Lichtleiter
Hast du schon einmal von Glasfaserkabeln oder Lichtleitern gehört? Lichtleiter wie Glasfaserkabel nutzen Totalreflexion, um Licht zu leiten. Erfahre, wie Licht innerhalb von Glasfasern durch Reflexion bewegt wird und wo Lichtleiter in Bereichen wie Technik, Medizin und Kunst eingesetzt werden. Interessiert? Das und vieles mehr im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Lichtleiter
Was ist ein Lichtleiter?
Hast du das Wort Glasfaserkabel schon einmal gehört? Im Zusammenhang mit einer schnellen Internetverbindung wird diese spezielle Art von Kabeln häufig erwähnt. Doch was sind Glasfaserkabel und warum bezeichnet man sie manchmal auch als Lichtleiter? Das liegt daran, dass Glasfaserkabel gebündelte Lichtleiter sind. Was genau ein Lichtleiter in der Physik ist, wollen wir uns im Folgenden anschauen. Dazu solltest du schon wissen, was Totalreflexion ist.
Wie funktioniert ein Lichtleiter?
Die meisten Lichtleiter funktionieren nach dem Prinzip der Totalreflexion. Wir wiederholen kurz, was die Bedingungen für die Totalreflexion sind.
Totalreflexion tritt an der Grenzfläche zwischen zwei Materialien auf, die unterschiedliche optische Dichten haben. Bei sichtbarem Licht muss das Medium, aus dem das Licht kommt, optisch dichter sein als das angrenzende Medium, damit Totalreflexion möglich ist. Außerdem muss das Licht in einem Winkel einfallen, der größer als der Grenzwinkel der Totalreflexion für die beiden angrenzenden Medien ist. Ist der Einfallswinkel kleiner, wird nur ein Teil des Lichts reflektiert und der restliche Anteil gebrochen.
In einem Lichtleiter wird ausgenutzt, dass die Totalreflexion mehrmals auftreten kann. Das können wir uns mithilfe der folgenden Abbildung veranschaulichen.
Wenn Licht in einem geeigneten Winkel die obere Grenzfläche trifft, wird es total reflektiert. Da der Ausfallswinkel genauso groß ist wie der Einfallswinkel, trifft das reflektierte Licht im selben Winkel auf die untere Grenzfläche. Dort wird es daher erneut total reflektiert. Dieser Vorgang kann sich viele Male wiederholen – das Licht bewegt sich also in einer Zickzacklinie vorwärts.
Das ist ganz genau das, was in einem Lichtleiter passiert. Ein Beispiel für einen Lichtleiter sind Glasfaserkabel, die wir schon in der Einleitung erwähnt haben. Ein Glasfaserkabel besteht aus vielen einzelnen Glasfasern – und jede dieser Glasfasern ist ein Lichtleiter.
Eine Glasfaser besteht aus zwei verschiedenen Arten von Glas. Im Inneren befindet sich ein Glaskern, der eine hohe optische Dichte aufweist. Dieser Kern ist von einem Glasmantel umhüllt, der optisch dünner ist als der Glaskern. So wird Licht, das passend in den Kern gestrahlt wird, innerhalb der Faser immer wieder total reflektiert, kann sich so fortbewegen und verlässt die Glasfaser erst am anderen Ende. Man darf die Glasfaser nur nicht zu stark knicken, denn dann kann der für die Totalreflexion notwendige Winkel eventuell nicht mehr erreicht werden. Außerdem würde man bei zu starkem Knicken auch das Material beschädigen.
Häufig werden Glasfasern als Lichtleiter eingesetzt. Es gibt allerdings auch andere Arten von Lichtleitern, die zum Beispiel aus Kunststoffen gefertigt werden.
Lichtleiter – Einsatzgebiete
Lichtleiter werden in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt. Eine der bekanntesten Anwendungen von Lichtleitern ist ihr Einsatz in der Nachrichtentechnik, zum Beispiel zur Übertragung von Daten. Auch das Internet läuft, zumindest in manchen modernen Metropolen, über Glasfaserkabel.
