Physik · Klasse 12–13 · aktualisiert
Polarisation von Licht einfach erklärt
Erkenne die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes, nutze Filter und berechne die Intensität mit dem Malus-Gesetz.
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Kurz gesagt
Polarisation beschreibt die Richtung oder Bewegung des elektrischen Feldes quer zur Ausbreitung von Licht. Ein linearer Filter lässt eine Feldkomponente entlang seiner Durchlassachse durch. Zwei ideal gekreuzte Filter lassen kein linear polarisiertes Licht passieren.
Polarisation beschreibt die Richtung, in der das elektrische Feld einer Lichtwelle schwingt. Sie zeigt, dass Licht eine Transversalwelle ist. Mit Polarisationsfiltern kannst du eine Schwingungsrichtung auswählen und die Lichtintensität gezielt verändern.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Licht besteht aus einem elektrischen Feld und einem magnetischen Feld. Beide Felder stehen senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Deshalb ist Licht eine elektromagnetische Transversalwelle. Bei unpolarisiertem Licht besitzen die einzelnen Wellenzüge keine gemeinsame Vorzugsrichtung. Sonnenlicht und Licht thermischer Lampen sind im Allgemeinen unpolarisiert. Bei linear polarisiertem Licht bleibt die Schwingungsrichtung des E-Feldes fest. Die Feldstärke ändert dabei periodisch ihren Betrag und ihr Vorzeichen.
Definition
Polarisation
Die Polarisation beschreibt, wie sich der elektrische Feldvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung bewegt. Meist betrachtet man dafür nur das elektrische Feld, kurz E-Feld.
Beispiel
- 1Stell dir eine Lichtwelle vor, die nach vorn läuft.
- 2Schwingt ihr E-Feld stets nur nach oben und unten, ist das Licht vertikal linear polarisiert.
- 3Schwingen verschiedene Wellenzüge dagegen in zufällig verteilten Richtungen, ist das Licht unpolarisiert.
Merke: Nur Transversalwellen können polarisiert werden. Die Polarisation betrifft eine Richtung senkrecht zur Ausbreitung der Welle.
Teste dich
Bei einem häufig verwendeten Folienfilter sind lange Molekülketten parallel ausgerichtet. E-Feldanteile parallel zu diesen Ketten regen Ladungen zum Schwingen an und werden weitgehend absorbiert. Die dazu senkrechte Komponente passiert den Filter. Die Durchlassachse dieses Filters zeigt daher in die Richtung des durchgelassenen E-Feldes. Sie steht senkrecht zur Richtung der Molekülketten. Ein zweiter Filter heißt Analysator, wenn du mit ihm die vorhandene Polarisation untersuchst.
Bei parallelen Achsen: Das Licht passiert den zweiten idealen Filter ohne weitere winkelbedingte Abschwächung. Bei um 90^\circ gekreuzten Achsen: Der zweite Filter lässt keine passende Feldkomponente durch; idealerweise bleibt es dunkel. Bei einer Zwischenstellung: Ein Teil des Lichts passiert den Analysator.
Beispiel
- 1Trifft unpolarisiertes Licht auf einen idealen linearen Filter, bleibt hinter ihm nur die Feldkomponente entlang der Durchlassachse übrig.
- 2Das austretende Licht ist linear polarisiert.
- 3Seine Intensität beträgt im idealisierten Fall die Hälfte der ursprünglichen Intensität.
Merke: Wenn Licht austritt, entspricht seine Polarisationsrichtung der Durchlassachse des idealen linearen Filters.
Teste dich
Für linear polarisiertes Licht gilt beim idealen Analysator das Malus-Gesetz:
I=I_P\cdot\cos^2(\varphi)
Dabei ist I die Intensität hinter dem Analysator und I_P die Intensität davor, also bei parallelen Achsen. Der Winkel \varphi liegt zwischen der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts und der Analysatorachse.
Achte auf die Bezugsgröße: Trifft zuerst unpolarisiertes Licht auf einen idealen Polarisator, wird dessen Intensität zunächst halbiert. Erst danach wendest du das Malus-Gesetz auf den Winkel zum zweiten Filter an.
Beispiel
- 1Vor dem Analysator beträgt die Intensität I_P = 8\,\mathrm{W/m^2}. Der Winkel ist \varphi = 60^\circ.
- 2Zuerst setzt du die Werte in das Malus-Gesetz ein:
- 3I = 8\,\mathrm{W/m^2} \cdot \cos^2(60^\circ)
- 4Weil \cos(60^\circ)=0{,}5 gilt, folgt:
- 5I = 8\,\mathrm{W/m^2} \cdot 0{,}25 = 2\,\mathrm{W/m^2}
- 6Hinter dem Analysator beträgt die Intensität also 2\,\mathrm{W/m^2}. Das Ergebnis ist plausibel: Es liegt zwischen vollständiger Transmission bei 0^\circ und idealer Auslöschung bei 90^\circ.
