Wenn Du schon einmal Angeln warst, oder Dich in einer Schneelandschaft umgeschaut hast, dann hast Du vielleicht gemerkt, dass einzelne beschneite Strukturen oder die Fische unter Wasser schlecht erkennbar sind. Dies liegt daran, dass vom Schnee oder der Wasseroberfläche viel Licht reflektiert wird. Glücklicherweise kannst Du das aber umgehen, indem Du eine Polarisationsbrille nutzt!
Die Aufgabe Deiner Polarisationsbrille ist nämlich die Polarisation von Licht (elektromagnetischer Wellen). Diese kann entweder durch Reflexion oder durch Streuung erfolgen. Mehr über die Bedeutung der Polarisation, ihre physikalische Definition so wie die unterschiedlichen Formen – unter anderem die lineare Polarisation – erfährst Du hier!
Polarisation Physik
Licht kann auf unterschiedlichem Weg in Dein Auge treffen – etwa direkt von der Strahlungsquelle oder durch Reflexion an einer Oberfläche. Dass Du Objekte überhaupt sehen kannst, wird unter anderem durch Reflexion verursacht. Reflexion erschwert es allerdings auch in der Regel, dass Du Kontraste gut wahrnehmen kannst.
Wenn Du versuchst, durch eine Wasseroberfläche Fische zu beobachten, dann merkst Du, dass die Sicht auf die Fische durch Spiegelungen erschwert wird. Auch in der Fotografie hast Du mit Reflexion zu kämpfen, wenn Du Fenster oder andere spiegelnde Oberflächen fotografieren möchtest. Für diese Probleme gibt es allerdings auch eine Lösung, die auf der Polarisation von Licht basiert.
Polarisation von Licht
Licht kannst Du Dir einerseits als Strahl und andererseits als elektromagnetische Welle vorstellen.
Welches Modell Du verwendest, hängt davon ab, welches Verhalten Du beschreiben möchtest.
Um Polarisation zu erklären, betrachtest Du Licht als elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen setzen sich dabei aus einem elektrischen (E-Feld) und einem magnetischen Feld (B-Feld) zusammen, die senkrecht zueinander schwingen:
Eine ausführliche Erklärung zu elektromagnetischen Wellen findest Du bei „Elektromagnetische Felder“. Wenn Dich dieses Thema näher interessiert, schau doch in „Licht als Welle“ vorbei!
Die Schwingung erfolgt stets senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, kann aber im Raum unterschiedlich orientiert sein. So muss das elektrische Feld nicht zwangsläufig entlang der x-Achse, sondern kann auch entlang der y-Achse oder beliebig in der x-y-Ebene schwingen.
Polarisation Definition
Wie die Schwingung letztlich räumlich orientiert ist, wird durch die Polarisation angegeben.
Als Polarisation bezeichnest Du die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Welle.
Dies gilt im Allgemeinen für Transversalwellen, wo die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt.
Dabei sind unterschiedliche Polarisationsarten möglich.
Polarisation elektromagnetischer Wellen
Licht, welches uns von der Sonne aus erreicht oder das, was aus der Glühbirne Deiner Tischlampe kommt, ist unpolarisiert. Das bedeutet, dass die austretenden Wellen willkürlich in alle Raumrichtungen schwingen:
Wird wiederum nur eine Polarisationsrichtung bevorzugt, so sprichst Du von linearer Polarisation.
Lineare Polarisation
Linear polarisiertes Licht zeichnet sich durch eine konstante Schwingungsrichtung aus. Die Schwingung kann beispielsweise entlang der y-Achse erfolgen:
So wie in fast allen Beschreibungen wird auch hier das magnetische Feld – für die Übersichtlichkeit – vernachlässigt.
Zur Vereinfachung kannst Du die Polarisationsrichtung auch in der x-y-Ebene darstellen. Bei der linearen Polarisation entspricht sie dem Vektor des elektrischen Feldes, der sich entlang einer Achse auf und ab bewegt.
