Elektromagnetische Wellen (3/4)
Wir haben nun soweit die Feldgrößen E und B betrachtet. Was versteht man nun unter der
Intensität des Lichts,
die man mit dem Auge wahrnimmt, mit einem Fotoempfänger misst oder als Bild mit einer Kamera aufnimmt?
Licht wird weder mit dem Auge noch mit einem Fotoempfänger durch E und B direkt wahrgenommen. Vielmehr ergibt sich die Intensität aus der Energie
des elektrischen und magnetischen Felds. Die Feldenergie ist proportional zu den quadrierten Feldgrößen, also zu
E2 und B2. Beide Feldgrößen und ihre Quadrate liegen bei sehr hohen Frequenzen
im Bereich um 500 Terahertz für sichtbares Licht. Solche Frequenzen sind viel zu hoch, um mit den Sehzellen im Auge wahrgemnommen werden zu können.
Daher führt das Auge wie auch alle elektronischen Fotoempfänger für sichtbares Licht eine zeitliche Mittelung über die quadrierten Felder durch.
Dieses zeitliche Mittel entspricht der Intensität des Lichts.
Bildwiederholrate von Filmen ↓ ↑
Filme im Fernsehen sind aus einer Abfolge von Einzelbildern zusammengesetzt.
Das Auge speichert ein Einzelbild für kurze Zeit, sodass eine Bildsequenz
dem Betrachter als bewegtes Bild erscheint: das menschliche Sehvermögen führt
eine gleitende Mittelung der Einzelbider durch. Damit dies möglich wird, muss die
Bildwiederholrate, angegeben als Bilder pro Sekunde (frames per second, fps), einen Wert
von etwa 18 überschreiten. Kleinere Wiederholraten führen zu sprunghaften oder
flimmernden Filmen. Kinofilme werden mit 24 Bildern pro Sekunde bzw. bei neueren Filmen mit
48 Bildern pro Sekunde gedreht. Bei den früheren Röhrenfernsehgeräten waren es
25 Bilder pro Sekunde /European PAL and SECAM signal encoding) bzw. 30 fps (American NTSC
signal encoding); es wurden jeweils Halbbilder überlagert, weshalb die Wiederholrate
für das Auge wie 50 bzw. 60 Bilder pro Sekunde erschien. Neue LCD-Geräte haben
Wiederholraten von bis zu 800 Bildern pro Sekunde.
Berechnen Sie bitte die Periodendauer eines einzelnen Fernsehbilds, und vergleichen Sie
das Ergebnis mit der Periodendauer einer Lichtwelle mit einer Frequenz von 500 THz.
Machen Sie sich klar, dass die Frequenz von Lichtwellen und die Bildwiederholfrequenz
von Filmen zu ganz unterschiedlichen physikalischen Phänomenen gehöhren.
Für das elektrische Feld E wird das in der folgenden Grafik gezeigt. Zur Vereinfachung betrachten wir nur ihr zeitliches Verhalten:
(dünne blaue Linie)
Das Quadrat der Feldstärke entspricht einer um 0,5 Skalenteile nach oben verschobenen Sinusfunktion mit halber Amplitude und halber Periodendauer T:
(rote Linie)
Trigonometrische Beziehungen ↓ ↑
Die folgenden Transformationen gelten für einen Winkel α und das Quadrat seines Sinus und Kosinus:
Gleichungen ↓ ↑
Mathematische Gleichungen werden mit der
Mathematical
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Wir benutzen Klammern zur Bezeichnung des Zeitmittels von E2(t). Da E2(t)
symmetrisch um E2(t)=0,5 ist, folgt:
(grüne Linie)
Es ist dieses zeitlich konstante Signal (so lange die Wellenamplitude konstant bleibt), das vom Auge als Lichtintensität wahrgenommen wird.
Lesen Sie mehr über die Energie und Intensität elektromagnetischer Wellen in der Ergänzung 1.4.
