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Forum: HF, Funk und Felder EM-welle: E und M in Phase, wieso?


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Autor: funkloch (Gast)
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Hallo Freunde der hohen Frequenz ;)

Mich wurmt seit einiger Zeit schon die Frage, wieso den im Fernfeld 
einer Antenne die elektrische und magnetische Komponente in Phase sind. 
Ich würde das gerne anschaulich verstehen, Formeln beschreiben es nur.

Guckt man sich das Nahfeld an, ist noch alles in Ordnung, die Felder 
wechseln sich ab.

Wenn sie jetzt im Fernfeld in Phase sind, woher kommt die Verschiebung? 
(vorher 90° nachher 0°)

Wenn beide Komponenten (im Fernfeld) in Phase sind, wie ist das mit der 
Energieerhaltung zu vereinbaren? Da gibt es stellen wo doppelte Energie 
da ist und Stellen, wo grade keine ist.

Laut Maxwell führt eine zeitliche Änderung des magnetischen Feldes zu 
einem elektrischem Feld, und umgekehrt. Bei einer EM-welle halten sich 
doch E und M Felder gegenseitig am Leben (E:max M:0 -> E:0 M:max -> 
E:-max M:0 -> E:0 M:-max) ?

Hoffe ihr könnt mir da ein bisschen auf die Sprünge helfen ;)

Autor: Name H. (hacky)
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Die beiden Feldkomponenten sind natuerlich auch im Fernfeld 
phasenverschoben. An einem Punkt ist das eine Feld jeweils die Ableitung 
des Anderen.

Autor: funkloch (Gast)
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Wie passt dann diese Aussage aus Wikipedia dazu?

>Insbesondere verschwinden elektrisches und magnetisches Feld an denselben
>Orten zur selben Zeit, so dass die häufig gelesene Darstellung, dass sich
>elektrische und magnetische Energie zyklisch ineinander umwandeln, im
>Fernfeld nicht richtig ist. Sie stimmt allerdings zum Beispiel für das
>Nahfeld eines elektromagnetische Wellen erzeugenden elektrischen Dipols oder
>Schwingkreises.

(http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Welle#Wellencharakter)

Dieser Teil war auch was mich auf diese Zwickmühle brachte, bis dahin 
dachte ich auch die Felder würden sich ständig ineinander umwandeln.

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne) Benutzerseite
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ev. hilft das weiter? Seite 207
ich halte es jedenfalls für seriöser als wikipedia

http://www.physik.uni-kassel.de/exp2/vorlesungen/Exp-Ph-II/Elektromagnetische-Wellen.pdf

Autor: Lasse S. (cowz) Benutzerseite
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Ja, die PDF beschreibt das ganz gut eigentlich.

Man könnte noch dazu sagen, dass sich das Feld nicht entscheidet, ob es 
jetzt gerade "nah" oder "fern" ist. Überall existieren die Fernfeld- und 
Nahfeld-Teile der EM-Welle. Nur dominiert in der Nähe der Antenne das 
Nahfeld und weiter entfernt dominiert das Fernfeld.

Es gibt also auch in der Nähe der Antenne Teile der Welle, die in Phase 
zueinander sind.


Noch was anschauliches: Wenn die E- und H-Komponenten nicht irgendwann 
in Phase wären, könnte keine Energie übertragen werden.

Autor: waveguide (Gast)
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Lasse S. schrieb:
> Nur dominiert in der Nähe der Antenne das
> Nahfeld und weiter entfernt dominiert das Fernfeld.

Eigentlich müsste es heißen: Wenn die Entfernung von der Antenne 
wesentlich größer ist als die Abmessung der Antenne, dann spricht man 
vom Fernfeld. Dann ist die Fraunhofer Näherung zulässig.

Autor: Der Wisch (Gast)
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waveguide schrieb:

Eigentlich müsste es heißen: Wenn die Entfernung von der Antenne
wesentlich größer ist als die Abmessung der Antenne, dann spricht man
vom Fernfeld. Dann ist die Fraunhofer Näherung zulässig.