Lichtleiter kommen aber auch in der Diagnostik und Beleuchtung zur Verwendung, wenn schwer zugängliche Bereiche untersucht werden sollen. Ein Beispiel dafür sind sogenannte Endoskope, die zum Beispiel Ärzte verwenden.
Lichtleiter werden in speziellen Forschungsbereichen auch für optische Abbildungen genutzt.
Und zu guter Letzt gibt es auch rein kreative Anwendungen: Lichtleiter können sehr gut dazu benutzt werden, künstlerische Beleuchtungen zu bauen.
Lichtleiter – Zusammenfassung
Hier findest du die wichtigsten Stichpunkte zum Lichtleiter noch einmal zusammengefasst:
- Licht kann mehrfach total reflektiert werden.
- In Lichtleitern bewegt sich Licht durch Totalreflexion fort.
- Lichtleiter findet man zum Beispiel in Glasfaserkabeln, die aus vielen einzelnen Glasfasern zusammengesetzt sind.
- Die Glasfasern bestehen, wie die meisten Lichtleiter, aus zwei Schichten, die unterschiedliche optische Dichten aufweisen. Bei manchen Lichtleitern dient auch die umgebende Luft als das optisch dünnere Medium.
- Lichtleiter werden in der Nachrichtentechnik, in der Medizin, in der Forschung und sogar in der Kunst eingesetzt.
In diesem Video werden dir Lichtleiter einfach erklärt. Du erfährst, wie Lichtleiter funktionieren und für welche Anwendungen sie genutzt werden. Außerdem lernst du, wieso man Glasfasern auch Lichtleiter nennt.
Transkript Lichtleiter
Lukas und Paula möchten sich geheime Nachrichten schicken. Dafür haben sie in der Schule einen Lichtcode ausgemacht, der Worte in Lichtblitze mit der Taschenlampe übersetzt. Leider wohnen die beiden weit auseinander und zwischen ihnen liegen einige Straßenecken.
Videoübersicht
Da sich Licht aber immer geradlinig ausbreitet, kommt es also nicht um diese Straßenecken. Ist das nun das Ende der Licht-Geheimcodes? Lass uns gemeinsam herausfinden, wie man die Lichtcodes an ihr Ziel bringen kann. Zuvor wiederholen wir, wann Licht total reflektiert wird. Und was die Totalreflexion mit einem so genannten Lichtleiter zu tun hat. Zum Schluss klären wir, was man unter einem Glasfaserkabel versteht.
Wiederholung zur Totalreflexion
Zur Totalreflexion von Licht kommt es, wenn Licht auf die Grenzfläche zwischen zwei unterschiedlich dichten Medien trifft. Das Licht wird dann total reflektiert, wenn es aus dem optisch dichteren Medium kommt. Außerdem muss der Einfallswinkel größer sein als der spezielle Grenzwinkel der beiden benachbarten Medien.
Ist der Einfallswinkel kleiner als dieser Grenzwinkel, wird nur ein Teil des einfallenden Lichtes reflektiert. Je größer der Einfallswinkel, desto größer auch dieser reflektierte Anteil. Dieser Effekt der Totalreflexion funktioniert nicht nur einmal. Licht kann auch mehrfach total reflektiert werden. Dann bewegt es sich in einer Zickzackbewegung vorwärts.
Der Lichtleiter
Genau das passiert in einem so genannten Lichtleiter. Ein Lichtleiter besteht aus zwei optisch unterschiedlich dichten Medien. Das optisch dichtere Medium, beispielsweise ein Glasstab, wird von einem optisch dünneren Medium ummantelt. Hier wäre das die Luft um den Glasstab herum.
