Dieses Quiz als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, G-Niveau

Elektromagnetische Wellen - Physik

Einleitung

Elektromagnetische Wellen begegnen Dir überall: als Radio- und Mobilfunksignal, als Mikrowelle, als Infrarotstrahlung, als sichtbares Licht, als Ultraviolettstrahlung, als Röntgenstrahlung oder als Gammastrahlung. All diese Erscheinungen gehören zu derselben Wellenart. Sie unterscheiden sich vor allem durch ihre Frequenz, ihre Wellenlänge und damit durch die Energie ihrer Photonen.

Im Gegensatz zu Schall benötigen elektromagnetische Wellen kein materielles Medium. Deshalb gelangt das Licht der Sonne durch den nahezu leeren Weltraum zur Erde.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, wie elektromagnetische Wellen aufgebaut sind und entstehen. Du kannst Wellenlänge und Frequenz mit der Lichtgeschwindigkeit verknüpfen, Bereiche des elektromagnetischen Spektrums einordnen, typische Anwendungen nennen und Risiken verschiedener Strahlungsarten begründet beurteilen.

Aufbau elektromagnetischer Wellen

Eine elektromagnetische Welle besteht aus einem zeitlich veränderlichen elektrischen Feld und einem zeitlich veränderlichen magnetischen Feld. Bei einer idealen ebenen Welle stehen beide Felder senkrecht aufeinander. Außerdem stehen sie senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Elektromagnetische Wellen sind deshalb Transversalwellen.

Die Felder breiten sich gemeinsam aus und transportieren Energie und Impuls. Im Vakuum beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit

$c = 299 792 458 \frac{m}{s} \approx 3,00 \cdot 1 0^{8} \frac{m}{s} .$

Wichtige Größen

Größe	Symbol	Bedeutung	Einheit
Wellenlänge	$λ$	Abstand zweier Punkte gleicher Schwingungsphase	Meter
Frequenz	$f$	Anzahl der Schwingungen pro Sekunde	Hertz
Periodendauer	$T$	Zeit für eine vollständige Schwingung	Sekunde
Ausbreitungsgeschwindigkeit	$v$	Geschwindigkeit der Welle	Meter pro Sekunde

Frequenz und Periodendauer hängen zusammen:

$f = \frac{1}{T}$

Für eine Welle gilt allgemein:

$v = λ \cdot f$

Im Vakuum setzt Du $v = c$ :

$c = λ \cdot f$

Eine größere Frequenz bedeutet bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit eine kleinere Wellenlänge.

Beispielrechnung

Ein Radiosender sendet mit $f = 100 M H z$ . Seine Wellenlänge in Luft ist näherungsweise:

$λ = \frac{c}{f} = \frac{3,00 \cdot 1 0^{8} m / s}{100 \cdot 1 0^{6} 1 / s} \approx 3,0 m$

Ein WLAN-Signal mit $f = 2,4 G H z$ besitzt näherungsweise:

$λ \approx \frac{3,00 \cdot 1 0^{8} m / s}{2,4 \cdot 1 0^{9} 1 / s} \approx 0,125 m = 12,5 c m$

Entstehung und Nachweis

Elektromagnetische Wellen entstehen, wenn elektrische Ladungen beschleunigt werden. In einer Sendeantenne bewegen sich Elektronen durch einen hochfrequenten Wechselstrom. Das veränderliche elektrische Feld erzeugt ein veränderliches magnetisches Feld und umgekehrt. Ein Teil dieser Energie löst sich vom Sender und breitet sich als Welle aus.

Eine Empfangsantenne funktioniert umgekehrt: Das elektrische Feld der eintreffenden Welle versetzt Ladungen im Leiter in Bewegung. Dadurch entsteht eine messbare Wechselspannung.

Maxwell und Hertz

James Clerk Maxwell fasste Elektrizität und Magnetismus im 19. Jahrhundert in Gleichungen zusammen. Aus diesen Gleichungen folgte die Vorhersage elektromagnetischer Wellen. Heinrich Hertz erzeugte und untersuchte später Funkwellen im Experiment. Er zeigte unter anderem, dass sie reflektiert, gebrochen, gebeugt und polarisiert werden können – ähnlich wie Licht.

Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst alle elektromagnetischen Wellen. Die Grenzen zwischen den Bereichen sind Näherungen und können je nach Fachgebiet etwas unterschiedlich angegeben werden.