---Genau so ist es richtig!---

Autor: Wolfgang Horn (Gast)
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Hi, lasse,

ich freue mich über die präzisen Gedanken von "funkloch".

Natur- und Ingenieurwissenschaft beruhen nicht auf dem Auswendigbüffeln 
von Vokabeln und Formeln, sondern durch Anwendung der Frage "wie 
funktioniert das?"

Hier ist gerade wieder mal die Frage geklärt worden: "Wie erzeugt ein 
elektrisches Wechselfeld ein magnetisches und umgekehrt?" - die Lösung 
hat Maxwell phantastisch formuliert.

> Man könnte noch dazu sagen, dass sich das Feld nicht entscheidet, ob..
Ganz gewiss. Das tut es so gewiss nicht, wie die Frage "wie entscheidet 
es sich denn?" nicht beantwortet werden kann.

> Überall existieren die Fernfeld- und
> Nahfeld-Teile der EM-Welle.
Jain.
Ja: Die sind zu messen, das ja.#
Nein: Sie existieren gar nicht. Sondern an jedem beliebigen Punkt im 
Raum, wo immer wir unsere Messantenne hinstellen, erleben wir eine 
wechselnde Momentanspannung, die sich aus der Überlagerung der 
Kugelwellen aller Strahler ergibt, wobei die Kugelwellen gebeugt und 
reflektiert wurden.

Präzise gedacht, ist die Bezeichnung "die Nordseewelle" sogar dann 
falsch, wenn sie uns beim Baden gerade umgehauen hat.
Denn tatsächlich finden wir an ihrer Stelle nur Wassermoleküle und 
Fremdmaterial, die auf offener See eine mehr eine ortsfeste Art 
elliptischer Bewegung machen.
Was uns umgehauen hat, das waren die Wassermoleküle mit ihrem Druck.

Zurück zur Funkwelle von "funkloch": Da ist kein magnetisches Feld in 
Phase mit einem elektrischen. Wir messen nur magnetischen Fluss und 
Spannung in einer Verteilung so, wie wir unsere Messantenne gegenüber 
der Sendeantenne bewegen.

Ciao
Wolfgang Horn

Autor: funkloch (Gast)
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Wolfgang Horn schrieb:
> Zurück zur Funkwelle von "funkloch": Da ist kein magnetisches Feld in
> Phase mit einem elektrischen. Wir messen nur magnetischen Fluss und
> Spannung in einer Verteilung so, wie wir unsere Messantenne gegenüber
> der Sendeantenne bewegen.

Also sind sie 90° außer Phase (und zusätzlich noch 90° räumlich 
gedreht)?

Bisher hab ich mir die Felder immer als "Ringe" vorgestellt, angenommen, 
wir haben einen Feld-"Ring" (willkürlich als elektrisch Komponente 
gewählt), welcher beim zusammenbrechen senkrecht zu sich ein Magnetfeld 
erzeugt, welches in sich geschlossen ist, und damit wieder ein "Ring". 
Sobald die gesamte Energie im Magnetfeld steckt, bricht dieses ebenfalls 
wieder zusammen und erzeugt in Ausbreitungsrichtung der Welle ein 
weiteres Elektrisches Feld.
So oszilliert das ganze Gebilde dann.

Dieses Modell, sofern richtig, hätte den Vorteil, dass die Energie immer 
konstant ist, da sin²(x) + cos²(x) = 1
Außerdem währen elektrisches und magnetisches Feld jeweils die 
Ableitungen voneinander, also prinzipiell vereinbar mit den 
Maxwell-Gleichungen.

Wieso würde das so nicht funktionieren?

Wenn beide Komponenten in Phase sind und wir die Welle mal als Teilchen, 
also Photon betrachten: Was passiert wenn das Photon grade das Pech hat, 
im "Nulldurchgang" der beiden Felder auf ein Hindernis zu knallen? zum 
Zeitpunkt der Kollision waren beide Felder 0, wo ist die Energie 
geblieben?

Und noch etwas ;)

Was oszilliert da in dem Photon? Die Welle hat ja verschiedene Zustände 
und nach jeweils einer Periode ist der Ausgangszustand wieder erreicht. 
Gibt es dafür eine vergleichbare sich zeitlich ändernde Größe beim 
Photon?

