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Polarisation 09:46 min

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Transkript Polarisation

Hallo und herzlich willkommen zu "Physik mit Kalle". Heute wollen wir uns auf dem Gebiet "Schwingungen und Wellen" mit der Polarisation beschäftigen. Für dieses Video solltet ihr bereits den Film über den hertzschen Dipol gesehen haben. Wir lernen heute, was Polarisation ist und welche Arten es gibt, wie ich mir das Ganze genau vorstellen kann am Beispiel von polarisiertem Licht und zum Schluss, wie ich polarisiertes Licht erzeugen und filtern kann. Dann mal los!   Polarisation ist eine Eigenschaft von Transversalwellen und nur von Transversalwellen (aber dazu später mehr), die das Verhalten ihres Schwingungsvektors beschreibt. Man unterscheidet dabei zwischen verschiedenen Arten, und zwar: Der linearen Polarisation, bei der die Schwingung nur in eine Richtung, beziehungsweise Ebene, stattfindet, der zirkularen Polarisation, bei der die Auslenkung, also der Betrag des Schwingungsvektors, konstant ist, dafür die Schwingungsrichtung, also der Schwingungsvektor, mit gleichbleibender Geschwindigkeit rotiert, und der elliptischen Polarisation, die ein Mischfall zwischen den beiden ist. Jetzt wollen wir uns erst mal ansehen, wie das Ganze am Beispiel der elektromagnetischen Welle denn nun genau aussieht. Im Film über den hertzschen Dipol hatten wir gehört: Eine elektromagnetische Welle besteht aus einer elektromagnetischen Schwingung, das heißt, einer elektrischen Schwingung und einer magnetischen Schwingung, die gleiche Wellenlänge haben und senkrecht aufeinander stehen. Der Schwingungsvektor meiner elektromagnetischen Welle ist nun die Summe aus der elektrischen und der magnetischen Schwingung, und wie er sich verhält, hängt nur von der Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Schwingungen ab.   Fangen wir an mit der linearen Polarisation, bei der es ja, wie wir gerade gehört haben, nur eine konstante Schwingungsrichtung, beziehungsweise Schwingungsebene, gibt. Wie ihr im Bild sehen könnt, erhalte ich eine lineare Polarisation, wenn die elektrische und die magnetische Schwingung genau in Phase sind. Und das macht auch Sinn: 2 gleichphasige sinusförmige Schwingungen mit gleicher Wellenlänge, wie es meine magnetische Komponente (im Bild blau) und meine elektrische Komponente (im Bild grün) sind, ergeben zusammen eine weitere Gesamtschwingung, die ebenfalls sinusförmig ist (im Bild rot). Wenn ich aber nun eine meiner beiden Komponenten so verschiebe, dass sozusagen nicht mehr Wellenberg der einen auf den Wellenberg der anderen, sondern Wellenberg der einen auf Wellental der anderen trifft, sie also einen Gangunterschied von λ/2 hat, erhalte ich immer noch lineare Polarisation. Allerdings ist die Schwingungsebene dann um 90° an der z-Achse gedreht. Wir notieren uns also: Ich erhalte lineare Polarisation, wenn der Gangunterschied zwischen magnetischer und elektrischer Komponente 0 oder λ/2 ist.   Dann mal weiter zur zirkularen Polarisation. Wir erinnern uns: Bei einer zirkularen Polarisation war der Betrag des Schwingungsvektors konstant, dafür rotierte er mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit. Wie ihr sehen könnt, ist dies genau der Fall, wenn meine magnetische Komponente mit einer Kosinusschwingung schwingt, während meine elektrische Schwingung einer Sinusschwingung folgt. Dass der Betrag des Schwingungsvektors dann konstant bleibt, lässt sich leicht mit einer kleinen Skizze und dem Satz von Pythagoras nachprüfen. Wir sehen also: Wenn eine kosinusförmige auf eine sinusförmige Schwingung trifft, also der Wellenberg der einen immer die Nullstelle der anderen trifft, erhalte ich zirkulare Polarisation. Ich erhalte natürlich genauso zirkulare Polarisation, wenn nicht der Wellenberg der einen, sondern das Wellental der einen auf die Nullstelle der anderen trifft, das heißt, wenn die eine Komponente sinusförmig, und die andere minuskosinusförmig ist. Die so entstehende zirkulare Polarisation dreht sich allerdings in die exakt entgegengesetzte Richtung. Im Bild seht ihr eine sogenannte linkshändige Zirkularpolarisation. Wenn ihr eine der beiden Komponenten um λ/2 verschieben würdet, hättet ihr eine rechtshändige Zirkularpolarisation. Da der Kosinus nun nichts anderes ist, als ein um λ/4 verschobener Sinus und Minuskosinus ein um 3λ/4 verschobener Sinus, kann ich schreiben: Zirkulare Polarisation erhalte ich, wenn der Gangunterschied zwischen meinen beiden Komponenten λ/4 oder 3λ/4 ist.   Und da, wir erinnern uns, die elliptische Polarisation eine Mischung zwischen den beiden ersten war, erhalte ich also für alle anderen Gangunterschiede elliptische Polarisation.   