Bereich	Ungefähre Wellenlänge	Beispiele und Anwendungen
Radiowellen	größer als etwa 1 Meter	Rundfunk, Funkverkehr, Navigation
Mikrowellen	etwa 1 Meter bis 1 Millimeter	WLAN, Radar, Satellitenfunk, Mikrowellenherd
Infrarotstrahlung	etwa 1 Millimeter bis 780 Nanometer	Wärmebildkamera, Fernbedienung, Sensorik
Sichtbares Licht	etwa 780 bis 380 Nanometer	Sehen, Beleuchtung, Fotografie, Glasfaser
Ultraviolettstrahlung	etwa 380 bis 10 Nanometer	Fluoreszenz, Desinfektion, Sonnenstrahlung
Röntgenstrahlung	etwa 10 Nanometer bis 10 Pikometer	medizinische Bildgebung, Materialprüfung
Gammastrahlung	kürzer als etwa 10 Pikometer	Kernphysik, Strahlentherapie, Astronomie

Von Radiowellen zu Gammastrahlung nimmt die Frequenz zu und die Wellenlänge ab. Gleichzeitig steigt die Energie eines einzelnen Photons:

$E_{P h o t o n} = h \cdot f$

Dabei ist $h$ das Plancksche Wirkungsquantum.

Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt

Das menschliche Auge nimmt nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums wahr. Verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichts werden als unterschiedliche Farben empfunden. Ein Prisma kann weißes Licht durch Dispersion in seine Farbanteile zerlegen.

Verhalten an Materie

Trifft eine elektromagnetische Welle auf Materie, können verschiedene Vorgänge auftreten. Welcher Vorgang überwiegt, hängt von der Frequenz, dem Material, dem Einfallswinkel und der Oberflächenstruktur ab.

Vorgang	Beschreibung	Beispiel
Reflexion	Die Welle wird an einer Grenzfläche zurückgeworfen.	Spiegel, Radarreflexion
Brechung	Richtung und Geschwindigkeit ändern sich beim Übergang in ein anderes Medium.	Licht im Glasprisma
Beugung	Die Welle breitet sich hinter Kanten oder Öffnungen in den Schattenraum aus.	Radiowellen hinter Gebäuden
Interferenz	Wellen überlagern sich verstärkend oder abschwächend.	Farben dünner Schichten
Absorption	Materie nimmt Energie der Welle auf.	Erwärmung durch Infrarotstrahlung
Streuung	Die Welle wird in verschiedene Richtungen umgelenkt.	blauer Himmel

Polarisation

Die Polarisation beschreibt die Richtung, in der das elektrische Feld einer Transversalwelle schwingt. Ein Polarisationsfilter lässt bevorzugt eine bestimmte Schwingungsrichtung passieren. Zwei gekreuzte Polarisationsfilter können sichtbares Licht stark abschwächen.

Anwendungen im Alltag und in der Forschung

Elektromagnetische Wellen übertragen Informationen, liefern Energie und ermöglichen Messungen. Funkwellen verbinden Radios, Mobiltelefone und Satelliten. Mikrowellen werden für Radar und WLAN genutzt. Infrarotkameras machen Temperaturunterschiede sichtbar. Sichtbares Licht dient dem Sehen und der optischen Datenübertragung. Ultraviolettstrahlung kann Fluoreszenz auslösen und Mikroorganismen schädigen. Röntgenstrahlung durchdringt weiches Gewebe stärker als Knochen. Gammastrahlung wird unter kontrollierten Bedingungen in Medizin und Forschung eingesetzt.

Elektromagnetische Fenster der Atmosphäre

Die Erdatmosphäre lässt nicht jede Wellenlänge gleich gut hindurch. Besonders gut gelangen sichtbares Licht und bestimmte Radiowellenbereiche bis zum Boden. Andere Bereiche werden teilweise oder fast vollständig absorbiert. Deshalb befinden sich einige Teleskope auf hohen Bergen, in Flugzeugen oder im Weltraum.

Wirkung auf den Menschen und Strahlenschutz

Die Wirkung elektromagnetischer Strahlung hängt nicht nur von der Bezeichnung des Bereichs ab, sondern auch von Frequenz, Intensität, Einwirkdauer und betroffenem Gewebe.

Nichtionisierende Strahlung besitzt pro Photon nicht genug Energie, um Atome direkt zu ionisieren. Dazu gehören Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung und sichtbares Licht. Bei hoher Intensität kann sie dennoch Gewebe erwärmen oder Augen und Haut schädigen.

Ionisierende Strahlung kann Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen. Dazu zählen energiereiche Ultraviolettstrahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung. Sie kann chemische Bindungen und Erbgut verändern. Schutzmaßnahmen folgen dem Prinzip: Einwirkzeit kurz halten, Abstand vergrößern und geeignete Abschirmung verwenden.