Oder ist das Photon wirklich nur ein Modell und kein echtes Teilchen?

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne) Benutzerseite
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funkloch schrieb:
> Oder ist das Photon wirklich nur ein Modell und kein echtes Teilchen?

ist es sie

siehe
Teilchen-Wellen-Dualismus von Licht

zitat: http://www.physik.wissenstexte.de/unschaerfe_II.htm


Welle-Teilchen-Dualismus

Tatsächlich ist Licht beides – Welle und Teilchen, denn Photonen sind 
quantenmechanische Objekte. Man nennt diese Eigenschaft, sowohl Welle als 
auch Teilchen zu sein, Welle-Teilchen-Dualismus. Dabei bedeutet „sowohl – 
als auch“ genau das: Das Objekt ist beides gleichzeitig. Je nachdem, 
welche seiner Eigenschaften man misst, zeigt es sich mehr als Teilchen 
oder mehr als Welle. Die Beschreibungen bestimmter Phänomene im Wellen- 
oder im Teilchenbild sind immer nur Vereinfachungen, um es unserer 
Anschauung leichter zu machten. 
Im Prinzip betrifft dies alle Objekte – nur sind bei makroskopischen 
Objekten, die Wellenlängen so klein, dass man deren Welleneigenschaften 
vernachlässigen kann und beispielsweise einen Schrank oder einen 
Kieselstein als reines Teilchen betrachten kann.

Autor: Matthias (Gast)
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BTW: Strahlungsdiagramme von Antennen werden oft im Nahfeldbereich 
gemessen und anschließend wird aus dem erhaltenen Ergebnis das Verhalten 
im Fernfeld berechnet. Wer das kann, hat's kapiert ;-) Ist nämlich alles 
andere als trivial.

Autor: funkloch (Gast)
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http://www.physik.uni-kl.de/ziegler/Skripte/Exphys-BC-11.pdf

Seite 168:
Die Skizze oben sieht so aus wie ich es vermutet hab, allerdings steht 
drunter:
"E – und B-Feld sind im Fernfeld in Phase"

Was ist den jetzt richtig? Das ganze wird immer verwirrender, je nach 
Quelle ist es mal so oder mal so :/

Autor: Winfried J. (Firma: Nisch-Aufzüge) (winne) Benutzerseite
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Deine Eingangsfrage zum Posting wird auf Seite 167  genau erklärt und 
löst die Die widersprüche zwischen Fern und Nahfeld auf erklärt.

Autor: Name H. (hacky)
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>http://www.physik.uni-kl.de/ziegler/Skripte/Exphys-BC-11.pdf

Dieses skript ist auch nicht so korrekt. Siehe Seite 170 :
Da es sich um eine Art der Energieausbreitung handelt wird die Strahlung 
mit zunehmendem Abstand gedaempft.

Es ist eher so, dass die Energie erhalten bleibt. Da die 
Querschnittflaeche mit R^2 zunimmt, nimmt die Energiedichte um 1/R^2 ab. 
Da ist nichts mit Daempfung.

Zu Seite 168: Man beachte fuer den besprochenen Punkt gilt : Das 
Magnetfeld geht hindurch, das E Feld geht aber drum herum. Oder Das 
E-Feld geht durch den Punkt, und das H-Feld geht drum herum.

Autor: Plasmon (Gast)
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funkloch schrieb:
> Seite 168:
> Die Skizze oben sieht so aus wie ich es vermutet hab, allerdings steht
> drunter: "E– und B-Feld sind im Fernfeld in Phase"

Zunächst einmal: Bei der einfachsten Lösung der Maxwell-Gleichungen, 
nämlich der homogenen ebenen Welle, sind E und B phasengleich, wenn das 
Medium verlustfrei ist. Für eine sich in Luft ausbreitende Welle ist 
dieser Zustand eine sehr gute Näherung, wenn man sich weit genug 
entfernt vom Sender befindet.

