Zusammenhänge
Mit der Phasengeschwindigkeit
Über eine Fourier-Reihe kann man sich ein Wellenpaket als eine Überlagerung von Einzelwellen verschiedener Frequenzen vorstellen. Die Einzelwellen breiten sich jeweils mit einer bestimmten Phasengeschwindigkeit
aus, die angibt, mit welcher Geschwindigkeit sich Stellen konstanter Phase bewegen:
![{\displaystyle v_{\mathrm {p} }={\frac {\omega }{k))=\lambda \,f}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5277b54fbf370ff12cf37546dc8d8c7166359237)
mit
Durch Einsetzen von
in die Definition der Gruppengeschwindigkeit ergibt sich nach Anwenden der Produktregel die Rayleighsche Beziehung:
![{\displaystyle v_{\mathrm {g} }=v_{\mathrm {p} }+k{\frac {\mathrm {\partial } v_{\mathrm {p} )){\mathrm {\partial } k))}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b5c3c77dd715771faa170e130981618fd5c9461c)
Mit der Wellenlänge
lässt sie sich auch schreiben als:
![{\displaystyle v_{\mathrm {g} }=v_{\mathrm {p} }-\lambda {\frac {\mathrm {\partial } v_{\mathrm {p} )){\mathrm {\partial } \lambda ))}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/58d6bbf16ec46cdd3a0abe5d54a835821f17e54e)
Mit der Dispersion
Die Dispersionsrelation
beschreibt, wie
von
abhängt:
- ist
proportional zu
:
![{\displaystyle {\frac {\omega }{k))=v_{\mathrm {p} }={\text{konst.))}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a05b6661d876ae0971ab94797841d272ce385e43)
![{\displaystyle \Rightarrow {\frac {\partial v_{\mathrm {p} )){\partial k))={\frac {\partial v_{\mathrm {p} )){\partial \lambda ))=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1c1e731725101f82e12d6e067a2f5013dd024570)
- so ist die Gruppengeschwindigkeit identisch mit der Phasengeschwindigkeit:
![{\displaystyle \Rightarrow v_{\mathrm {p} }=v_{\mathrm {g} ))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6058ec1a7e3de9565464b95364b5cecd22a757f1)
- und die Form der Einhüllenden bleibt erhalten.
- Wenn
nicht proportional zu
ist:
![{\displaystyle {\frac {\omega }{k))=v_{\mathrm {p} }={\text{f))(f)\neq {\text{konst.))\Rightarrow v_{\mathrm {p} }\neq v_{\mathrm {g} ))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/cb5532dce8df318f98b4e8b33422c15cd1a6ea7c)
- liegt Dispersion vor. In diesem Fall verbreitert sich die Hüllkurve des Wellenpakets, während es sich ausbreitet, z. B. bei Signalen in Lichtwellenleitern.
Mit der Signalgeschwindigkeit
In praktisch verlustfreien Medien
Oft stellt man sich die Gruppengeschwindigkeit als die Signalgeschwindigkeit
vor, mit der das Wellenpaket Energie oder Information durch den Raum transportiert:
![{\displaystyle v_{\mathrm {s} }=v_{\mathrm {g} ))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/29a1696f8f67416ab6ec78dbd6c11b568fd955c7)
Dies stimmt in den meisten Fällen, und zwar immer dann, wenn Verluste vernachlässigt werden können:
In verlustbehafteten Medien
In verlustbehafteten Medien ist die Signalgeschwindigkeit nicht identisch der Gruppengeschwindigkeit:
![{\displaystyle v_{\mathrm {s} }\neq v_{\mathrm {g} ))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7e729f720fc9c19c0cd6abf6f49dd398cea85e76)
Bei Lichtpulsen in stark verlustbehafteten Medien kann die Phasengeschwindigkeit wesentlich größer sein als die Gruppengeschwindigkeit und sogar größer als die Lichtgeschwindigkeit
im Vakuum. Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit ist jedoch nicht möglich, da hierfür die Frontgeschwindigkeit entscheidend ist, die niemals Überlichtgeschwindigkeit erreichen kann:
![{\displaystyle v_{\mathrm {s} }=v_{\mathrm {f} }\leq c_{0))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f436aab6ccc6f73e37a44f202a3651c69fd9945)
Die Frontgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Wellenfronten (d. h. Flächen gleicher Amplitude) und Diskontinuitäten der Welle bewegen. Sie ist definiert als Grenzwert der Phasengeschwindigkeit für unendlich große Kreiswellenzahl:
![{\displaystyle v_{\mathrm {f} }=\lim _{k\to \infty }v_{\mathrm {p} ))](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d9c117ae6f5b691f26688deb8e9e9d380ab6bc4c)