Grundlagen elektromagnetischer Strahlung

Licht, Ultraviolett, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung, Infrarot, Radiowellen, Mobilfunkwellen, Mikrowellen etc. sind allesamt elektromagnetische Wellen. Sie unterscheiden sich allein durch die Wellenlänge. Nahezu alle Vorgänge in der Natur sowie die gesamte Chemie basieren auf elektrischen bzw. elektromagnetischen Kraftwirkungen. Das ist auch wenig verwunderlich, wenn man bedenkt, dass die elektrische Kraft 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 (= 10 hoch 40) mal stärker ist als die Gravitationskraft. Winzigste Verschiebungen einzelner Elektronen aus der neutralen Position können bereits sehr starke Felder erzeugen. Bewegen sich Ladungen, erzeugen sie ein Magnetfeld, das senkrecht zur Bewegungsrichtung steht.  

Was sind Felder?

Ein Feld beschreibt einfach, wie etwas im Raum verteilt ist, z.B. die Dichte in einem Körper, der Luftdruck etc., die Winde, die Schwerkraft oder Kräfteverteilungen, die in Zusammenhang mit elektrischen Ladungen oder Magneten auftreten. Da Kräfte immer in eine bestimmte Richtung zerren, muss solchen Kraftfeldern an jedem Raumpunkt nicht nur eine Zahl (Skalar, z.B. bei Temperaturfeldern), sondern ein Richtungspfeil (Vektor) zugewiesen werden. Man spricht daher von Vektorfeldern.

Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern

Elektrische und magnetische Felder können unabhängig voneinander auftreten. Sobald aber Bewegung ins Spiel kommt, wandeln sie sich ineinander um. Sämtliche elektrischen und magnetischen Phänomene lassen sich in vier Aussagen zusammenfassen:

1. Ruhende (= statische elektrische Felder) gehen radial von einer Quelle (einer Ladung(sverteilung)) aus.
2. Ruhende, statische magnetische Felder verlaufen immer geschlossen im Kreis. Sie sind quellenfrei (nix Strahlenförmiges). Es gibt somit keine magnetischen Monopole.
3. Bewegte magnetische Felder induzieren (senkrecht zu ihren Kreislinien verlaufende) elektrische Felder (Dynamoprinzip). 
4. Bewegte elektrische Felder (Ladungen/Ströme) induzieren senkrecht zur Bewegungsrichtung magnetische Felder (Motorprinzip). 

Mathematische formuliert beschreiben diese vier Aussagen die gesamte Elektrodynamik (sog. Maxwell-Gleichungen).

Interessant sind vor allem die letzten beiden. Wenn bewegte elektrische Felder magnetische Felder erzeugen und die bewegten magnetischen Felder wiederum elektrische Felder, dann können sich beide wechselseitig aufrecht erhalten und als elektromagnetische Welle abgelöst von der Quelle fortpflanzen. Dies geschieht in einer Sendeantenne. Auch einzelne schwingende Atome können solche Wellen erzeugen (= Licht aussenden). 

Die Perspektive der Quantenphysik

Wenn man sich elektromagnetische Schwingungen als Wellen vorstellt, dann - so die lange gehegte Meinung - sollte die Energie nur von der Amplitude abhängen. 

Pustekuchen. Der Paukenschlag kam 1900 als Max Planck entdeckte, dass die Energie (E) einzig und allein von der Frequenz (f) abhängt, und zwar in einfachster Weise: E = h * f (h ist eine sehr kleine fixe Zahl). Das Revolutionäre an dieser Miniformel (wofür es den Nobelpreis gab) ist, dass bei fest vorgegebener Frequenz eine kleinstmögliche Energiemenge nicht unterschritten werden kann. Licht wird also gar nicht als kontinuierliche Welle mit beliebig verkleinerbarer Amplitude abgestrahlt, sondern in elementaren Energiemengchen. Planck als alter Lateiner nannte diese Energiemengchen Quanten (ein Quäntchen Glück ist ein kleines Mengchen Glück). Später hat sich dafür der Begriff Photonen etabliert. Mehr Intensität heißt dann einfach: Mehr Photonen, aber nicht "höhere Energie jedes einzelnen Photons". 