Die Widersprüche, in die du hineinläufst, entstehen genau durch eine 
immer wiederholte aber falsche Interpretation der Maxwell-Gleichungen. 
Das von dir angeschleppte Bild von E-B-Kette ist der größte Müll, der in 
EM-Büchern verzapft wird und er ist auch nicht auszurotten. Ich kenne 
keinen voranschreitenden Wellentyp, weder im Freiraum noch in 
Wellenleitern, der so aussieht, wie dort gezeichnet. Ein schönes 
Beispiel einer Veranschaulichung, die voll in die Hose geht. Das Bild 
hat noch mehr Probleme: Wenn diese wechselseitige Erzeugung von und E 
und B der Mechanismus ist, wieso geht die Ausbreitung dann nur in eine 
Richtung voran? Jeder dieser E- und B-Ringe müsste doch eine Welle 
erzeugen, die von allen Richtungen auf seinem Umfang wegläuft. Warum 
denn nur in eine?

Die beiden Felder E und B erzeugen sich nicht gegenseitig und es gibt 
auch keinen inneren Mechanismus, der eine EM-Welle vorantreibt. Warum 
fragt man eigentlich immer danach? Bei der Bewegung von Körpern fragt 
man doch auch nicht nach inneren Ursachen.

Sehr schön und sauber herausgearbeitet und begründet durch die 
retardierten Lösungen der Maxwell-Gleichungen ist das in: Kröger, 
Unbehauen: Technische Elektrodynamik. 3. Auflage, 1993, Teubner, 
Stuttgart. Von dort zitiere ich jetzt nicht wörtlich, übernehme aber die 
eine oder andere Formulierung.

Magnetische Felder werden von Strömen erzeugt, elektrische Felder werden 
von Ladungen und von zeitveränderlichen Strömen erzeugt. Von diesen 
Quellen breiten sich E und B gemeinsam aus und bilden eine 
raum-zeitliche Einheit, die zu jeder Zeit und an jeder Stelle die 
Maxwell-Gleichungen erfüllt. Die Terme dE/dt und dB/dt zählen nicht zu 
den physikalischen Ursachen der Felder. Nur dadurch, dass man die 
Ortsableitungen in den Operatoren in div und rot zusammenfasst, stehen 
eben die Zeitableitungen alleine da. Dadurch sieht es so aus, als ob sie 
etwas besonderes wären.

Besonders bei der Integralform der Maxwell-Gleichungen sieht man, dass 
die Felder im inneren einer Fläche nicht die physikalische Ursache der 
Felder am Rand der Fläche sein können, weil eine räumlich entfernte 
Wirkung nicht momentan auftreten kann. Die Integralgleichungen sind aber 
zu einem festen Zeitpunkt zu nehmen, egal wie groß die Fläche ist.

Also, richtig ist: E und B erzeugen sich nicht gegenseitig. Sie haben 
ihre Ursache in Ladungen und Strömen. Von dort breiten sie sich 
gemeinsam aus und sind immer und überall so miteinander verknüpft, dass 
sie die Maxwell-Gleichungen erfüllen. Die eigentliche Ursache für diese 
Beziehung ist, dass Ladungen und Ströme nicht unabhängig sind 
voneinander sondern die Kontinuitätsgleichung erfüllen müssen.

Man könnte das B-Feld übrigens auch ganz weglassen, wenn man nur mit dem 
elektrischen Feld arbeitet, die entstehende Kraft auf Ladungen aber 
korrekt Lorentz-transformiert, wenn sich Ladungen relativ zueinandner 
bewegen. Man käme auf die gleichen Kräfte wie wenn man elektrische Kraft 
und Lorentz-Kraft q(v x B) zusammennimmt. Das B-Feld modelliert genau 
den Anteil, der sich durch die Lorentz-Transformation ergäbe. Das B-Feld 
ist daher nur ein nützliches Werkzeug, das die Mathematik vereinfacht. 
Unbedingt brauchen tut man es nicht.

Brauchbare Elektrodynamik-Bücher sind: Kröger/Unbehauen, 
Landau/Lifschitz und der Jackson. Die meisten anderen 
Möchtegern-Didaktiker erzählen genau den Mist, über den du jetzt 
stolperst.

