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Lichtleiter

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Physik-Team
Lichtleiter
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Grundlagen zum Thema Lichtleiter

Inhalt

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.

Lichtleiter Funktionsweise

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.

Lichtleiter Aufbau

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!

3 Kommentare

3 Kommentare
  1. Half mir total

    Von Song.Youshi, vor mehr als 3 Jahren
  2. Cool

    Von Calvin S., vor mehr als 5 Jahren
  3. gut

    Von Tanja Becker27, vor fast 6 Jahren

Lichtleiter Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Lichtleiter kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, wann Licht total reflektiert wird.

    Tipps

    Der Grenzwinkel ändert sich mit den verwandten Medien.

    Das Licht wird im Glasstab an der Grenzschicht zur Luft gebrochen.

    Lösung

    Damit Licht total reflektiert wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein.

    Zunächst muss das Licht Licht aus dem optisch dichteren Medium kommen. In diesem Fall wird es an der Grenzschicht zum optisch dünneren Medium total reflektiert.

    Weiterhin muss der Einfallswinkel des Lichtes größer sein, als der spezielle Grenzwinkel der benachbarten Medien. Dieser Grenzwinkel ändert sich also mit den verwandten Medien.

    Stellen wir also einen Einfallswinkel ein, der größer ist als der Grenzwinkel für die Medien Luft und Glas, so wird das Licht im Glasstab an der Grenzschicht zur Luft (Grenzschicht der Medien) immer wieder gebrochen, und das Licht somit zick-zack-förmig geleitet

  • Bezeichne das Glasfaserkabel.

    Tipps

    Das Glasfaserkabel besteht aus vielen einzelnen Glasfasern.

    Mit dem Glasfaserkabel wird die totale Reflexiondes Lichtes in einem optisch dichten Medium genutzt.

    Man kann es unter der Erde verlegen und als Telefon- oder Fernsehleitung nutzen.

    Lösung

    Das Glasfaserkabel ist eine technische Umsetzung der totalen Reflexion des Lichtes in einem optisch dichten Medium.

    Dieses besteht aus vielen einzelnen Glasfasern, die zu einem Glasfaserbündel vereinigt sind. Dabei besteht jede einzelne Glasfaser aus einem optisch dichten Glasfaserkern und einem weniger dichten Glasmantel. Zum Schutz wird das Faserbündel von einem Mantel umgeben.

    Das Glasfaserkabel hat heutzutage viele Einsatzmöglichkeiten. Da es biegsam ist, kann man es unter der Erde verlegen und als Telefonleitung oder Fernsehleitung nutzen. Außerdem ist die Glasfaser-Technik eine wichtige Hilfe für die Medizin. In einem Endoskop verbaut kann ein Arzt mit einer Kamera an zwei Glasfaserkabeln in das Innere des Körpers schauen, obwohl es dort eigentlich dunkel ist.

  • Erkläre das Lichtleiter-Experiment.

    Tipps

    Um Licht zu leiten, sind mindestens zwei optisch verschiedene Medien notwendig.

    Die Flasche mit dem Milch-Wasser-Gemisch, auf die wir einen Laserpointer als Lichtquelle richten, funktioniert wunderbar als Lichtleiter.

    Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel des Lichtes größer ist als der Grenzwinkel der Medien.

    Lösung

    Die Flasche mit dem Milch-Wasser-Gemisch, auf die wir einen Laserpointer als Lichtquelle richten, funktioniert wunderbar als Lichtleiter. Das liegt daran, dass wir die Voraussetzungen, die an einen Lichtleiter zu stellen sind, erfüllen.

    Zunächst einmal haben wir zwei optisch verschieden dichte Medien. Diese sind durch eine Grenzschicht (Luft-Gemisch) getrennt. Wir richten den Laser (Lichtquelle) auf das Gemisch, also auf das optisch dichtere Medium. Der Lichtstrahl wird nun an der Grenzschicht zur Luft immer wieder gebrochen und das Licht so im zick-zack geleitet.

    Die Totalreflexion tritt dabei nur auf, wenn der Einfallswinkel des Lichtes größer ist als der Grenzwinkel der Medien.

    Probier es doch einmal selbst aus!

  • Erkläre die Funktion des Endoskops.