Teste dich
Die Spitze des E-Feldvektors kann sich unterschiedlich bewegen. Stell dir vor, du blickst entlang der Ausbreitungsrichtung auf die Welle. Bei linearer Polarisation verläuft die Spitze auf einer Geraden, bei zirkularer auf einem Kreis und bei elliptischer auf einer Ellipse.
Ein \lambda/4-Plättchen kann bei seiner passenden Wellenlänge eine der beiden senkrechten Feldkomponenten um eine Viertelperiode gegenüber der anderen verzögern. Trifft linear polarisiertes Licht unter passenden Bedingungen darauf, kann zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht entstehen.
Auch Reflexion an einer glatten Grenzfläche durchsichtiger, nichtleitender Stoffe kann Licht polarisieren. Die Einfallsebene wird vom einfallenden Strahl und dem Lot auf die Oberfläche aufgespannt. Beim Brewsterwinkel wird die zur Einfallsebene parallele E-Feldkomponente im Idealmodell nicht reflektiert. Trifft unpolarisiertes Licht auf die Grenzfläche, ist das reflektierte Licht dann senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert. Reflektierter und gebrochener Strahl stehen dabei senkrecht aufeinander.
Für den Übergang von Luft mit n\approx1 zu einem solchen Material mit Brechzahl n_M gilt:
\tan(\alpha_{\mathrm{Br}})=n_M
Polarisierte Sonnenbrillen können einen großen Teil des polarisierten Reflexionslichts von Wasser oder Glas herausfiltern. Dadurch blenden solche Flächen weniger.
Optische Aktivität bedeutet, dass ein Stoff die Ebene linear polarisierten Lichts dreht. Bei einer Zuckerlösung gilt:
\alpha=[\alpha]\cdot c\cdot d
Der Drehwinkel \alpha hängt von der spezifischen Drehung [\alpha], der Konzentration c und der durchstrahlten Schichtdicke d ab. Die spezifische Drehung hängt außerdem vom Stoff, vom Lösungsmittel, von der Wellenlänge und von der Temperatur ab. Für einen Konzentrationsvergleich müssen diese Bedingungen übereinstimmen. Sind die übrigen Größen bekannt, kann ein Polarimeter die Konzentration bestimmen.
Definition
Lineare Polarisation
Die Spitze des E-Feldvektors bewegt sich auf einer geraden Linie. Die Schwingungsrichtung bleibt fest.
Definition
Elliptische Polarisation
Die Spitze des E-Feldvektors beschreibt eine Ellipse. Sie entsteht durch die Überlagerung zweier senkrechter Feldkomponenten mit geeigneten Amplituden und einer Phasendifferenz.
Definition
Zirkulare Polarisation
Die Spitze des E-Feldvektors beschreibt einen Kreis. Zirkulare Polarisation ist ein Spezialfall der elliptischen Polarisation: Die senkrechten Komponenten sind gleich groß und haben die Phasendifferenz \Delta\varphi=\frac{\pi}{2}.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Polarisation
Feldrichtung
Polarisation beschreibt das elektrische Feld
Linear
das Feld schwingt entlang einer festen Richtung
Filter
die Durchlassachse wählt eine Feldkomponente aus
Gekreuzt
ideale lineare Filter löschen das Licht aus
Malus-Gesetz
die Intensität folgt dem Quadrat des Kosinus
Weitere Arten
elliptische und zirkulare Polarisation
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Zwei Filter mit schrägen Achsen
- 1Unpolarisiertes Licht mit I_0=18\,\mathrm{W/m^2} trifft auf zwei ideale lineare Filter. Der Winkel ihrer Achsen beträgt 60^\circ.
- 2Nach dem ersten Filter ist die Intensität I_P=I_0/2=9\,\mathrm{W/m^2}.
- 3Mit \cos(60^\circ)=0{,}5 folgt \cos^2(60^\circ)=0{,}25.
- 4I=9\,\mathrm{W/m^2}\cdot0{,}25=2{,}25\,\mathrm{W/m^2}
- 5Die Intensität hinter beiden Filtern beträgt im Idealmodell 2{,}25\,\mathrm{W/m^2}.
Fehler finden
Erster Filter und Analysator In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Der erste Filter halbiert die Intensität auf I_P=16\,\mathrm{W/m^2}/2=8\,\mathrm{W/m^2}. Mit \cos^2(30^\circ)=0{,}75 folgt I=8\,\mathrm{W/m^2}\cdot0{,}75=6\,\mathrm{W/m^2}.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Ein linearer Filter lässt die E-Feldkomponente entlang seiner durch. Bei ideal gekreuzten Achsen bleibt es . Für linear polarisiertes Licht gilt das .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback