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Elektrische Wellen

[661] Elektrische Wellen (Elektromagnetische Alellen), periodische Änderungen des dielektrischen und magnetischen Polarisationszustandes. Hertz hat (1889) nachgewiesen, daß von einem offenen elektrischen Oszillator (s. Energie, Elektrische Schwingungen) elektrische Strahlen oder Strahlen elektrischer Kraft ausgehen, die sich durch die Luft, das Vakuum und nichtleitende Körper (Diëlektrika) fortpflanzen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die der des Lichtes (300,000 km in 1 Sekunde) nahezu gleich ist. In Fig. 1^I ist im Zentrum der Oszillator dargestellt, bestehend aus zwei kugelförmigen Konduktoren, die durch einen Draht verbunden sind. (In der Mitte des letztern ist eine kleine Funkenstrecke zu denken, auch befinden sich dort die Zuleitungsdrähte der Elektrizität, die von einem kleinen Induktorium kommen.) Die Figur stellt den Verlauf der elektrischen Kraftlinien dar, während die Ladung der Konduktoren im Wachsen begriffen ist. Diese Kraftlinien erstrecken sich nicht bis ins Unendliche, wie es der Fall wäre, wenn sich die Elektrizität auf den Konduktoren im Gleichgewicht befände, sondern sie sind in eine Kugel eingeschlossen, deren Radius sich aus dem erwähnten Wert der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektrischer Störungen ergibt (er wäre z. B. eine Hundertmillionstel-Sekunde nach Beginn der Ladung = 3 m). Fig. 1^II zeigt das Kraftliniensystem eine kleine Zeit später, in dem Moment, wo die Spannung ihren höchsten Wert erreicht hat, somit nun wieder zu sinken beginnt.

Fig. 1. Entstehung elektrischer Wellen.

Ein Teil der Energie des elektrischen Feldes, d.h. der Kraftlinien, wandert nun wieder in die Konduktoren zurück, ein andrer Teil aber wird, wie Fig. 1^III andeutet, abgeschnürt und wandert mit unveränderter Geschwindigkeit weiter in den Raum hinaus fort. Fig. 1^IV zeigt die Konduktoren im unelektrischen Zustand und das im Raum selbständig fortschreitende System, ähnlich den Stromlinien eines Wirbelringes in sich geschlossener Kraftlinien. In Fig. 1^V beginnen die Konduktoren sich aufs neue zu laden, es entsteht ein neues Kraftliniensystem von entgegengesetzter Richtung, das alsbald die gleichen Änderungen durchmacht wie das erste etc. Nach einiger Zeit ist somit der Äther in dem Raum um den Oszillator, wie Fig. 2 zeigt, allenthalben diëlektrisch polarisiert, und zwar an einzelnen Stellen so, daß die positiven Teilchen nach oben, die negativen nach unten getrieben sind, an andern umgekehrt, wie es die auf die Kraftlinien gezeichneten Pfeile angeben. Diese periodisch sich ändernden Polarisationszustände des Äthers bilden das Wesen der elektrischen Wellen.

Fig. 2. Elektrische Wellen.

Sie bleiben nicht stehen, sondern sind ähnlich wie Wasserwellen in beständigem Fortschreiten begriffen, und zwar mit der Geschwindigkeit von 300,000 km in der Sekunde.

Unzertrennlich mit den elektrischen Wellen sind magnetische Wellen verbunden.

Fig. 3. Oszillator.

Denn beginnt in einem Oszillator die Elektrizität zu strömen, so bildet sich ringsherum ein magnetisches Feld, dessen Kraftlinien in konachsialen Kreisen den Stromleiter umgeben (Fig. 3) und gleichfalls mit der Geschwindigkeit von 300,000 km in der Sekunde in den Raum hinauseilen, so daß nach einigen Oszillationen der Äther in der Nähe sich auch in wechselndem magnetischen Polarisationszustande befindet, wie Fig. 4 andeutet, in der die Richtung der Kraftlinien durch Pfeile und die Intensität des Feldes durch die Stärke der Pfeile angedeutet ist. (Die Maxima der magnetischen Kraft fallen gerade zwischen die Maxima der elektrischen Kraft.)

