Mit den ersten beiden Sendungen zur Schwingungslehre wurden die Voraussetzungen geschaffen, um den Übergang von isolierten Schwingungen zu Ketten von gekoppelten Einzelschwingungen zu vollziehen. Nach bewährtem Muster werden nun wichtige Erkenntnisse mit Beispielen aus der Mechanik entwickelt und dann auf elektromagnetische Schwingungen und Wellen übertragen. Die Sendung gliedert sich in folgende Abschnitte:
Der Begriff "Welle" lässt sich mit Wasserwellen besonders gut
veranschaulichen. In einem Schwimmbad startet eine Wellenmaschine parallel
laufende Wellen, die sich mit einer Geschwindigkeit von einigen Metern
pro Sekunde ausbreiten. Im tiefen Wasser schaukeln die schwimmenden Badegäste
nur auf und ab und ein wenig vor und zurück. Dies entspricht der physikalischen
Vorstellung von einer Wellenausbreitung - die Teilchen selbst breiten sich nicht
aus, nur der Schwingungszustand. Nach dieser Festlegung sind die Brandungswellen
im flachen Auslauf ein Gegenbeispiel!
Ein anderes Beispiel: Die
Schwingung einer Stimmgabel überträgt sich zunächst auf das Luftvolumen im
Resonanzkörper. Von dort breitet sich eine Schallwelle aus, die einen anderen
Resonanzkörper mit einer gleichen Stimmgabel zu Schwingungen anregen kann. Der
Begriff Resonanz erinnert daran, dass die Eigenfrequenzen der beiden Stimmgabeln
übereinstimmen müssen. Eine Metallschiene mit vielen magnetischen Rollen liefert einen schönen Modellversuch zu
dieser Schallausbreitung: Die Schwingung der ersten Rolle regt nacheinander
weitere Rollen zu Schwingungen an und so entsteht insgesamt der Eindruck einer
Wellenausbreitung. Man spricht hier von einer "longitudinalen" Welle, weil die
Schwingungsstrecke der Rollen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle liegt.
Bei Schwingungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung spricht man von
"transversalen" Wellen. In festen Materialien breitet sich Schall in longitudinalen und in
transversalen Wellen aus und zwar viel schneller als in Luft.
Zur
Abgrenzung der physikalischen Definition einer Welle wird ein weiteres
Gegenbeispiel gezeigt: Einige Schifahrer schwingen in einer Buckelpiste wie die Teilchen einer transversalen Welle hin und
her, aber sie haben dabei auch selbst eine effektive Fortbewegung. Bei einer
Welle dagegen darf sich nur der Schwingungszustand, die sogenannte Phase
ausbreiten.
Kreiswellen auf einer Wasseroberfläche sind ein schönes Beispiel
für eine Wellenausbreitung in zwei Dimensionen. In drei Dimensionen würde man
hier von "Kugelwellen" sprechen. Ein wichtiger Sonderfall sind "ebene" Wellen. Hier wird eine Welle längs einer Gerade oder
entsprechend der Wortbedeutung in einer Ebene erregt. Die Wellenausbreitung
einer Schraubenfeder kann als Schnitt durch eine zweidimensionale
ebene Welle verstanden werden. Da die Feder sehr weich ist, erhält man eine
langsame Ausbreitungsgeschwindigkeit bei großer Amplitude. Hier tritt der
Ausbreitungsmechanismus klar zutage: Jeder Einzelabschnitt ist zu einer
Schwingung senkrecht zur Federrichtung in der Lage. Diese Einzelschwingungen
sind durch die Feder untereinander "elastisch gekoppelt". Damit regt eine
Schwingung die nächste an mit einem zeitlichen Versatz, eben einer
Phasenverschiebung.
Eine "Wellenmaschine" ermöglicht quantitative Untersuchungen: Das
Produkt aus der einheitlichen Frequenz der Teilchenschwingungen und der Strecke
für eine komplette Periode, die Wellenlänge 
(sprich: "Lambda"), ist gleich der
Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese wird mit einem c abgekürzt. Sie kennen
diese Bezeichnung vielleicht schon für den Sonderfall der Lichtgeschwindigkeit.
