Phasensprung

Grundidee und Bedeutung

Ein Phasensprung ist ein physikalischer Vorgang, bei dem sich die Phase einer Welle abrupt ändert. Die Phase beschreibt, an welcher Stelle ihres Schwingungsverlaufs sich eine Welle befindet. Ein Phasensprung kann verschiedene Werte haben; im Artikel werden beispielhaft etwa 90° und 180° genannt.

Phasensprünge sind wichtig für Interferenzphänomene, also für die Überlagerung von Wellen. Besonders bedeutsam sind sie bei der Bildung stehender Wellen in geschlossenen Räumen. Eine stehende Welle entsteht, wenn sich einfallende und reflektierte Wellen so überlagern, dass feste Schwingungsknoten und Schwingungsbäuche entstehen.

Allgemeine Fälle

Phasensprünge beliebiger Werte können spontan in einer Lichtquelle entstehen. In Glühlampen treten sie sehr häufig auf, in Lasern dagegen sehr selten; in diesem Zusammenhang verweist der Artikel auf die Kohärenzlänge.

Bei elektromagnetischen Wellen treten Phasensprünge häufig bei Reflexion an bestimmten Grenzflächen auf. Ähnliche Verhältnisse gelten bei einer unstetigen Änderung der Wellenimpedanz, zum Beispiel an der Verbindungsstelle einer elektrischen Leitung wie einem Koaxialkabel mit einer Antenne.

Für quantenmechanische Wellenfunktionen ergibt sich bei der Reflexion an einem Potentialwall ein Phasensprung von π.

Elektromagnetische Wellen

Der wichtigste Fall ist die Reflexion an einer Grenzfläche. Das Verhältnis der Amplitude der elektrischen Feldstärke der einfallenden und der reflektierten elektromagnetischen Welle wird durch die fresnelschen Formeln beschrieben. Ist dieses Verhältnis reell und negativ, liegt eine Amplitudenumkehr vor. Dann sind einfallende und reflektierte Welle um λ/2 gegeneinander verschoben, wobei λ die Wellenlänge ist. Das entspricht einer Phasenverschiebung von Δφ = π = 180°.

Ein solcher Phasensprung tritt beim Übergang zum optisch dichteren Medium oder an einer Metalloberfläche bei senkrechter Polarisation auf. Bei paralleler Polarisation tritt er für Einfallswinkel ab dem Brewster-Winkel auf. Beim Übergang zum optisch dünneren Medium, zum Beispiel von Glas zu Luft, tritt der Phasensprung dagegen nur bei paralleler Polarisation für Einfallswinkel bis zum Brewster-Winkel auf.

Elektrisches und magnetisches Feld

Bei elektromagnetischen Wellen stehen der magnetische Feldstärkevektor, der elektrische Feldstärkevektor und die Ausbreitungsrichtung senkrecht zueinander. Deshalb gilt für elektrisches und magnetisches Feld genau das Umgekehrte: Wenn das elektrische Feld einen Phasensprung von 180° erfährt, hat das magnetische Feld keinen Phasensprung; wenn das magnetische Feld einen Phasensprung hat, hat das elektrische Feld keinen.

Für den transmittierten Strahl tritt an der Grenzfläche niemals eine Amplitudenumkehr auf. Das Amplitudenverhältnis ist stets positiv. Daher erfährt der transmittierte Strahl keinen Phasensprung an der Grenzfläche.

Wasserwellen

Bei Wasserwellen hängt der Phasensprung stark von der Art der Reflexion ab. An einer vertikalen Wand, etwa einer Ufermauer, ist die Reflexion nahezu perfekt; dabei tritt kein nennenswerter Phasensprung auf. Bei geneigten Uferböschungen oder geneigten Wänden ist die Größe des Phasensprungs dagegen abhängig vom Neigungswinkel, von der Oberflächenbeschaffenheit der Wand sowie von Länge und Höhe der Wellen.

Unter solchen Bedingungen überlagern sich einfallende und reflektierte Wellen zu partiell stehenden Wellen, die als partielle Clapotis bezeichnet werden. Bei relativ steilen Uferböschungen werden die Phasensprünge größer, je kürzer die Wellen sind und je geringer die Böschungsneigung ist. Für Phasensprünge mit Δφ ≈ π = 180° liegt ein Schwingungsknoten etwa an der Böschungsoberfläche. Phasensprünge mit Δφ > π = 180° wurden für ebene Böschungsneigungen 1:n ≤ 1:3 und Wellenfrequenzen f ≥ 0,6 Hz ermittelt. Der Phasensprung erscheint auch als Phasenwinkel eines komplex definierten Reflexionskoeffizienten.