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Elektromagnetisches Spektrum

Von Netzfrequenz über Funk und Licht bis Gammastrahlung – Frequenz, Wellenlänge, Photonenenergie und die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums.

5 Min. LesezeitSpektrumFrequenzWellenlängeLichtgeschwindigkeit

Radiowellen, WLAN, Wärmestrahlung, sichtbares Licht, UV und Röntgenstrahlung sind physikalisch dasselbe: elektromagnetische Wellen, die sich nur in ihrer Frequenz unterscheiden. Ordnet man sie nach der Frequenz, erhält man das elektromagnetische Spektrum. Es reicht über mehr als zwanzig Zehnerpotenzen und bestimmt, wie Antennen aussehen, warum Mikrowellen Wasser erwärmen und weshalb UV-Licht Sonnenbrand verursacht, Radiowellen aber nicht.

Frequenz und Wellenlänge

Eine elektromagnetische Welle besteht aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, die senkrecht zueinander schwingen und sich gegenseitig erzeugen. Im Vakuum breitet sie sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, c ≈ 300 000 km/s. Frequenz f und Wellenlänge λ hängen über diese Geschwindigkeit zusammen:

c = λ · f λ = cf

Je höher die Frequenz, desto kürzer die Welle. In Materie ist die Ausbreitung langsamer: Auf einer Leiterplatte aus FR-4 erreichen Signale nur etwa die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit, die Wellenlänge ist entsprechend kürzer.

Zwei Sinuswellen: niedrige Frequenz mit großer, hohe Frequenz mit kleiner Wellenlänge
Bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit gilt: Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge.

Die Bereiche im Überblick

Elektromagnetisches Spektrum als Band von Radiowellen bis Gammastrahlung
Das Spektrum: Mit steigender Frequenz sinkt die Wellenlänge, das sichtbare Licht ist nur ein schmaler Ausschnitt.
BereichFrequenz (ungefähr)WellenlängeBeispiele
Niederfrequenzbis 30 kHzüber 10 kmStromnetz (50/60 Hz), Bahnstrom (16,7 Hz), Audio
Radiowellen (LW, MW, KW, UKW)30 kHz – 300 MHz10 km – 1 mRundfunk, RFID, NFC (13,56 MHz)
Mikrowellen300 MHz – 300 GHz1 m – 1 mmMobilfunk, WLAN, Bluetooth, Radar, GPS
Infrarot300 GHz – 385 THz1 mm – 780 nmWärmestrahlung, Fernbedienung, Glasfaser
sichtbares Licht385 – 790 THz780 – 380 nmrot bis violett, LEDs
Ultraviolett790 THz – 30 PHz380 – 10 nmSonne, Desinfektion, Belichtung von Platinen
Röntgenstrahlungetwa 30 PHz – 30 EHz10 nm – 10 pmMedizin, Prüfung von Lötstellen unter BGAs
Gammastrahlungdarüberunter etwa 10 pmRadioaktivität, Gammastrahlung aus dem Weltall

Innerhalb der großen Bereiche gibt es feinere Namen, die sich meist an der Wellenlänge orientieren: Bei den Radiowellen Lang-, Mittel-, Kurz- und Ultrakurzwelle, bei den Mikrowellen Dezimeterwellen (300 MHz – 3 GHz, etwa Mobilfunk und WLAN), Zentimeterwellen (3 – 30 GHz) und Millimeterwellen (30 – 300 GHz, etwa Kfz-Radar bei 77 GHz). Im Niederfrequenzbereich liegt auch die menschliche Sprache; das klassische Telefon überträgt nur 300 Hz bis 3,4 kHz.

Auch die Art der Erzeugung wechselt mit der Frequenz: Netzfrequenz kommt aus Generatoren, Funkwellen aus elektrischen Schwingkreisen und Oszillatoren, Infrarot und Licht aus heißen Körpern, LEDs und Lasern, Röntgenstrahlung aus Röntgenröhren und Gammastrahlung aus radioaktiven Atomkernen.