In der Natur gibt es ein besonderes bedrohliches Beispiel für
mechanische Wellen, nämlich die Schockwellen von Erdbeben. In verschiedenen Entfernungen vom "Epizentrum" wird
die Welle verschieden spät registriert. So lässt sich die
Ausbreitungsgeschwindigkeit bestimmen.
Bevor beim elektrischen Schwingkreis der Übergang zur Welle vollzogen werden
kann, muss erst eine spezielle elektrische Schwingung besprochen werden: die
Dipolschwingung. Dazu wird der bekannte Schwingkreis in Schritten für immer höhere Frequenzen
entwickelt. Zunächst wählt man die Kapazität und die Induktivität sehr klein,
aber dies erhöht die Frequenz nach der Thomson-Formel nur langsam. Eine extreme
Verkleinerung der Kapazität und der Induktivität ergibt einen "halboffenen" Schwingkreis, in dem der Kondensator nur noch aus
zwei offenen Drahtenden und die Spule aus einer halben Windung besteht. Für die
hochfrequente elektromagnetische Schwingung kann zwar die Thomson-Formel nicht
mehr angewandt werden, aber die Schwingung lässt sich doch gut analog zum
klassischen Schwingkreis veranschaulichen: Abwechselnd sind das elektrische und
eine viertel Periode später das magnetische Feld maximal.
Wenn man den halboffenen
Schwingkreis aufbiegt, erhält man einen elektrischen Dipol. Dessen elektrische Schwingung verläuft
völlig analog zum halboffenen Schwingkreis. An den Enden findet man die Maxima
des hochfrequenten elektrischen Feldes, in der Mitte das Maximum des magnetischen Feldes. Für die Anregung der hochfrequenten
Schwingungen wurde in den beiden letzten Experimenten ein Messsender für etliche
hundert Megahertz verwendet.
Aufgrund der sehr großen Frequenz und der offenen Struktur eignen sich
Dipolschwingungen in natürlicher Weise dazu, in die Umgebung abzustrahlen. Der
dahinter steckende Mechanismus ist ganz schön kompliziert, er wird in einem Trick veranschaulicht: Bei maximalem elektrischen Feld löst sich
eine elektrische Ringstruktur ("Torus") radial in den Raum ab. In Begleitung
expandiert in der waagrechten Symmetrieebene ein magnetisches Feld. Nach einer
vollen Periode haben sich zwei elektrische Strukturen mit
gegenläufigem Umlauf und eine Schwingungsperiode des magnetischen Feldes
abgelöst. In einer größeren Entfernung vom Dipol kann eine elektromagnetische Welle einfacher veranschaulicht werden: Die
Welle breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus; Licht ist ebenfalls eine
elektromagnetische Welle, wie die nächste Sendung zeigen wird. Die elektrische
Welle und die magnetische Welle sind Transversalwellen, die Feldvektoren stehen
jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Das E-Feld und das
B-Feld sind zueinander ebenfalls senkrecht gerichtet. Bei Dipolantennen zeigen die Sendestangen die Ebene der elektrischen
Ausbreitung an, dies gilt auch für Satellitenantennen. Hier ist der Dipol
allerdings sehr klein und in einem Gehäuse verborgen, das an einem Arm vor einer
metallischen Parabolschüssel befestigt ist. Auch bei elektromagnetischen Wellen
gilt die Formel c = 
f. Damit kann für einen Sender
bekannter Frequenz leicht die Wellenlänge berechnet werden.
Zum Abschluss der Sendung
wird kurz auf die Modulation von Sendefrequenzen eingegangen. Besonders einfach
ist die Amplitudenmodulation zu verstehen, die z.B. bei
Mittelwellensendern von Radioprogrammen verwendet wird. Die Amplitude eine
Trägerwelle mit deutlich höherer Frequenz wird mit der viel kleineren Frequenz
eines Signals moduliert, das eine Information wie Sprache oder Musik enthält.
Diese Technik wird mit einem kleinen Messsender im Studio ausprobiert.