Wie aber nun kann ich polarisiertes Licht erzeugen? Lineare Polarisation auf jeden Fall (so wurde polarisiertes Licht überhaupt erst entdeckt) lässt sich durch Reflexion an vielen Oberflächen erzeugen. Und wie das geht und andere Methoden, wollen wir uns jetzt im letzten Kapitel ansehen. 1814 untersuchte David Brewster die Reflektion von Licht an verschiedenen Medien. Er machte folgende Entdeckung: Unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Brewsterwinkel, reflektiertes Licht ist vollständig linear polarisiert. Das Ganze kann man sich ungefähr so vorstellen: Unpolarisiertes Licht, das heißt, Licht, das wild in alle Richtungen schwingt, trifft auf eine Grenzfläche zu einem reflektierenden Medium. Der reflektierte Strahl, der nach der Regel "Einfallwinkel ist gleich Ausfallwinkel" zurückgeworfen wird, ist nun linear polarisiert - seine Schwingungsrichtung zeigt genau in den Bildschirm. Der gebrochene Strahl ist ebenfalls vollständig linear polarisiert. Seine Schwingungsebene liegt in der Zeichenebene, steht also genau senkrecht auf der des reflektierten Strahls. Ich kann den Winkel unter dem dies passiert, αB, mit tanαB=n (also der Brechungsindex meines Mediums) berechnen.   Woher hat aber nun Brewster gewusst, dass das reflektierte Licht polarisiert ist? Das sieht man dem Licht ja nicht einfach an. Die Antwort ist: Er hat einen sogenannten Polarisationsfilter benutzt. Ein Polarisationsfilter ist eine Folie, meistens ein Kunststoff aus langkettigen Molekülen, der durch Streckung hergestellt wird, der nur eine bestimmte Schwingungsebene durchlässt. Das ist übrigens auch der Grund, warum nur Transversalwellen polarisiert werden können. Da die Ausbreitungsrichtung senkrecht zur Schwingungsrichtung steht, kann ich die Schwingungsrichtung beliebig filtern. Bei einer Longitudinalwelle stehen die beiden parallel aufeinander. Durch eine Filterung der Schwingungsrichtung würde ich also auch die Ausbreitung unterbinden. Was das bedeutet, kann man gut zeigen, indem man zwei Polarisationsfilter aufeinander legt und dann gegeneinander verdreht. Ihr könnt es in der Animation unten sehen. Stehen die beiden Filter so, dass sie beide die gleiche Schwingungsrichtung durchlassen, so kann man durch sie einfach hindurchsehen. Verdreht man jedoch einen der beiden Filter um 90°, so gelangt gar kein Licht mehr hindurch und es wird schwarz. Eine weitere Methode zur Erzeugung von polarisiertem Licht ist also, unpolarisiertes Licht auf einen Polarisationsfilter zu schicken, denn dann habe ich nur noch die eine Schwingungsrichtung übrig.   Im Bild unten seht ihr nun ein weiteres wichtiges optisches Bauelement. Wir wissen jetzt, wie wir linear polarisiertes Licht bekommen. Unpolarisiertes Licht, Polarisationsfilter, nur eine Schwingungsrichtung bleibt übrig. Schön und gut, wie aber bekomme ich nun zirkular polarisiertes Licht? Hier kommt das λ/4-Plättchen ins Spiel. Ein λ/4-Plättchen ist doppelbrechend, das heißt, in seinem Inneren wird ein Lichtstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Bündel aufgespalten, die verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben. Das heißt, nach dem Durchqueren meines λ/4-Plättchens haben die elektrische und die magnetische Komponente einen anderen Gangunterschied und zwar, deswegen heißt es so, genau um λ/4 anders. Während ich also vorher einen Gangunterschied von 0 beziehungsweise λ/2 hatte, denn es war ja linear polarisiert, habe ich danach einen Gangunterschied von λ/4 beziehungsweise 3λ/4, also zirkular polarisiert. Wenn ich nun meinen Strahl durch ein weiteres λ/4-Plättchen schicke, verschiebt sich der Gangunterschied um weitere λ/4. Meine Zirkularpolarisation wird also wieder zu einer linearen Polarisation. Wir merken uns also: ein λ/4-Plättchen verwandelt eine zirkulare in lineare Polarisation und umgekehrt.   Wir wollen noch mal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Polarisation ist eine Eigenschaft einer Transversalwelle, die das Verhalten ihres Schwingungsvektors beschreibt. Eine Welle ist linear polarisiert, wenn ihre Schwingungsrichtung, beziehungsweise Schwingungsebene, konstant ist. Eine Welle ist zirkular polarisiert, wenn der Betrag ihres Schwingungsvektors konstant ist, er aber mit gleichbleibender Geschwindigkeit rotiert. Außerdem haben wir gelernt, dass linear polarisiertes Licht durch Reflexion oder Filterung von unpolarisiertem Licht erzeugt werden kann. Ein λ/4-Plättchen kann dann dazu verwendet werden, linear polarisiertes in zirkular polarisiertes Licht - oder andersrum - zu verwandeln.   So, das war es schon wieder für heute. Ich hoffe ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal, euer Kalle.