Merksätze

Elektromagnetische Welle: Sie besteht aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern.
Lichtgeschwindigkeit: Im Vakuum breiten sich alle elektromagnetischen Wellen mit $c$ aus.
Wellenlänge und Frequenz: Es gilt $c = λ \cdot f$ .
Elektromagnetisches Spektrum: Hohe Frequenz bedeutet kurze Wellenlänge und hohe Photonenenergie.
Polarisation: Sie zeigt die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes.
Strahlenschutz: Entscheidend sind Strahlungsart, Intensität, Dauer, Abstand und Abschirmung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Woraus besteht eine elektromagnetische Welle? (Aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld) (!Nur aus bewegter Materie) (!Nur aus einem magnetischen Feld) (!Aus Schall und Licht)

Welche Geschwindigkeit besitzen elektromagnetische Wellen im Vakuum näherungsweise? (3,00 mal 10 hoch 8 Meter pro Sekunde) (!340 Meter pro Sekunde) (!3,00 mal 10 hoch 5 Meter pro Sekunde) (!9,81 Meter pro Sekunde)

Welche Gleichung verknüpft Lichtgeschwindigkeit, Wellenlänge und Frequenz? (c gleich Lambda mal f) (!c gleich Lambda durch f) (!f gleich c mal Lambda) (!Lambda gleich c mal f)

Was geschieht mit der Wellenlänge, wenn die Frequenz im Vakuum steigt? (Sie wird kleiner) (!Sie wird größer) (!Sie bleibt immer gleich) (!Sie wird null)

Welcher Bereich gehört zum elektromagnetischen Spektrum? (Infrarotstrahlung) (!Schallwellen) (!Wasserwellen) (!Erdbebenwellen)

Warum kann Licht den Weltraum durchqueren? (Es benötigt kein materielles Medium) (!Es wird vom Schall getragen) (!Es besteht aus Luftteilchen) (!Es braucht immer Wasser)

Was beschreibt die Polarisation einer elektromagnetischen Welle? (Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes) (!Die Lautstärke der Welle) (!Die Masse der Photonen) (!Die Temperatur des Vakuums)

Welche Strahlungsart besitzt die höchste Frequenz? (Gammastrahlung) (!Radiowellen) (!Mikrowellen) (!Infrarotstrahlung)

Was kann beim Übergang von Luft in Glas auftreten? (Brechung) (!Kernspaltung) (!Verdampfung des Lichts) (!Entstehung von Schall)

Welche Aussage zu ionisierender Strahlung ist richtig? (Sie kann Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen) (!Sie besteht nur aus Schall) (!Sie besitzt immer eine große Wellenlänge) (!Sie kann Materie grundsätzlich nicht beeinflussen)

Memory

Wellenlänge	Abstand gleichphasiger Punkte
Frequenz	Schwingungen pro Sekunde
Polarisation	Richtung des elektrischen Feldes
Antenne	Senden oder Empfangen von Funkwellen
Photon	Energiequant elektromagnetischer Strahlung
Brechung	Richtungsänderung an einer Grenzfläche
Spektrum	Gesamtheit der Wellenbereiche

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Radiowellen	Rundfunk und Funkverkehr
Mikrowellen	Radar und WLAN
Infrarotstrahlung	Wärmebildkamera
Sichtbares Licht	Wahrnehmung durch das Auge
Ultraviolettstrahlung	Fluoreszenz und Desinfektion
Röntgenstrahlung	Medizinische Bildgebung

Kreuzworträtsel

Maxwell	Wer sagte elektromagnetische Wellen theoretisch voraus?
Hertz	Wer wies Funkwellen experimentell nach?
Antenne	Welches Bauteil kann Funkwellen senden oder empfangen?
Photon	Wie heißt ein Energiequant elektromagnetischer Strahlung?
Spektrum	Wie heißt die Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellenbereiche?
Polarisation	Wie heißt die Festlegung einer Schwingungsrichtung?

LearningApps

Lückentext

Elektromagnetische Wellen können sich auch im

ausbreiten. Im leeren Raum bewegen sie sich mit

. Die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde heißt

. Der Abstand zweier gleichphasiger Punkte heißt

. Funkwellen werden häufig mit einer

erzeugt oder empfangen. Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes wird durch die

beschrieben. Das Zurückwerfen einer Welle an einer Grenzfläche heißt

. WLAN nutzt meist den Bereich der

. Für medizinische Aufnahmen von Knochen wird häufig

verwendet. Die Energie eines einzelnen Lichtquants trägt ein

.