Zirkulare und elliptische Polarisation
Dreht sich die Schwingungsrichtung des elektromagnetischen Feldes hingegen mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, so sprichst Du vom zirkular polarisierten Licht.
Das elektrische Feld einer zirkular polarisierten Lichtwelle rotiert um die Achse herum, entlang der sich die Welle ausbreitet. Schaust Du dabei auf die x-y-Ebene, so bewegt sich der elektrische Feldvektor entsprechend auf einem Kreis.
Neben der linearen und der zirkularen Polarisation gibt es auch die elliptische Polarisation. Diese kannst Du Dir wie die zirkulare Polarisation vorstellen – mit dem Unterschied, dass sich der elektrische Feldvektor nicht auf einem Kreis, sondern auf einer Ellipse bewegt. Das elektrische Feld rotiert also ebenfalls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung – allerdings nicht kreis-, sondern ellipsenförmig.
Tatsächlich ist die zirkulare Polarisation ein Sonderfall der elliptischen Polarisation.
Doch wie kommt es zu diesen unterschiedlichen Polarisationsarten?
Entstehung vom polarisierten Licht
Licht kann durch die Überlagerung mehrerer elektromagnetischer Wellen polarisiert werden. Um welche Art von Polarisation es sich dabei handelt, kommt ganz auf die Phasenverschiebung der überlagernden Wellen an:
Sofern keine Phasenverschiebung stattfindet, überlagern sich zwei Wellen zu einer linear polarisierten Gesamtwelle. Dabei spielt es keine Rolle, welche Amplituden die einzelnen Wellen haben – denn diese addieren sich einfach durch konstruktive Interferenz.
Die Amplitude entspricht dabei der „Länge“ des elektrischen Feldvektors in beide Richtungen. Mehr zu den charakteristischen Größen von Wellen erfährst Du in der Erklärung zur „Beschreibung von Wellen“.
Bei einer beliebigen Phasenverschiebung überlagern sich Wellen unterschiedlicher Amplitude zu einer Gesamtwelle, die elliptisch polarisiert ist. Die Kombination aus Phasenverschiebung und unterschiedlichen Amplituden trägt nämlich dazu bei, dass der elektrische Feldvektor an unterschiedlichen Stadien der Ausbreitung unterschiedlich lang ist. Damit ergibt sich die Ellipse, auf welcher er sich bewegt.
Liegt wiederum eine Phasenverschiebung von genau \(\frac{\lambda}{4}\) vor und sind die Amplituden der überlagernden Wellen gleich groß, so ist die sich ergebende Welle zirkular polarisiert.
Die Phasenverschiebung – und somit die unterschiedlichen Polarisationsarten – können durch unterschiedliche Polarisationsmechanismen entstehen.
Polarisationsmechanismen
Licht kann etwa durch Reflexion oder durch Streuung polarisiert werden. Zweiteres kannst Du sogar an einem sonnigen Tag mit bloßem Auge beobachten: Schaust Du an einem sonnigen Tag in den Himmel, so fällt Dir vielleicht auf, dass dieser nicht überall denselben Blauton hat. Einige Bereiche sehen nämlich dunkler aus als andere.
Unterschiedliche Helligkeiten entstehen, wenn Licht unterschiedlicher Intensität Dein Auge erreicht. Je dunkler ein Bereich dabei erscheint, desto weniger Strahlung geht von diesem aus.
Von dunkleren Bereichen am Himmel geht also weniger Strahlung aus als von helleren. Doch wie kannst Du dies erklären?
Polarisation durch Streuung
Die Antwort darauf, dass der sonnige Himmel nicht überall gleich hell ist, ist Streuung – oder besser gesagt: Polarisation durch Streuung.
Als Streuung bezeichnest Du die Ablenkung eines Teilchens oder einer Welle nach Wechselwirkung mit einem anderen Objekt. Durch Streuung kann Licht polarisiert werden.