4 Kommentare
  1. Frage: Wenn eine linear polarisierte elektromagnetische Welle im Brewsterwinkel auf eine Oberfläche trifft und nicht reflektiert wird, entspricht der elektrische Feldvektor dem Polarisationsvektor oder entspricht der magnetische Feldvektor dem Polarisationsvektor?

    Von Faruk Faruk, vor mehr als einem Jahr
  2. Super Video, sehr verständlich erklärt. Ein Beispiel zum LCD fände ich auch sehr hilfreich. Ich versteh allerdings noch nicht ganz, was mir das bringt, nicht polarisiertes Licht zu polarisieren. Was kann ich mit der Polarisation weiter rechnen oder definieren?

    Von Kleinbode, vor etwa 7 Jahren
  3. Ein paar Beispiele wären echt gut, also bspw. LCD-Display oder so.

    Von Chrimby, vor mehr als 7 Jahren
  4. Das ist eins der schwereren/spezielleren Themen, die im Leistungskurs Physik behandelt werden, es kann also im Abitur drankommen. Falls ihr das in der Schule gemacht habt und du das Video nicht verstehst: dafür benötigt man schon einiges an Vorwissen, ich würde empfehlen, sich erstmal eine Weile im Bereich "elektromagnetische Schwingungen" umzusehen um die Grundlagen zu verstehen, und es dann nochmal zu probieren.

    Von Jakob Köbner, vor etwa 8 Jahren

Polarisation Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Polarisation kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die verschiedenen Arten der Polarisation an.

