Welle

Welle, Begriff für einen sich räumlich ausbreitenden Vorgang (z. B. eine Schwingung), bei dem Energie transportiert wird.

In der Physik versteht man unter dem Begriff „Welle” ebenfalls die einmalige bzw. periodisch wiederkehrende Störung von Teilchen eines Mediums oder die Störung physikalischer Felder – diese Felder können sich dabei in dem Medium oder auch im Vakuum befinden. So benötigen beispielsweise mechanische Wellen (z. B. Erdbeben- oder Meereswellen) ein Medium, während sich elektromagnetische Wellen (siehe elektromagnetische Strahlung, z. B. Licht) auch im Vakuum ausbreiten können.

Eine besondere Stellung nehmen so genannte Materiewellen ein. In diesem Zusammenhang gelang es im Oktober 1999 einem Forscherteam der Universität Wien, einen Materiestrahl aus Fullerenmolekülen (C₆₀) zu erzeugen, der an einem Beugungsgitter entsprechender Größe Interferenzerscheinungen hervorrief, also Eigenschaften einer Welle aufwies. Bei einem anderen Experiment gelang es Forschern Elektronenstrahlen mit Hilfe stehender Lichtwellen zu beugen. Siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus

Die einfachste Welle ist die so genannte Sinuswelle oder auch harmonische Welle. Bei ihr wiederholt sich die Auslenkung aus der Ruhelage räumlich und zeitlich in periodischen Abständen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen ist immer endlich. Man unterscheidet je nach Schwingungsrichtung in zwei Wellenarten: Longitudinal- und Transversalwellen. Wenn sich eine Welle aus nacheinander folgenden verdichteten und verdünnten Bereichen zusammensetzt (Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung sind parallel zueinander), so spricht man von einer Längs- oder Longitudinalwelle. Stehen Schwingungs- und Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander, so bezeichnet man diese Welle als Quer- bzw. Transversalwelle. Schallwellen sind z. B. longitudinale Wellen, während Wasser- oder Meereswellen Beispiele für transversale Wellen darstellen. Elektromagnetische Wellen können nur als transversale Wellen auftreten. Bei ihnen schwingen praktisch elektrische und magnetische Feldstärke (siehe Elektrizität; Magnetismus) innerhalb des felderfüllten Raumes, wobei die Felder bzw. die Feldvektoren senkrecht aufeinander stehen (siehe Optik).

Wellen entstehen durch Wechselwirkungen in schwingfähigen Systemen. Ausgangspunkt einer Welle ist das Wellenzentrum. Von hier breiten sich die Wellen zu allen Seiten hin aus. Die Wellenfläche oder -front bilden die Punkte des Raumes, die sich im gleichen Schwingungszustand befinden – man sagt, sie schwingen in Phase. Stellen die Wellenflächen dabei Ebenen, konzentrische Kugeln oder Zylinder dar, so spricht man von ebenen Wellen (Planwellen), Kugelwellen oder Zylinderwellen. Als Wellennormale bezeichnet man die Senkrechten auf den Wellenflächen.

Wellen werden üblicherweise durch die Wellenlänge (λ), Wellenzahl (1/λ), Frequenz (u), Ausbreitungsgeschwindigkeit (c) und durch die Amplitude (A) bestimmt. Die Wellenlänge λ ist der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Punkten einer Welle, die in Phase schwingen – also zu ein und derselben Zeit den gleichen Schwingungszustand besitzen. Die Wellenzahl 1/λ ist der Kehrwert der Wellenlänge. Diese Zahl beschreibt praktisch die Anzahl ganzer Wellen pro Längeneinheit. Die Frequenz u gibt die Anzahl der in gleicher Phase befindlichen Wellenflächen pro Sekunde an. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle vom Wellenzentrum aus in einem Medium bzw. im Vakuum fortpflanzt. So beträgt beispielsweise die Schallgeschwindigkeit bei Normaldruck (1 bar) und einer Temperatur von 0 °C in Luft 331 Meter pro Sekunde (siehe Schall). Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum liegt etwa bei 300 000 Kilometern pro Sekunde (siehe Licht). Unter dem Begriff Amplitude A (auch Schwingungsbauch) versteht man die Schwingungsweite, also den maximal erreichten Abstand von der Mittellage. Dabei bezeichnet man die Bereiche positiver Auslenkung als Wellenberge, die Stellen negativer Auslenkung sind die Wellentäler. Weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit auch die Geschwindigkeit wiedergibt, mit der sich bestimmte Schwingungsphasen ausbreiten, bezeichnet man sie auch als Phasengeschwindigkeit.

Pflanzt sich eine Welle durch ein Medium fort, geht die von ihr transportierte Energie durch Absorption an das Medium verloren. In diesem Falle spricht man von einer Dämpfung, die praktisch immer dann auftritt, wenn Wellen sich in Medien ausbreiten. Bei so genannten stehenden Wellen liegen die entsprechenden Amplituden immer auf der gleichen räumlichen Position. Fortschreitende Wellen entstehen, wenn sich z. B. zwei ebene Sinuswellen überlagern, die die gleiche Amplitude und Frequenz, aber entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung besitzen. Bei allen Wellenarten lassen sich physikalische Phänomene, wie z. B. Beugung, Brechung, Reflexion, Polarisation oder Interferenz beobachten (siehe Röntgenstrahlung; Atom).