    Tipps

    Das Endoskop selbst besteht im Wesentlichen aus zwei Glasfaserkabeln.

    Diese Kabel werden zusammengefügt und in das Körperinnere geschoben.

    Ein Kabel dient der Bildübertragung und funktioniert wie das Kabel einer normalen Videokamera.

    Lösung

    Das Endoskop ist ein Instrument, welches in der Medizin angewendet wird. Es wird eingesetzt, wenn man mit einem kleinen Eingriff in das Innere des Körpers sehen will, etwa um festzustellen, welche Erkrankung vorliegt.

    Das Endoskop selbst besteht aus zwei Glasfaserkabeln. Dabei befinden sich zwei einzelne Enden außerhalb des Körpers. Diese Kabel werden zusammengefügt und in das Körperinnere geschoben.

    Eines der äußeren beiden Enden dient dabei als reiner Lichtleiter. Es ist mit einer Lichtquelle verbunden und beleuchtet so das Innere des Körpers. Das zweite Kabel dient der Bildübertragung und funktioniert im Wesentlichen wie das Kabel einer normalen Videokamera. Mit Hilfe der Glasfasertechnik ist es also möglich, auch in sehr beengten und dunklen Orten Kameraaufnahmen zu machen.

  • Nenne typische Einsatzbereiche des Glasfaserkabels.

    Tipps

    Licht unterirdisch zu leiten ist sehr praktikabel.

    Das Glasfaserkabel ist ein Lichtleiter.

    Elektrischer Stromfluss setzt eine gerichtete Bewegung von Elektronen voraus.

    Lösung

    Das Glasfaserkabel findet in vielen Bereichen Anwendung. Das liegt daran, dass seine Eigenschaft, Licht auch um die Ecke oder unterirdisch zu leiten, in vielen Fällen sehr hilfreich ist.

    So kann der Arzt (in der Medizin) etwa mit einem Endoskop, welches mit Glasfasertechnik funktioniert, seine Operationen besser vorbereiten und überwachen. Auch in der Informationstechnik (Telefon und Fernsehen) hat das Glasfaserkabel eine große Bedeutung.

    Beim Telefon etwa werden die gesprochenen Worte am einen Ende der Leitung in Lichtsignale und am anderen Ende wieder in Worte zurückübersetzt.

    Das Glasfaserkabel wird hingegen nicht genutzt, um elektrischen Strom zu leiten. Der Unterschied besteht darin, dass ein elektrischer Strom eine gerichtete Bewegung von Elektronen voraussetzt. Das Glasfaserkabel leitet hingegen (fast) nur das Licht.

  • Analysiere die Eigenschaften von Glasfaserkabeln.

    Tipps

    Glasfaserkabel sind aus der heutigen Information-Infrastruktur kaum mehr wegzudenken.

    Ein Glasfaserkabel besteht aus vielen einzelnen winzigen Glasfasern.

    Glasfaserkabel können Licht um die Ecke leiten.

    Lösung

    Glasfaserkabel sind aus der heutigen Information-Infrastruktur kaum mehr wegzudenken. Das liegt an ihren vielen guten und technisch einsetzbaren Eigenschaften.

    Sie sind zunächst einmal biegsam und belastbar (nicht brüchig) und können so einfach unter der Erde verlegt werden; auch um die Ecke. Jedoch treten bei der Biegung des Kabels Verluste auf. Das liegt daran, dass der Einfallswinkel des Lichtes sich relativ zur Grenzschicht ändert und so keine totale sondern nur eine teilweise Reflexion stattfindet. Dabei ist der Kerndurchmesser einer einzelnen Glasfaser sehr gering: Gängig ist ein Wert zwischen $d_{k,1} = 5 nm$ bis $d_{k,2} = 50.000 nm$ . Die Durchmesser sind also sehr viel kleiner als $ 5 mm $.

    Neben den werkstofftechnischen Eigenschaften sind die Vorteile des Glasfaserkabels aber vor allem die sehr schnelle Leitung von Informationen (Licht). Diese breiten sich in annähernder Lichtgeschwindigkeit aus. Deshalb können sehr große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden.

    Nicht zuletzt aus diesem Grund wirbt die Internetbranche stets mit dem neuen Glasfaserkabelnetz, welches sehr gute Verbindungsgeschwindigkeiten ermöglicht.

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