Fig. 4. Magnetische Wellen.

Mit Hilfe von Feilspänen kann man natürlich bei dem außerordentlich raschen Wechsel der Richtung der magnetischen Kraft an jeder Stelle die Existenz dieser Kraftlinien, wie es bei statischen magnetischen [661] Feldern mit Leichtigkeit geschehen kann, nicht nachweisen, wohl aber, wie Hertz gezeigt hat, durch die hervorgebrachten Induktionswirkungen. Befindet sich nämlich in der Nähe ein dem Oszillator gleichgestalteter Leiter (Fig. 5), der von den fortschreitenden magnetischen Kraftlinien geschnitten wird, so müssen in diesem (s. Elektrische Induktion) elektrische Schwingungen auftreten, die infolge der Resonanz, d.h. wegen der gleichen Dimensionen, welche gleiche Eigenschwingungsdauer bedingen, sehr kräftig werden können und sich z. B. dadurch verraten, daß, wenn man den Leiter in der Mitte durch schneidet, daselbst beständig Funken überspringen.

Fig. 5. Resonator.

Noch leichter läßt sich der Nachweis führen, wenn man in die Unterbrechungsstelle einen Kohärer (s. d.) einschaltet, in den die Leiterenden hineinragen. Sind letztere außerdem in den Schließungskreis einer elektrischen Klingel eingeschaltet, so beginnt diese zu läuten, wenn für einen Moment Funken zwischen den Eisenteilchen des Kohärers überspringen. Hierauf beruht die Drahtlose Telegraphie (s. d.).

Durch einen metallischen Schirm können elektrische Wellen nicht hindurchgehen, da ihre Energie durch Erzeugung von induzierten Schwingungen verbraucht wird, die, wenn sie nicht durch den Widerstand der Leitung in Wärme umgesetzt (absorbiert) werden, zu einer reflektierten elektrischen Strahlung Anlaß geben, die nach dem gleichen Gesetze sich bildet, das für die Reflexion des Lichtes gilt.

Fig. 6. Elektromagnetische Strahlen.

Von einem Drahtgitter werden die elektrischen Strahlen durchgelassen, wenn die Richtung der elektrischen Kraftlinien senkrecht steht zu der Richtung der Drähte, da in diesem Falle keine induzierten Ströme entstehen können; sie werden reflektiert (nicht durchgelassen), wenn das Gitter den elektrischen Kraftlinien parallel gestellt wird. Die elektrischen Strahlen sind also polarisiert. Stellt man einen Oszillator vor einer ausgedehnten leitenden Wand auf, so bildet sich durch Interferenz der auftreffenden und der reflektierten Wellen eine stehende Wellenbewegung aus, die ermöglicht, die Wellenlänge und damit die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Strahlung in freier Luft zu messen. Befindet sich in der Wand ein Loch (Fig. 6), so tritt aus diesem ein Strahlenbündel heraus, das durch andre Diaphragmen nur hindurchgehen kann, wenn diese in gerader Linie stehen, d.h. die Fortpflanzung der elektrischen Strahlen erfolgt, wie zu erwarten, geradlinig.

Fig. 7. Reflexion und Brechung.

Dabei zeigt sich allerdings bei Anwendung im Verhältnis zur Wellenlänge kleiner Apparate eine starke Beugung, wie ste Fig. 6 andeutet, so daß ähnliche Wirkungen wie bet der Beugung des Lichtes auftreten. An der Grenze eines nichtleitenden Mediums wird ein elektrischer Strahl ganz nach denselben Gesetzen wie ein Lichtstrahl gebrochen, z. T. auch reflektiert, wie Fig. 7 andeutet. Ist das Medium ein Kristall, der nicht dem regulären System angehört, so wird der elektrische Strahl ebenso wie ein Lichtstrahl doppelt gebrochen, da die Fortpflanzungsgeschwindigkeit von Diëlektrizitätskonstante und magnetischer Permeabilität abhängt und diese in solchen Kristallen nach verschiedenen Richtungen verschiedene Werte haben. Kurz, es zeigt sich hinsichtlich der Ausbreitung elektrischer Strahlen die vollkommenste Analogie mit den Lichtstrahlen.