Die Sonne sendet unpolarisiertes Licht aus – also Wellen, die in alle Raumrichtungen schwingen. Tritt dieses Licht in die Erdatmosphäre ein, so trifft es auf Luftmoleküle, mit denen es auf unterschiedliche Weise wechselwirken kann. Eine Möglichkeit ist dabei die Streuung: Das Licht wird durch die Luftmoleküle in eine andere Richtung gelenkt.
Je öfter der Strahl dabei auf andere Luftmoleküle trifft, bevor er Dein Auge erreicht, desto häufiger wird er gestreut. Was jedes Mal dabei passiert, kannst Du Dir folgendermaßen vorstellen:
Die verschiedenen Polarisationsrichtungen des (unpolarisierten) Sonnenlichts werden an den Lichtmolekülen in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut. Dabei werden die einzelnen Komponenten stets so gestreut, dass sie sich in Richtung senkrecht zu ihrer Schwingungsrichtung weiter ausbreiten: Schwingt eine Komponente beispielsweise entlang der y-Achse, so breitet sie sich nach der Streuung entlang der x-Achse aus. Ist die Welle hingegen parallel zur x-Achse polarisiert, so erfolgt die Ausbreitung entlang der y-Achse.
Da also unterschiedliche Polarisationsrichtungen in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut werden, erreicht Dein Auge weniger Licht, als von der Sonne abgestrahlt wird. Sofern Du entlang der Ausbreitungsrichtung schaust, erreicht Dein Auge linear polarisiertes Licht. Wird das Licht unterwegs wiederum an mehreren Luftteilchen gestreut, so nimmt seine Intensität zusätzlich bei jedem Streuvorgang ab. Die Stelle, in die Du blickst, erscheint somit dunkler.
Polarisation durch Reflexion
Neben Streuung kann Polarisation auch durch Reflexion erreicht werden. Dies kann an reflektierenden Oberflächen, wie einer Fensterscheibe, dem Schnee oder der Wasseroberfläche auftreten:
Trifft ein Lichtstrahl beispielsweise auf eine Wasseroberfläche, so wird ein Teil davon gebrochen und der andere Teil nach dem Reflexionsgesetz reflektiert.
Je nach Einfallswinkel kann dabei linear polarisiertes Licht erzeugt werden.
Fällt der Strahl in einem bestimmten Winkel ein, so wird nur der Anteil des Lichts reflektiert, der senkrecht zur Einfallsebene verläuft. Der entsprechende Einfallswinkel heißt Brewster-Winkel \(\alpha_B\). Er wird durch die Brechungsindices der beiden Stoffe, \(n_1\) und \(n_2\) bestimmt:
$$\alpha_B=\tan^{-1}\Big(\frac{n_2}{n_1}\Big)$$
Auch zum Brewster-Winkel gibt es eine ausführliche Erklärung mit weiteren Beispielen!
Entspricht der Einfallswinkel dem Brewster-Winkel, so liegen nämlich der Brechungswinkel \(\beta\) und der Reflexionswinkel \(\alpha '\) senkrecht zueinander. Was dabei passiert, kannst Du Dir vereinfacht an einem Strahl aus zwei linear polarisierten Wellen vorstellen:
Einer dieser Strahlen verläuft parallel zur Einfallsebene, die senkrecht auf der Grenzfläche – z.B. der Wasseroberfläche – steht. Die zweite Welle schwingt senkrecht zur Einfallsebene – also praktisch durch diese hindurch. Trifft der Strahl nun im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche, so tritt nur die parallele Komponente in das andere Medium ein. Die senkrechte Komponente wird wiederum reflektiert.
Weil der Brewster-Winkel nur durch die Brechungsindices der beiden Medien bestimmt ist, an deren Übergang die Reflexion stattfindet, kann praktisch an jeder Oberfläche linear polarisiertes Licht erzeugt werden. Damit kannst Du unterschiedliche reflektierende Materialien als Polarisator verwenden.
