zu ordnen.

Ist diese Annahme nun völlig falsch?
 

Bernhard

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Ist diese Annahme nun völlig falsch?
Völlig falsch ist die Vorstellung zwar nicht, aber hilfreich eben auch nicht, weil das em-Feld des Drahtes nur geringe Ähnlichkeit mit dem em-Feld einer ebenen em-Welle hat.

Nimmt man zur Veranschaulichung mal zwei Aufnahmen von zwei völlig verschiedenen Menschen, so wird man beide Personen als Menschen identifizieren, aber sicher nicht behaupten, dass es die selbe Person sei.
 

julian apostata

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Okay, ich fürchte je mehr Antworten ich bekomme, desto weniger kapier ich. Weil eine ebene Welle kann ich in dem Bild halt überhaupt nicht erkennen.

https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle#/media/File:EM-Wave_noGIF.svg

Gibt's vielleicht eine anschaulichere und leichter verständliche Darstellungsmöglichkeit?

Wie ist das eigentlich mit einem einzelnen Photon? Auch da hab ich wieder eine naive Vorstellung.

Das elektrische Feld hätte die Gleichung zum Zeitpunkt t=0 (0<= x <= λ)
y~sin(x 2 π / λ)
und das magnetische
z~sin(x 2 π / λ)

Weil irgendeine Begrenzung müssen die Felder doch haben, oder?
 

Bernhard

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Gibt's vielleicht eine anschaulichere und leichter verständliche Darstellungsmöglichkeit?
Ich würde mir das eher wie gerade Wasserwellen auf offener See vorstellen. Die Höhe der Welle(n) entspricht dann der Feldstärke. Dann hast du schon mal die Vorstellung einer geraden Wellenfront.

Wie ist das eigentlich mit einem einzelnen Photon? Auch da hab ich wieder eine naive Vorstellung.

Das elektrische Feld hätte die Gleichung zum Zeitpunkt t=0 (0<= x <= λ)
y~sin(x 2 π / λ)
und das magnetische
z~sin(x 2 π / λ)

Weil irgendeine Begrenzung müssen die Felder doch haben, oder?
Ja, das Feld eines einzelnen Photons kann man sich gut als eng lokalisierten Puls vorstellen, der sich mit c im Ort verschiebt. EDIT: Es bleibt dabei zu beachten, dass die genaue Form des Pulses von der Entstehungsgeschichte des Photons abhängen kann. D.h. die Unschärfen im Ort und/oder in der Energie können AFAIK variieren.
 
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Ich

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Okay, ich fürchte je mehr Antworten ich bekomme, desto weniger kapier ich. Weil eine ebene Welle kann ich in dem Bild halt überhaupt nicht erkennen.
Da ist auch nichts dergleichen zu erkennen. Wie schon gesagt geht aus der Grafik nichts über die örtliche Verteilung der Welle hervor. Für mich stellt sie einfach das Feld am Ort y=z=0 dar.
Das elektrische Feld hätte die Gleichung zum Zeitpunkt t=0 (0<= x <= λ)
y~sin(x 2 π / λ)
und das magnetische
z~sin(x 2 π / λ)
Schreibe Ey und Ez beziehungsweise By und Bz. Die Ortskoordinaten y und z haben nichts damit zu tun. Es geht nur um die Feldstärken in y- und z-Richtung.
Weil irgendeine Begrenzung müssen die Felder doch haben, oder?
In Wirklichkeit schon, aber nochmal: Dieses Bild hat überhaupt nichts mit der Feldverteilung im Raum zu tun (außer in x-Richtung).
 

Bernhard

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Schreibe Ey und Ez beziehungsweise By und Bz. Die Ortskoordinaten y und z haben nichts damit zu tun.
Stimmt, das hatte ich überlesen.

In Wirklichkeit schon, aber nochmal: Dieses Bild hat überhaupt nichts mit der Feldverteilung im Raum zu tun (außer in x-Richtung).
Vielleicht hilft J.A. die Analogie mit einem Temperaturfeld. So kann es beispielsweise einen Metallquader mit einer konstanten und gleichmäßig verteilten Innentemperatur geben. Es ist aber auch möglich, dass es im Quader heiße und kalte Stellen gibt. Dann hat man eine ortsabhängige (Temperatur-)Feldverteilung.
 

julian apostata

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Vielleicht hilft J.A. die Analogie mit einem Temperaturfeld.

Du meinst ein Skalarfeld? Ich hatte mir bisher vorgestellt, es wäre ein Vektorfeld. An jedem Punkt des Raumes könnte man also zwei Vektoren einzeichnen, einen für die magnetische und die elektrische Feldstärke.

Und mir schwebte folgende Simulation vor. Ich richte 3 Schieberegler ein (x,y,z), mit dessen Hilfe ich einen Punkt an beliebiger Stelle des Raumes positionieren kann.

Dann lasse ich eine EmWelle darüber laufen. Nun müssten sich ständig Betrag und Richtung der beiden Vektoren ändern.

Oder ändert sich nur der Betrag und die Richtung bleibt gleich (Wasserwelle)?
 

julian apostata

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Okay, meine Vorstellung nimmt langsam eine etwas konkretere Form an. Ich werde diese Vorstellung demnächst an einer kleinen Animation präsentieren und ihr könnt mir ja dann sagen was korrekt oder unkorrekt daran ist. Bis nachher.
 

julian apostata

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So, da bin ich wieder. Und jetzt, wo ich die Sache animiert habe, erscheint sie mir fast zu einfach um wahr zu sein.

https://www.geogebra.org/m/scZ8af9N

Die beiden grünen Geraden und der Kreis stellen die Begrenzungen eines Strahls dar, welcher aus einem Laserpointer kommt.

Gestrahlt wird Richtung x-Achse (Bei der Kreisansicht in die Bildschirmebene hinein).

Wenn ihr t animiert (für automatische Animation Bild etwas runter rollen) seht ihr, wie der verschiebbare Messpunkt eine elektrische und eine magnetische Feldstärke registriert. Das tut er aber nur, wenn er im Strahl steht. Das merkt ihr auch daran, das ihr den Punkt außerhalb des Strahls platziert.

Und tatsächlich ändert sich der Messwert nur, wenn sich t oder x ändert. Und da die Vektoren ihre Richtung nicht ändern, könnte man sie ganz weg lassen und an den Messpunkt einfach 2 Zahlenwerte heften.

Ist das so jetzt korrekt?
 

julian apostata

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Bernhard

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Gibt es da irgendeine offizielle Kennzeichnung, welche angibt, ob eine Achse in die Zeichenebene hinein oder heraus ragt?
Ein Punkt bedeutet "aus der Ebene in Richtung Betrachter", ein x "in die Ebene weg vom Betrachter". Man denkt sich dazu einen Pfeil mit Spitze und Federn. Von Vorne sieht man den Pfeil und von hinten die Federn (=x).

EDIT: Zur Beschreibung von zirkular polarisiertem Licht eignen sich die Jones Vektoren: https://en.wikipedia.org/wiki/Jones_calculus
 
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