Autor: waveguide (Gast)
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Plasmon schrieb:
> Brauchbare Elektrodynamik-Bücher sind: Kröger/Unbehauen,
> Landau/Lifschitz und der Jackson.

Der Lehner ist auch noch gut.

Autor: Plasmon (Gast)
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waveguide schrieb:
> Der Lehner ist auch noch gut.

Ich hab hier den Lehner von 1990 und dort ist auf S. 35 genau das 
gleiche Bild von den mit E und B beschrifteten Kettengliedern und er 
schreibt: "Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches 
Wirbelfeld. Dieses ist selbst zeitlich veränderlich und erzeugt dadurch 
ein elektrisches Wirbelfeld etc. Das ist der Mechanismus der Entstehung 
und Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen, ..."

Richtiger wäre: "Ein sich änderndes elektrisches Feld ist von einem 
magnetischen Wirbelfeld begleitet und umgekehrt." Sie sind nicht ihre 
gegenseitigen physikalischen Ursachen und die Anschauung, dass es sich 
hierbei um den "Vortriebsmechanismus" einer EM-Welle handele, ist nicht 
sehr leistungsfähig und man trifft schnell auf ihre Grenzen.

Autor: Name H. (hacky)
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Die Falschaussage der Graphic Seite 168 oben ist einfach. Die beiden 
B-Feldkringel sind zusammen wellenlaenge-lang und daher nicht instantan.

Autor: funkloch (Gast)
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Okay, das Argument mit der Ausbreitungsrichtung ist gut. Während ich mir 
das ganze durch den Kopf habe gehen lassen, kam mir noch eine Frage. 
Wenn man nach QED danach ausgeht, dass die Felder durch virtuelle 
Photonen vermittelt werden, wie sähe soetwas dann aus?

Kann man dieses Modell hier überhaupt anwenden? Eine einzelne Ladung 
scheint diese Teilchen in alle Raumrichtungen zu emittieren, wie sieht 
es aber mit einem in sich geschlossenem Wirbelfeld aus?

Freut mich übrigens, dass ich nicht der einzige bin dem dieser Irrtum 
mit der Verkettung unterlaufen ist ;)

Autor: James Clerk (Gast)
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Plasmon schrieb:
> Die Widersprüche, in die du hineinläufst, entstehen genau durch eine
> immer wiederholte aber falsche Interpretation der Maxwell-Gleichungen.
> Das von dir angeschleppte Bild von E-B-Kette ist der größte Müll, der in
> EM-Büchern verzapft wird und er ist auch nicht auszurotten. Ich kenne
> keinen voranschreitenden Wellentyp, weder im Freiraum noch in
> Wellenleitern, der so aussieht, wie dort gezeichnet. Ein schönes
> Beispiel einer Veranschaulichung, die voll in die Hose geht. Das Bild
> hat noch mehr Probleme: Wenn diese wechselseitige Erzeugung von und E
> und B der Mechanismus ist, wieso geht die Ausbreitung dann nur in eine
> Richtung voran? Jeder dieser E- und B-Ringe müsste doch eine Welle
> erzeugen, die von allen Richtungen auf seinem Umfang wegläuft. Warum
> denn nur in eine?

Wenn das elektrische Feld und das magnetische Feld sich nicht 
gegenseitig beeinflussen, wie erklärst du dann nach deinem Modell das 
Induktionsprinzip?

Plasmon schrieb:
> Das Bild
> hat noch mehr Probleme: Wenn diese wechselseitige Erzeugung von und E
> und B der Mechanismus ist, wieso geht die Ausbreitung dann nur in eine
> Richtung voran? Jeder dieser E- und B-Ringe müsste doch eine Welle
> erzeugen, die von allen Richtungen auf seinem Umfang wegläuft. Warum
> denn nur in eine?

Die Ausbreitungsrichtung wird durch einen Vektor festgelegt.

Autor: BB84 (Gast)
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... Und der pointing Vektor ist das kreuzprodukt aus e und b Feld 
Vektor, womit e und b phasengleich wären.