Polarisationsfilter
Mit Polarisatoren kannst Du Licht bestimmter Polarisationsrichtungen herausfiltern, während eine oder mehrere andere Polarisationsrichtungen durchgelassen werden. Du erzeugst damit also polarisiertes Licht. Ein Spezialfall des Polarisators ist der Polarisationsfilter.
Der Polarisationsfilter dient dazu, Licht bestimmter Polarisationsrichtungen herauszufiltern. Dabei werden diese Polarisationsrichtungen von den Molekülen im Filter absorbiert.
Du kannst Dir den Polarisationsfilter praktisch wie ein Sieb vorstellen:
Licht, das in Durchlassrichtung polarisiert ist, kann den Filter passieren, während andere Polarisationsrichtungen nahezu vollständig herausgefiltert werden. Dies wird unter anderem in Polarisationsbrillen ausgenutzt, die unter anderem von Anglern verwendet werden:
Die Fische, so wie andere Strukturen unterhalb der Wasseroberfläche, reflektieren Licht. Auch die Wasseroberfläche reflektiert Licht – es findet also insgesamt viel Reflexion statt. Das Sonnenlicht fällt dabei immer aus der gleichen Richtung ein. Die Objekte unter und oberhalb der Wasseroberfläche sind aber in unterschiedlichen Winkeln zur einfallenden Strahlung orientiert. Es kann also sein, dass auf einige dieser Objekte Licht im Brewster-Winkel fällt und auf andere nicht.
Daraus folgt, dass in unterschiedliche Richtungen Licht einer anderen Polarisationsrichtung reflektiert wird. Mit einem Polarisationsfilter – etwa in einer Polarisationsbrille – kannst Du nun eine oder mehrere dieser Richtungen herausfiltern. Dadurch erscheint ein Bereich durch die Brille dunkler als der andere und der Kontrast wird erhöht. Die Brille kannst Du dann so einstellen, dass eben die gewollten Bereiche kontrastreicher für Dein Auge werden.
Dasselbe Prinzip wird auch in der Fotografie verwendet, um Spiegelungen zu vermeiden.
Polarisation – Das Wichtigste
Die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Welle bezeichnest Du als Polarisation. Dabei unterscheidest Du drei Polarisationsarten:
Lineare Polarisation
Elliptische Polarisation
Zirkulare Polarisation
Linear polarisiertes Licht entsteht, wenn zwei Lichtwellen ohne Phasenverschiebung konstruktiv überlagern.
Elliptisch polarisiertes Licht entsteht, wenn zwei Lichtwellen unterschiedlicher Amplitude und einer beliebigen Phasenverschiebung überlagern.
Zirkular polarisiertes Licht entsteht, wenn die beiden Lichtwellen eine Phasenverschiebung von genau \(\frac{\pi}{4}\) und die gleiche Amplitude aufweisen.
Polarisation kann entweder durch Streuung oder durch Reflexion erfolgen.
Als Lichtstreuung bezeichnest Du dabei die Ablenkung des Lichtstrahls durch Wechselwirkung mit einem Objekt.
Linear polarisiertes Licht wird reflektiert, wenn der Lichtstrahl im Brewster-Winkel auf eine Grenzfläche trifft. Der entsprechende Wert wird durch die Brechungsindices \(n_1\) und \(n_2\) der Medien bestimmt:
$$\alpha_B=\tan^{-1}\Big(\frac{n_2}{n_1}\Big)$$
Polarisation kannst Du in Polarisatoren oder Polarisationsfiltern verwenden, um Kontraste zu erhöhen und Spiegelungen zu vermeiden.
Nachweise
- chemgapedia.de: elliptisch polarisiertes Licht. (08.10.2022)
- chemgapedia.de: Optische Grundlagen zur Sensorik. (08.10.2022)
- chemgapedia.de: Polarisationsmechanismen - Polarisation durch Streuung. (10.10.2022)
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