    Tipps

    Man unterscheidet mehrere Grundformen und eine Mischform.

    Polarisation betrifft die Schwingungsrichtung polarisierten Lichtes.

    Lösung

    Die Polarisation ist eine Eigenschaft von Transversalwellen, die das Verhalten ihres Schwingungsvektors beschreibt.

    Das heißt, die Schwingungsrichtungen verschieden polarisierten Lichtes sind unterscheidbar.

    Generell unterscheidet man:

    • lineare Polarisation, bei der nur eine Schwingungsrichtung zu beobachten ist.
    • zirkulare Polarisation, wobei eine konstante Auslenkung über einer konstanten Schwingungsrichtungsänderung rotiert.
    • elliptische Polarisation, welche eine Mischform der linearen und zirkularen Polarisation darstellt.
  • Gib an, wie polarisiertes Licht erzeugt werden kann.

    Tipps

    Die Polarisation des Lichtes hat etwas mit dem Gangunterschied zwischen magnetischer und elektrischer Komponente zu tun.

    Es gibt verschiedene Polarisationsarten.

    Lösung

    Um die Polarisation nicht polaren Lichtes zu erreichen, gibt es mehrere Möglichkeiten.

    Wird Licht unter einem bestimmten Winkel, dem so genannten Brewster-Winkel, reflektiert, so wird dieses dadurch vollständig linear polarisiert.

    In diesem Fall wird durch die Reflexion der Gangunterschied zwischen den Komponenten so angepasst, dass dieser entweder $0$ oder $\frac{\lambda}{4}$ beträgt, also linear polarisiert ist.

    Andere Arten der Polarisation sind einfach durch die Verwendung entsprechender Polarisationsfilter zu erreichen.

    Diese Filter sind spezifisch durchlässig, das heißt, sie selektieren bei der Auswahl der Schwingungen, die sie passieren lassen. Als Ergebnis daraus resultiert ein Lichtstrahl, dem eine eindeutige Polarisation zugeordnet werden kann.

  • Beschreibe die Eigenschaften des polarisierten Lichtes.

    Tipps

    Betrachte den Gangunterschied zwischen elektrischer und magnetischer Komponente der Schwingung.

    Der Gangunterschied ist eine relative Verschiebung.

    Lösung

    Der Schwingungsvektor einer elektromagnetischen Welle ist die Summe aus der elektrischen und der magnetischen Komponente.

    Zwischen diesen Komponenten besteht ein Gangunterschied. Das bedeutet, dass diese zwar gleich verlaufen, aber relativ zueinander verschoben sind.

    Wären zwei Läufer genau gleich schnell und würden diese mit einem Abstand von $15m$ auf einer $400m$-Runde laufen, könnten wir auch genau vorhersagen, dass der Abstand zu Beginn jeder Runde(=Schwingung) immer $15m$ betragen müsste. Ähnliche Beobachtung gilt für die relative Verschiebung der elektrischen und magnetischen Komponente.

    Bei der linearen Polarisation ist der Gangunterschied zwischen diesen stets $0$ oder $\frac{\lambda}{2}$.

    Bei zirkular polarisiertem Licht ist der Betrag aus der elektrischen und magnetischen Schwingung stets konstant. Der Gangunterschied ergibt sich damit zu $\frac{\lambda}{4}$ oder $\frac{3\cdot \lambda}{4}$.

    Alle anderen Gangunterschiede zwischen elektrischer und magnetischer Schwingung werden elliptisch polarisiertem Licht zugeordnet.

  • Gib den Gangunterschied an.

    Tipps

    Beträgt der Gangunterschied $\frac{\lambda}{4}$, so ist das Licht linear polarisiert.

    Zirkular polarisiertes Licht hat einen Gangunterschied von: $\frac{3\lambda}{4}$ oder $\frac{\lambda}{4}$.

    Aus $\frac{\lambda}{4}$ wird: $\frac{\lambda}{4}$+$\frac{\lambda}{4}$ $\frac{\lambda}{2}$.