Die Grenzen zwischen den Bereichen sind fließend und je nach Fachgebiet etwas anders gezogen. Röntgen- und Gammastrahlung überschneiden sich sogar – unterschieden werden sie eher nach ihrer Entstehung (Elektronenhülle bzw. Atomkern) als nach der Frequenz.

Farbband des sichtbaren Lichts von Violett bei 400 nm bis Rot bei 700 nm, links UV, rechts IR
Sichtbares Licht reicht etwa von 380 nm (Violett) bis 780 nm (Rot); kürzer liegt UV, länger Infrarot.

Photonenenergie und ionisierende Strahlung

Elektromagnetische Strahlung gibt ihre Energie nicht beliebig fein ab, sondern in Portionen, den Photonen (siehe Quantenphysik für Elektroniker). Die Energie eines Photons wächst mit der Frequenz:

E = h · f

Das plancksche Wirkungsquantum beträgt h ≈ 6,626 · 10-34 Js. Praktischer ist die Angabe in Elektronenvolt: Ein Photon roten Lichts (650 nm) trägt etwa 1,9 eV, ein Photon bei 2,4 GHz nur rund 10-5 eV.

Das erklärt einen grundlegenden Unterschied: Erst wenn die Energie eines einzelnen Photons ausreicht, um Elektronen aus Atomen und Molekülen zu lösen – grob ab 10 eV, also im Ultraviolett –, spricht man von ionisierender Strahlung. Sie kann chemische Bindungen und damit auch die Erbsubstanz direkt schädigen. Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot und sichtbares Licht sind nicht ionisierend, egal wie hoch ihre Leistung ist; sie wirken vor allem durch Erwärmung (siehe Felder im Alltag).

Frequenzband von Radio bis Gamma, geteilt bei etwa 10 eV im UV in nicht ionisierend und ionisierend
Ab etwa 10 eV Photonenenergie, mitten im UV, wird Strahlung ionisierend.

Das Spektrum in der Elektronik

Für die Elektronik sind vor allem drei Ausschnitte wichtig:

  • Niederfrequenz und Audio – Netzteile, Verstärker, Sensoren. Leitungen sind hier fast immer kurz gegen die Wellenlänge und verhalten sich einfach wie Verbindungen.
  • Hochfrequenz und Mikrowellen – Funkmodule, schnelle Digitalsignale, Schaltregler-Oberwellen. Ab Leitungslängen von etwa einem Zehntel der Wellenlänge werden Leiterbahnen zu Leitungen mit Wellenwiderstand, Reflexionen und Abstrahlung; die EMV wird zum Thema.
  • Infrarot, sichtbares Licht und UV – Leuchtdioden, Fotodioden, Optokoppler und Lichtschranken nutzen die Wechselwirkung von Licht mit Halbleitern. Welche Farbe eine LED abstrahlt, hängt von der Bandlücke ihres Materials ab; mehr dazu in Optoelektronik.
Wellenlänge und Viertelwellen-Antenne bei 2,4 GHz
Bei 2,4 GHz ist die Wellenlänge 12,5 cm; eine Viertelwellen-Antenne ist gut 3 cm lang.

Selbsttest

Wie groß ist die Wellenlänge bei 100 MHz im Vakuum?

λ = 3 · 108 m/s / 108 1/s = 3 m.

Warum ist UV-Strahlung ionisierend, Mikrowellenstrahlung aber nicht?

Die Energie eines einzelnen Photons wächst mit der Frequenz; erst im UV reicht sie aus, um Elektronen aus Atomen und Molekülen zu lösen.

Wie lang ist eine Viertelwellen-Antenne für 868 MHz ungefähr?

λ = 3 · 108 m/s / 868 · 106 1/s ≈ 34,6 cm, ein Viertel davon rund 8,6 cm.