Photonen sind die Vermittler aller elektrischen und magnetischen Kräfte (dasselbe Phänomen, nur anders betrachtet). Ein jedes Photon zeigt Wellencharakter. Das bedeutet jedoch nicht, dass da irgendetwas messbar schwingen würde. Der Wellencharakter tritt nur durch die Fähigkeit zur Interferenz zutage, dass sich also Lichtstrahlen gleicher Farbe (d.h. gleicher Wellenlänge) überlagern und dabei gegenseitig auslöschen oder verstärken können. 

Mit dieser Vorstellung "fliegender Photonen" oder sich ausbreitender Wellen lässt sich zwar gut arbeiten - aber im Grunde ist sie falsch. Denn Licht kann gar nicht "fliegen" oder "unterwegs" sein. Photonen sind masselos, sie besitzen kein Beharrungsvermögen. Wenn etwas aber zu keinem Zeitpunkt auch nur minimal beharrlich ist, dann kann man nie sagen: "jetzt" ist es "hier". Die Begriffe "jetzt" und "hier" verlieren ihre Geltung. Ein Photon ist gewissermaßen zeitlos überall. Das bedeutet, dass alles mit allem instantan über ein energetisches Spannungsverhältnis verbunden ist. Wäre es anders, ließe sich z.B. nicht erklären, wie eine lebende Zelle ihr inneres Gleichgewicht steuern könnte, denn sie muss ja "wissen", wann gerade welches Enzym oder Protein wo in der Zelle gebraucht wird, um dann exakt jenen Bereich in der DNA auszulesen, der das Fehlende herstellt. Diese "ganzheitliche" Steuerung ist nur über Photonen denkbar (dann genannt Biophotonen) - nicht über mechanische Stoßprozesse oder lokale chemische Reaktionen. Man kann sich daher leicht vorstellen, dass von außen eingestrahlte kohärente, elektromagnetische Pulsstrahlung (s.u.) diese zellinterne Steuerung natürlich irritiert.   

Obwohl Licht also nicht "fliegt", gibt es ja trotzdem eine messbare Lichtgeschwindigkeit. Die Betonung liegt dabei auf "messbar". Gemessen wird immer an Materie, und die reagiert träge (also verzögernd). In der Trägheit liegt der eigentliche Quell der Zeit. Da alles, wie gerade erklärt, durch energetische Spannungsverhältnisse instant untereinander abgestimmt ist (voneinander "weiß"), breitet sich also nicht das Licht selber aus, sondern nur die Information, an dieser oder jener Stelle einen "elementaren Energieübertrag" (= 1 Photon) realisieren zu können.  

Ein Photon ist kein lokalisierbares gelbes Kügelchen, sondern ein Energiemengchen, das aus beliebig vielen Atomen oder Molekülen zusammengeklaubt und an eine bestimmte Stelle übertragen wird. Trotzdem ist es zum Zweck eines intuitiveren Verständnisses hilfreich, ihm eine Art Durchmesser zuzuweisen. Der entspricht grob gesagt der Wellenlänge, denn es braucht eben mindestens einen Wellenschlag, damit die Gesamtenergie "abgeschüttelt" werden kann (deshalb sind Mikrowellenherde an der Frontscheibe mit einem Drahtgitter versehen, deren Löcher deutlich kleiner sind als die Mikro-Wellenlänge, aber wesentlich größer als die des sichtbaren Lichts. Daraus folgt auch, dass eine Antenne in etwa die Größe einer Wellenlänge haben sollte (mit Tricks geht es auch noch um einiges kürzer). Große Wellenlängen "sehen" die Strukturen, die sich ihnen in den Weg stellen, quasi gar nicht. Je kürzer die Wellenlänge, um so mehr wird "gesehen", um so kürzer also auch die mittlere Eindringtiefe z.B. in der Haut. 