... Und das Prinzip induktion bezieht sich dann sicherlich nichtmetrisch 
auf ein verlustfreies Medium.

Autor: mse2 (Gast)
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...dass der Thread drei Jahre alt ist, ist Euch aber schon 
aufgefallen?!??!...

Autor: Assemblerer (Gast)
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mse2 schrieb:
> ...dass der Thread drei Jahre alt ist, ist Euch aber schon
> aufgefallen?!??!...

Naund?

Autor: Bernd H. (bernd_h323)
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Ich denke ich kann die Problematik endlich aufklären:

Das B-Feld ist nur sowas wie ein "Bezugssystem mit Bezugsgröße" für eine 
relativistische Änderung elektrischer Felder. Der Effekt der 
elektromagnetischen Induktion ist also im Sinne der Kausalität Unsinn. 
Die Änderung des B-Feldes und das damit verbundene elektrische 
Wirbelfeld treten GLEICHZEITIG auf.

Ergo ist das B-Feld eine Hilfsgröße. Eine Umschreibung für diesen 
Effekt.

Somit gibt es eigenlich auch keine Induktion im kausalen Sinne. Die 
"innere Mechanik" der Fortbewegung ist also, wie von Plasmon bereits 
beschrieben, unbekannt und nicht in der gegenseitigen Erzeugung von B 
und E zu sehen.

Die Induktion bei lokaler Umwandlung von magnetischer in elektrische 
Energie und umgekehrt, hat natürlich phasenverschobene Feldanteile. 
Sonst würde sich da nichts wandeln. Aber das sind letztlich auch nur 
zeitlich verschobene Ereignisse, getrennt durch die unterschiedlichen 
Geschwindigkeiten zweier verbundener Energiespeicher. Ursächlich ist 
letztlich die Trägheit der Energie und die Begrenztheit der 
Lichtgeschwindigkeit.

Im Fernfeld braucht es diesen Mechanismus nicht mehr. Hier überlagern 
sich die Feldanteile so, dass E und B in Phase sind. Bzw. E und E'. zu 
jeder Zeit.

Die Maxwellgleichungen beschreiben das nur sehr schön und sind nur eine 
Rechenhilfe.

EM-Interaktionen haben m.E. nach keine Kausalität. Könnte ein Hinweis 
auf Determinismus im Universum sein. Ohne Bezugssysteme gibt es diese 
Berechnungen nicht und nackte Bezugssysteme sind Unsinn. Sie bilden nur 
Mathematik auf Realität ab und dienen der Berechnung. Warum etwas "real" 
geschieht, ist unklar und wird durch die Physik niemals erklärt.

Ich kläre auch nach Jahren mal hier noch auf, da ich selbst einst nach 
einer Erklärung suchte und echte Mühe hatte.

Mfg. ein Ingenieur.

Beitrag #5988587 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5988824 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5989242 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Max (Gast)
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Bernd H. schrieb:
> dass E und B in Phase sind. Bzw. E und E'. zu
> jeder Zeit.

Heißt das nun dass E und B zur selben Zeit zu null werden um dann schier 
aus dem nichts wieder erscheinen?

Autor: M.A. S. (mse2)
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Max schrieb:
> Heißt das nun dass E und B zur selben Zeit zu null werden um dann schier
> aus dem nichts wieder erscheinen?

Im Fernfeld sind E und B zur selben Zeit (und am selben Ort!) 
gleichzeitig Null. Sie erscheinen aber nicht 'aus dem nichts' wieder, 
denn Null sind sie nur an einzelnen Punkten. Im (beliebig eng) 
benachbarten Raumbereich sind sie beide ungleich Null.

Beitrag #5999005 wurde von einem Moderator gelöscht.
Beitrag #5999018 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Max (Gast)
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M.A. S. schrieb:
> Im Fernfeld sind E und B zur selben Zeit (und am selben Ort!)
> gleichzeitig Null. Sie erscheinen aber nicht 'aus dem nichts' wieder,
> denn Null sind sie nur an einzelnen Punkten. Im (beliebig eng)
> benachbarten Raumbereich sind sie beide ungleich Null.

Danke für die Antwort!

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