Offene Aufgaben

Leicht

Spektrum im Alltag: Suche zu fünf Bereichen des elektromagnetischen Spektrums je ein Alltagsbeispiel und gestalte eine beschriftete Übersicht.
Wellenmodell: Baue mit Papierstreifen oder Pfeilen ein Modell, das elektrisches Feld, magnetisches Feld und Ausbreitungsrichtung zeigt.
Formeltraining: Berechne für drei selbst gewählte Frequenzen die Wellenlänge im Vakuum und kontrolliere die Einheiten.
Medienanalyse: Untersuche eine Werbung für Funktechnik oder Infrarotgeräte und trenne physikalisch richtige Aussagen von vereinfachenden Formulierungen.

Standard

Prisma-Experiment: Zerlege mit einem Glasprisma oder einer geeigneten Simulation weißes Licht und dokumentiere Beobachtung und Erklärung.
Polarisationsfilter: Untersuche zwei Polarisationsfilter oder polarisierende Sonnenbrillen vor einem Bildschirm und erkläre die Helligkeitsänderung.
Funk und Reichweite: Entwickle eine begründete Vermutung, warum langwellige Funksignale Hindernisse oft besser umgehen als sehr kurzwellige Signale.
Strahlenschutz-Plakat: Gestalte ein sachliches Plakat, das ionisierende und nichtionisierende Strahlung unterscheidet und sinnvolle Schutzmaßnahmen erklärt.

Schwer

Hertz-Experiment: Recherchiere den historischen Versuchsaufbau von Heinrich Hertz und erkläre, welche Welleneigenschaften damit nachgewiesen wurden.
Atmosphärische Fenster: Vergleiche Radioastronomie, optische Astronomie und Röntgenastronomie und begründe geeignete Beobachtungsorte.
Technikfolgen-Abwägung: Beurteile den Nutzen und mögliche Risiken einer selbst gewählten Anwendung elektromagnetischer Wellen anhand überprüfbarer Kriterien.
Erklärvideo: Produziere ein kurzes Lernvideo, in dem Du $c = λ \cdot f$ mit einem Zahlenbeispiel und einer passenden Visualisierung erklärst.

Lernkontrolle

Modellvergleich: Vergleiche eine Schallwelle mit einer elektromagnetischen Welle. Arbeite Gemeinsamkeiten und Unterschiede heraus und begründe, warum nur eine der beiden den Weltraum durchqueren kann.
Signalplanung: Ein Kommunikationssystem soll eine hohe Datenrate erreichen, aber auch Hindernisse überwinden. Diskutiere, welche Rolle Frequenz, Wellenlänge, Beugung und Absorption spielen.
Fehleranalyse: Eine Schülerin behauptet: „Gammastrahlung ist schneller als Radiowellen, weil sie mehr Energie besitzt.“ Widerlege die Aussage mithilfe geeigneter physikalischer Zusammenhänge.
Anwendungsanalyse: Erkläre am Beispiel einer Wärmebildkamera, wie Quelle, Ausbreitung, Wechselwirkung mit Materie und Detektor zusammenwirken.
Risikobewertung: Bewerte die Aussage „Nichtionisierende Strahlung ist immer ungefährlich“. Berücksichtige Intensität, Einwirkdauer und biologische Wirkung.
Transferrechnung: Berechne die Frequenz einer elektromagnetischen Welle mit einer vorgegebenen Wellenlänge und ordne sie anschließend begründet einem Spektralbereich zu.

Lernnachweis

Für einen gelungenen Lernnachweis solltest Du:

den Aufbau einer elektromagnetischen Welle mit elektrischem Feld, magnetischem Feld und Ausbreitungsrichtung korrekt darstellen,
die Größen Frequenz, Wellenlänge, Periodendauer und Ausbreitungsgeschwindigkeit erklären,
die Formel $c = λ \cdot f$ sicher umstellen und mit passenden Einheiten anwenden,
die wichtigsten Bereiche des elektromagnetischen Spektrums in richtiger Reihenfolge einordnen,
mindestens drei Wellenphänomene an Beispielen erklären,
Anwendungen und Risiken sachlich abwägen und geeignete Schutzmaßnahmen begründen.