Kohärente Strahlung 

Wenn Photonen im Gleichschritt "losmarschieren", heißt die Strahlung kohärent. Laser emittieren genauso wie alle Antennen eine kohärente elektromagnetische Strahlung. Sie besitzt damit ein großes "Resonanzvermögen", ist also viel machtvoller als ungeordnetes, unkohärentes Licht. 

Gepulste Strahlung

Mobilfunkstrahlung ist zugleich auch eine gepulste Strahlung. Jeder Sendemast soll viele Kunden gleichzeitig individuell bedienen, was nur geht, wenn das Funksignal in mehrere Zeitschlitze zerhackt und z.B. jede 1/2000stel Sekunde zum nächsten Kunden geleitet wird (innerhalb eines solchen Zeitschlitzes können - je nach Frequenz - immer noch 10.000 - 100.000 Bits übertragen werden). Das Sendesignal schaltet also ständig an und wieder aus - daraus entstehen (ungefähre) Rechteck-Impulse. 

Nun lässt sich jede beliebige Signalform zusammensetzen aus einer Überlagerung von lauter Sinuswellen passender Frequenz und Amplitude. In der Abbildung wird das obige (ungefähre) Rechtecksignal durch die Addition von den unteren 5 harmonischen Sinus-Wellen erzeugt. Je steiler die Flanken des Rechtecksignals, um so kürzere Wellenlängen tragen bei. Folglich schwingt in gepulster Strahlung immer auch ein geringer höherenergetischer (ionisierender) Anteil mit. Daher kann gepulste (und kohärente) Strahlung auch DNA-Brüche verursachen.

Nahfeld / Fernfeld

Photonen sind, wie gesagt, in ihrer Grundnatur energetische Verbindungen. Sie werden nicht einfach so als Energiepakete ausgesendet, sondern können den "elementaren Energieübertragungsdeal" nur dann realisieren, wenn auch ein passender Empfänger bereitsteht (ansonsten gäbe es keinen Energieerhaltungssatz). 

Baut man nun einen elektromagnetischen Schwingkreis, dann gibt es im nahen Umfeld sogenannte virtuelle Photonen, die niemals als "Helligkeit" in Erscheinung treten, wohl aber Energie übertragen können. Sie sind jedoch mehr tastender Natur. Sie entstehen und vergehen auch wieder, sofern kein Energieabnehmer in der Nähe bereitsteht. Findet sich aber im Nahfeld, d.h. im Bereich von wenigen Wellenlängen, ein Abnehmer, findet auch ein entsprechender Energieübertrag statt. Ansonsten nicht. So funktionieren Trafos. Dort schwingt das Magnetfeld einer Spule im Takt des Wechselstroms hin und her, verbraucht dabei aber nur dann Energie, wenn auf der Sekundärspule einer Energieabnehmer (z.B. eine Lampe) angeschlossen ist. 

In größerem Abstand spielt diese Induktion keine Rolle mehr. Das "Energieangebot" kann dann nicht mehr quasi zurückgenommen werden, sondern wird, wie man so sagt, abgestrahlt (findet also in der Ferne schon irgendwelche Abnehmer). 

Praktisch heißt das: Möchte man mit einem Messgerät z.B. die Strahlung eines Smartmeters messen, darf man nicht zu dicht heran gehen, weil dann das Messgerät selbst Energie von der Quelle abzieht, die sie ansonsten nicht abstrahlen würde. Man erhält keine brauchbaren Messwerte.         

Physikalische Einheiten

Genaugenommen gibt es nur vier Grundeinheiten, um alle anderen physikalischen Größen wie Energie, Leistung, Strom, magnetische Feldstärke usw. davon abzuleiten. Diese sind: Raum (Meter [m]), Zeit (Sekunde [sec]), Masse (Kilogramm [kg]) und Ladung (Coulomb [C]). Oft ist es einfach nur praktisch, diesen Kombinationsgrößen eigene Namen und Einheiten zuzuordnen, damit man sie direkt miteinander vergleichen kann. Nachfolgend die Auflistung der Größen.