    Lösung

    In der gezeigten Schaltung von Polarisationsfiltern ist vor allem der hintere Bereich wichtig.

    Zunächst wird mittels einfachem Polarisationsfilter das Licht linear polarisiert. Der Gangunterschied zwischen der magnetischen und elektrischen Komponente der Lichtwelle beträgt hier entweder $0$ oder $\frac{\lambda}{2}$.

    Durchläuft das Licht anschließend einen $\frac{\lambda}{4}$-Filter, so wird der Gangunterschied um $\frac{\lambda}{4}$ verändert, sodass eine Verschiebung der Komponenten von $\frac{3\lambda}{4}$ oder $\frac{\lambda}{4}$ stattfindet und damit zirkular polarisiertes Licht entsteht.

    Durchläuft das nun zirkular polarisierte Licht einen weiteren $\frac{\lambda}{4}$-Filter, wird der Gangunterschied noch einmal um $\frac{\lambda}{4}$ verändert.

    Das heißt, aus $\frac{\lambda}{4}$ wird: $\frac{\lambda}{4}$+$\frac{\lambda}{4}$ $\frac{\lambda}{2}$.

    Aus der zirkularen Polarisation $\frac{3\lambda}{4}$ wird : $\frac{3\lambda}{4}$ + $\frac{\lambda}{4}$ = $\frac{4\lambda}{2 4}= 0$.

    Vereinfacht gesagt : Durchläuft ein polarisierter Lichtstrahl einen $\frac{\lambda}{4}$-Filter, so wechselt dessen Zustand zwischen linearer und zirkularer Polarisation.

  • Zeige die Effekte, die bei einer Reflexion stattfinden.

    Tipps

    Es gibt verschiedene Arten, Licht zu polarisieren.

    Vergleiche das Schaubild mit der Reflexion an einer Fensterfläche.

    Lösung

    Fällt ein unpolarer Lichtstrahl auf eine reflektierende Oberfläche, etwa ein Fensterglas, wissen wir aus Erfahrung, dass mehrere Effekte auftreten.

    Ein Teil des Lichtes wird gebrochen und durchgelassen, ein andere Teil des Lichtes wird reflektiert. Dabei ist der Anteil des reflektierten und durchgelassenen Lichtes abhängig von dem Material der Reflexionsfläche und dem Auftreffwinkel $\alpha$.

    Für einen bestimmten Winkel $\alpha_B$, der als Brewster-Winkel bezeichnet wird, kann man beobachten, dass ein Polarisations-Effekt auftritt.

    Durch Reflexion unter einem bestimmten Winkel $\alpha_B$ kann Licht also polarisiert werden.

  • Ergänze die Polarisationsskizze.

    Tipps

    Der Unterschied zwischen den Polarisationsarten ist mit dem Gangunterschied zu erklären.

    Verschiebt man den Gangunterschied von linear polarisiertem Licht um $\frac{\lambda}{4}$, so liegt zirkular polarisiertes Licht vor.

    Lösung

    Wie du weißt, unterscheiden wir mehrere Arten der Polarisation.

    Ist Licht nicht polarisiert oder unpolar, so gibt es keinen systematisch bedeutsamen Zusammenhang zwischen der Amplitude der elektrischen und der Amplitude der magnetischen Schwingung.

    Um den Zustand des linear polarisierten Lichtes zu erreichen, muss das Licht durch einen Polarisationsfilter gelenkt werden. Dadurch werden die Komponenten der Lichtwellen-Schwingung geordnet. Es ensteht linear polarisiertes Licht.

    Tritt das linear polarisierte Licht durch einen $\frac{\lambda}{4}$-Filter, so wird aus linear polarisiertem, zirkular polarisiertes Licht. Der Gangunterschied wird also dem Namen entsprechend um $\frac{\lambda}{4}$ verändert und es entsteht zirkular polarisiertes Licht.