OERs zum Thema

Verknüpfte Lernbereiche

Elektromagnetische Wellen - Physik

aiMOOC-Projekte

Schulfach+

Prüfungsliteratur 2026
Bundesland	Bücher	Kurzbeschreibung
Baden-Württemberg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Mittlere Reife Der Markisenmann - Jan Weiler oder Als die Welt uns gehörte - Liz Kessler Ein Schatten wie ein Leopard - Myron Levoy oder Pampa Blues - Rolf Lappert	Abitur Dorfrichter-Komödie über Wahrheit/Schuld; Roman über einen Ort und deutsche Geschichte. Mittlere Reife Wahllektüren (Roadtrip-Vater-Sohn / Jugendroman im NS-Kontext / Coming-of-age / Provinzroman).
Bayern	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Lustspiel über Machtmissbrauch und Recht; Roman als Zeitschnitt deutscher Geschichte an einem Haus/Grundstück.
Berlin/Brandenburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Der Biberpelz - Gerhart Hauptmann Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Gerichtskomödie; soziales Drama um Ausbeutung/Armut; Komödie/Satire um Diebstahl und Obrigkeit; Roman über Erinnerungsräume und Umbrüche.
Bremen	Abitur Nach Mitternacht - Irmgard Keun Mario und der Zauberer - Thomas Mann Emilia Galotti - Gotthold Ephraim Lessing oder Miss Sara Sampson - Gotthold Ephraim Lessing	Abitur Roman in der NS-Zeit (Alltag, Anpassung, Angst); Novelle über Verführung/Massenpsychologie; bürgerliche Trauerspiele (Moral, Macht, Stand).
Hamburg	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun	Abitur Justiz-/Machtkritik als Komödie; Großstadtroman der Weimarer Zeit (Rollenbilder, Aufstiegsträume, soziale Realität).
Hessen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Prozess - Franz Kafka	Abitur Gerichtskomödie; Fragmentdrama über Gewalt/Entmenschlichung; Erinnerungsroman über deutsche Brüche; moderner Roman über Schuld, Macht und Bürokratie.
Niedersachsen	Abitur Der zerbrochene Krug - Heinrich von Kleist Das kunstseidene Mädchen - Irmgard Keun Die Marquise von O. - Heinrich von Kleist Über das Marionettentheater - Heinrich von Kleist	Abitur Schwerpunkt auf Drama/Roman sowie Kleist-Prosatext und Essay (Ehre, Gewalt, Unschuld; Ästhetik/„Anmut“).
Nordrhein-Westfalen	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Komödie über Wahrheit und Autorität; Roman als literarische „Geschichtsschichtung“ an einem Ort.
Saarland	Abitur Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Furor - Lutz Hübner und Sarah Nemitz Bahnwärter Thiel - Gerhart Hauptmann	Abitur Erinnerungsroman an einem Ort; zeitgenössisches Drama über Eskalation/Populismus; naturalistische Novelle (Pflicht/Überforderung/Abgrund).
Sachsen (berufliches Gymnasium)	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Woyzeck - Georg Büchner Irrungen, Wirrungen - Theodor Fontane Der gute Mensch von Sezuan - Bertolt Brecht Heimsuchung - Jenny Erpenbeck Der Trafikant - Robert Seethaler	Abitur Mischung aus Klassiker-Drama, sozialem Drama, realistischem Roman, epischem Theater und Gegenwarts-/Erinnerungsroman; zusätzlich Coming-of-age im historischen Kontext.
Sachsen-Anhalt	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Themenfelder)	Abitur Schwerpunktsetzung über Themenfelder (u. a. Literatur um 1900; Sprache in politisch-gesellschaftlichen Kontexten), ohne feste Einzeltitel.
Schleswig-Holstein	Abitur Der zerbrochne Krug - Heinrich von Kleist Heimsuchung - Jenny Erpenbeck	Abitur Recht/Gerechtigkeit und historische Tiefenschichten eines Ortes – umgesetzt über Drama und Gegenwartsroman.
Thüringen	Abitur (keine fest benannte landesweite Pflichtlektüre veröffentlicht; Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool)	Abitur In der Praxis häufig Orientierung am gemeinsamen Aufgabenpool; landesweite Einzeltitel je nach Vorgabe/Handreichung nicht einheitlich ausgewiesen.
Mecklenburg-Vorpommern	Abitur (Quelle aktuell technisch nicht abrufbar; Beteiligung am gemeinsamen Aufgabenpool bekannt)	Abitur Land beteiligt sich am länderübergreifenden Aufgabenpool; konkrete, veröffentlichte Einzeltitel konnten hier nicht ausgelesen werden.
Rheinland-Pfalz	Abitur (keine landesweit einheitliche Pflichtlektüre; schulische Auswahl)	Abitur Keine landesweite Einheitsliste; Auswahl kann schul-/kursbezogen erfolgen.