Aufgaben: Elektromagnetische Wellen und Lichtleiter

Ordne die folgenden vier Beispiele für elektromagnetische Wellen nach steigender Frequenz: Radiowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung, Mikrowellen.

Elektromagnetische Wellen breiten sich im Vakuum mit der Lichtgeschwindigkeit $c = 3 \cdot 10^8\,\text{m/s}$ aus.

1. a) Wie weit kommt eine solche Welle in $2\,\text{s}$?
2. b) Brauchen elektromagnetische Wellen ein Medium zur Ausbreitung? Begründe kurz.

Erkläre, wie ein Lichtleiter (Glasfaser) ein Lichtsignal von einem Ende zum anderen leitet. Verwende den Begriff Totalreflexion.

Ein UKW-Sender in Köln sendet mit der Frequenz $f = 100\,\text{MHz}$. Verwende $c = 3 \cdot 10^8\,\text{m/s}$ und die Beziehung $c = \lambda \cdot f$.

1. a) Berechne die Wellenlänge.
2. b) Ein WLAN-Router sendet mit $f = 2{,}4\,\text{GHz}$. Berechne auch hier die Wellenlänge.

Ein Datensignal läuft durch ein Glasfaserkabel von Düsseldorf nach Essen, Länge $s = 36\,\text{km}$. Die Signalgeschwindigkeit in der Faser beträgt etwa $2 \cdot 10^8\,\text{m/s}$.

1. a) Berechne die Laufzeit des Signals.
2. b) Nenne zwei Vorteile von Glasfaserkabeln gegenüber Kupferkabeln.

Ordne den Anwendungen den passenden Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu und begründe kurz: Fernbedienung des Fernsehers, Mikrowellenherd, Röntgenaufnahme beim Arzt, Handy-Mobilfunk, Sonnenbrand.

Beim Eintritt in einen Lichtleiter muss das Licht unter einem hinreichend flachen Winkel auf die Grenzfläche zwischen Kern und Mantel treffen.

1. a) Erkläre, warum an dieser Grenzfläche Totalreflexion auftritt und unter welchen Bedingungen.
2. b) Begründe, warum ein stark geknicktes Glasfaserkabel Signal verlieren kann.
3. c) Erkläre, warum Lichtsignale im Glasfaserkabel nicht durch äußere elektromagnetische Störfelder (z. B. neben einer Hochspannungsleitung) beeinflusst werden.

Ein Mobilfunkmast sendet mit $f = 900\,\text{MHz}$, ein anderer mit $f = 2{,}6\,\text{GHz}$. Mit $c = 3 \cdot 10^8\,\text{m/s}$:

1. a) Berechne beide Wellenlängen.
2. b) Hochfrequente Wellen werden von Hauswänden stärker abgeschirmt. Beurteile, welcher Frequenzbereich für die Versorgung im Inneren von Gebäuden in einer Kleinstadt günstiger ist, und welcher für hohe Datenraten.

Ein Signal wird über eine Satellitenverbindung gesendet. Der Satellit steht in $h = 36.000\,\text{km}$ Höhe senkrecht über dem Sender, der Empfänger steht direkt neben dem Sender.

1. a) Berechne die Zeit, die das Signal von Sender über den Satelliten zum Empfänger benötigt ($c = 3 \cdot 10^8\,\text{m/s}$).
2. b) Erkläre, warum bei Telefongesprächen über Satelliten eine merkliche Verzögerung auftritt, bei einem Glasfaserkabel über $500\,\text{km}$ aber kaum.