Script 3
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Polarisation = Ausrichtung des E-Feldes einer elektromagnetischen Welle Sekunde Für die Sekunde, gibt es eine astronomische und eine technische Definition: Bisher linear polarisierte periodische Wellen betrachtet; Richtung des E-Feldes ändert sich bis auf Vorzeichenwechsel nicht mit Ort und Zeit. Für die astronomische Zeit ist die Sekunde festgelegt als der 86.400te Teil eines mittleren Sonnentages an einem festen Ort. Da die astronomische Sekunde wegen Schwankungen der Erddrehung nicht konstant ist, hat das International Committee of Weights and Measures 1956 die Sekunde neu definiert und zwar als 1/31.556.925,9747 der Zeit, die die Erde während des Jahres 1900 zur Umkreisung der Sonne benötigte. Zirkular polarisierte Welle: Mit der 1964 eingeführten atomphysikalischen Definition konnte eine höhere Präzision erreicht werden. Die atomphysikalische Sekunde, auch bekannt als SI-Sekunde oder Atomsekunde, ist seit 1967 im Einheitensystem (SI) festgelegt: Die Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes des Caesium-Atoms (Cs 133) entsprechenden Strahlung. Mit Caesium-Atomfrequenznormalen werden Langzeitkonstanzen von 1014 erreicht, was einer Abweichung von 1 Sekunde in mehreren Millionen Jahren entspricht. ⎛ sin ( k z − ω t + ϕ 0 ) ⎞ ⎜ G π ⎟ E = E 0 ⎜ sin ⎛⎜ k z − ω t + ϕ 0 ± ⎞⎟ ⎟ 2⎠⎟ ⎝ ⎜ ⎜ ⎟ 0 ⎝ ⎠ x- und y-Komponente des Feldes sind um 90° gegeneinander phasenverschoben. Links oder rechts zirkular, je nach Vorzeichen Über die Definition der Lichtgeschwindigkeit ist damit auch das Meter definiert EP III, WS 04/05 S. Lochbrunner LMU Physik Neuste Experimente: Direktes Ausmessen des elektrischen Feldes einer Welle EP III, WS 04/05 S. Lochbrunner LMU Physik 1.2.4 Intensität und Poynting-Vektor Prof. Ferenz Krausz und Mitarbeiter (MPI für Quantenoptik, Garching) Energiedichte einer elektromagnetischen Welle: w = w el + w mag = 1 B2 ε E2 + = ε0E2 2 0 2µ 0 Intensität I = Energiefluss pro Fläche I= Energie w ⋅ V w ⋅ F ⋅ c ∆t = = =c⋅w F ⋅ ∆t F ⋅ ∆t F ⋅ ∆t G 2 I( t ) = c ⋅ ε 0 E ( t ) G 2 E ( t ) ∝ I( t ) zeitlich (über eine Periode) gemittelte Intensität I = I( t ) = G E für linear polarisierte Welle E. Goulielmakis et al., Science305,1267 (2004). EP III, WS 04/05 1 c ⋅ ε 0 E 02 2 S. Lochbrunner LMU Physik EP III, WS 04/05 S. Lochbrunner LMU Physik G Licht transportiert Energie in Richtung des k -Vektors, d. h. in Ausbreitungsrichtung der Welle. G G G S = ε0 c 2E × B Beschreibung mit Poynting-Vektor Betrag = Intensität Richtung = Ausbreitungsrichtung (gilt nur in isotropen Medien) Impuls G G G G 2 S ( t ) = ε 0 c 2 E × B = ε 0 c E = I( t ) G G S&k G E G S G G k B Bei (vollständiger und senkrechter) Reflexion wird die Welle zurückgeworfen und die Impulsänderung und der Strahlungsdruck sind daher doppelt so groß. Schlechtes Beispiel: Lichtmühle die Energie E = mc 2 und den Impulsbetrag p = mc = E c G analog Impulsdichte π St = Impuls pro Volumen einer elektromagnetischen Welle EP III, WS 04/05 Wird Licht absorbiert, nimmt der Absorber auch den mit der Welle verbundenen Impuls auf. Dies wirkt sich als Kraft aus. Betrachtet man die Kraft pro Fläche, ergibt sich ein Druck, der vom Licht auf den Absorber ausgeübt wird. G p St = c π St = ε 0 E 2 = w Ein Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit hat w I G π St = = c c2 Strahlungsdruck p St Drehung der Lichtmühle wird normalerweise nicht vom Strahlungsdruck, sondern von komplexen Strömungserscheinungen des Restgases hervorgerufen, das vor der absorbierenden Fläche stärker erwärmt wird als vor der reflektierenden. G G 1 G G π St = S = ε0E × B 2 c S. Lochbrunner LMU Physik Besseres Beispiel: Kometenschweif EP III, WS 04/05 S. Lochbrunner LMU Physik 1.2.5 Ausbreitung im Medium Wechselwirkung zwischen elektromagnetischen Wellen und Materie Elektrisches Feld der Welle übt eine Kraft auf Teilchen mit Ladung aus (B-Feld normaler Weise unbedeutend). q Diese, insbesondere die Elektronen in Atomen und Molekülen, werden dadurch beschleunigt und aus der ursprünglichen Gleichgewichtslage verschoben. Bei periodischen Wellen führen die geladenen Teilchen auch periodische Bewegungen aus. Schweif: verdampfte Kometenmaterie Geladene Teilchen durch Magnetfeld und Sonnenwind abgelenkt, Staub durch Strahlungsdruck (Komponente mit stärkerer Krümmung) Beschleunigte Teilchen strahlen selbst elektromagnetische Wellen ab. Der bei weitem dominante Beitrag ist Dipolstrahlung. Diese Wellen überlagern sich mit der ursprünglichen und das Gesamtfeld wird verändert. Komet Mrkos, 1957, Hale Observatories EP III, WS 04/05 Lorentzkraft G G G G F = qE + qv × B S. Lochbrunner LMU Physik EP III, WS 04/05 S. Lochbrunner LMU Physik