Nun muss Licht in einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel der beiden Medien in den Lichtleiter, in diesem Fall den Glasstab eintreten. Dann wird es im Inneren des Stabes am Übergang Glas zu Luft total reflektiert. Nach der ersten Totalreflexion trifft es auf die gegenüberliegende Seite und wieder auf den Medienübergang Glas zu Luft. So wird das Licht mehrfach total reflektiert und bewegt sich gefangen im Lichtleiter weiter.
Die Glasfaser
Vielleicht hast du im Zusammenhang mit eurem Telefon oder Fernseher schon einmal etwas von Glasfasern gehört. Sie arbeiten mit dem Trick des Lichtleiters. Nur nutzen sie nicht den Medienübergang Glas Luft, sondern den Übergang zwischen unterschiedlich optisch dichten Glassorten. Im Inneren der Glasfaser befindet sich ein optisch dichterer Glaskern, der von einem Optisch dünneren Glasmantel umhüllt ist.
Eine solche Glasfaser ist nicht so starr wie ein Glasstab, sondern flexibel und biegsam. Man kann damit Licht praktisch um die Ecke leiten. Denn das Licht wird entlang der Glasfaser immer wieder total reflektiert. Es kann seitlich nicht entweichen. Deshalb verlässt es die Glasfaser erst am anderen Ende.
Und damit hätten wir eine Lösung für das Lichtcode-Problem von Paula und Lukas. Man könnte einer Glasfaser zwischen den Häusern der beiden Freunde verlegen. Tatsächlich befinden sich solche Glasfasern wahrscheinlich auch unter der Straße vor deinem Haus. Genau genommen ein ganzer Glasfaser-Strauß.
Lichtsignale beim Telefonieren
Dieses dicke Bündel aus vielen einzelnen Glasfasern nennt man Glasfaserkabel. Glasfaserkabel werden beispielsweise zum Telefonieren benutzt. Das Gesprochene wird elektrisch aufgenommen und in Lichtsignale, wie bei Paula und Lukas umgewandelt. Das Lichtsignal wird dann wieder in das Gesprochene übersetzt.
Glasfaserkabel bei einer Operation
Auch Ärzte nutzen Glasfaserkabel. Und zwar, um Licht in das dunkle Innere des Körpers zu bringen. Das schafft ein so genanntes Endoskop - eine ganz besondere Kamera. Ein Glasfaserkabel leitet Licht in das Körperinnere. Das Zweite bringt die Bilder des beleuchteten Inneren zum Auge des operierenden Arztes.
Glasfaserkabel helfen also überall dort, wo Licht in verzwickte, verwinkelte Stellen gelangen muss: sowohl beim Telefonieren und Fernsehen, als auch beim Operieren. Lass uns abschließend zusammenfassen, was du über Lichtleiter gelernt hast:
Zusammenfassung zur Lichtleiter
Licht, das aus einem optisch dichteren Medium auf die Grenzfläche zu einem optisch dünneren Medium trifft, kann mehrfach reflektiert werden, wenn sein Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist. Das macht sich ein Lichtleiter zu Nutze. In ihm wird das Licht in einer Zickzackbewegung an das Ende des Lichtleiters bewegt.
Eine Glasfaser ist ein flexibler Lichtleiter. Sie besteht aus optisch unterschiedlich dichten Glassorten. Einem optisch dichten Glaskern und einem optisch dünneren Glasmantel. Ein Bündel aus mehreren Glasfasern wird Glasfaserkabel genannt. Es findet seine Anwendung beispielsweise bei der Übertragung von Telefonaten, Fernsehbildern oder in der Medizin.
Lichtleiter selbst bauen
Du kannst dir auch selbst einen Lichtleiter bauen. Dafür brauchst du eine durchsichtige PET-Flasche, die du halb mit Wasser füllst. Gib einige Tropfen Milch hinein, damit wird der Lichtweg sichtbar. Leg die Flasche auf die Seite und leuchte mit einem Laserpointer hinein. Nun musst du nur noch den richtigen Einfallswinkel finden. Viel Spaß!
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Super Video! Verstehe jetzt einiges besser als Vorher bei unserer Hexenlehrerin ;)
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