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Polarisation des Lichts

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Handout
Physics

University, School

KGS Rastede

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15 Punkte, 2018

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Tadao Ando - Kirche des Lichts
Kirche des Lichts Die Architektur des berühmten, japanischen Architekten wird oft als „Architektur der Stille“ bezeichnet. Er selbst sagt: „I do not believe architecture has to speak too much. It should remain silent and let nature in the guise of sunlight and wind.”. Ando möchte also gar nicht, dass seine Architektur die Natur übertrumpft, er möchte, dass seine Architektur still ist und damit die Schönheit der Natur hervorheben. Diese Philosophie lässt sich auch am Beispiel „Kirche des Lichts“ erkennen, welche 1987-1989 von Tadao…

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Polarisation des Licht


Was ist Licht?

Im Wellenmodel ist Licht elektromagnetische Transversalwelle.

Eine Transversalwelle ist eine Welle, bei der die Schwingungsrichtung senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung steht.

Bei einer elektromagnetischen Transversalwelle ändern sich das elektrische und magnetische Feld räumlich und zeitlich. E-Feld und B-Feld stehen dabei senkrecht aufeinander, beide wiederum stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle (da es sich eben um eine Transversalwelle handelt).

Sie haben ein festes Größenverhältnis, insbesondere verschwinden elektrisches und magnetisches Feld an denselben Orten zu selben Zeit.


Polarisation

Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle.

Dabei bezieht man sich meist auf die Richtung des E-Feld-Vektors. Der B-Feld-Vektor schwingt entsprechend senkrecht zu ihrer Polarisationsrichtung.

Sonnenlicht oder das Licht von Glühlampen ist meistens nicht polarisiert. Unpolarisiert bedeutet, dass jeder Wellenzug des Lichtes zufällig in eine Raumrichtung schwingt, d.h. alle Schwingungsrichtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung kommen vor.


Es gibt drei Arten polarisierten Lichts:


  • Lineare Polarisation

Das E-Feld schwingt in einer Ebene entlang der Ausbreitungsrichtung.


  • Zirkulare Polarisation

Die Schwingungsrichtung ändert sich entlang einer Schraubenlinie. Projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ergibt sich ein Kreis.

Dabei dreht sich der elektrische Feldvektor mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Je nach Drehrichtung spricht man von rechts- oder linkszirkular polarisiertem Licht.


  • Elliptische Polarisation

Dies ist eine besondere Form des zirkular polarisierten Lichts. Projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ergibt sich eine Ellipse, d.h. die Amplitude verändert sich.

Polarisationsfilter (kurz: Polfilter)

Um aus unpolarisiertem Licht polarisiertes Licht zu erzeugen, werden Polarisationsfliter (kurz: Polfilter) genutzt.

Diese lassen nur eine Polarisationsrichtung durch. Sie bestehen aus Polymerschichten, bei denen die Polymerketten parallel zueinander angeordnet sind.

Schwingt der E-Feld-Vektor parallel zu den Polymerketten, kann die Welle sie sehr leicht zu Schwingungen anregen - d.....[read full text]

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Zwei Polarisationsfilter senkrecht zueinander

Das durch den 1. Filter polarisierte Licht kann den 2. Filter nicht passieren.

Ist der Polfilter beispielsweise so ausgerichtet, dass nur der vertikal schwingende Anteil des Lichts ihn passieren kann, ist das Licht vertikal polarisiert und besitzt keinen horizontal schwingenden Anteil mehr, der den zweiten, um 90° gedrehten Filter passieren könnte.


Mit dem Gesetz von Malus ergibt sich ebenfalls, dass die Intensität des Lichts hinter dem zweiten Polfilter 0 ist:

I = I0 * cos2(90°)= 0


Zwei Polarisationsfilter verdreht (z.B. um 45°) zueinander

Ein Teil des Lichts kann auch den zweiten Polfilter passieren (wenn auch die Intensität des polarisierten Lichts dabei abnimmt). Der E-Feld-Vektor des durch den ersten Polfilter polarisierten Lichts kann in einen Teil parallel und einen horizontal zur sogenannten optischen Achse des Filters (parallel zu dieser Achse schwingende Anteile des Lichts können den Filter unverändert passieren) zerlegt werden - der parallel zu dieser Achse schwingende Anteil des Lichts kann den Filter passieren.

So entsteht polarisiertes Licht einer neuen Polarisationsrichtung und geringerer Intensität.


Mit dem Gesetz von Malus ergibt sich ebenfalls, dass die Intensität des Lichts geringer geworden ist: I = I0 * cos2(45°)= I0/2

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Polarisation durch Streuung

Jede Schwingungsrichtung des unpolarisierten Lichts kann in einen in y- und einen in z-Richtung schwingenden Anteil zerlegt werden. Ein durch das Licht in Schwingungen versetzter Dipol im Streuzentrum strahlt senkrecht zu seiner Schwingungsachse mit maximaler Intensität ab.

Daher ist das Licht, dass in y-Richtung gestreut wird, in z-Richtung polarisiert; Licht, das in z-Richtung gestreut wird, ist in y-Richtung polarisiert.


Polarisation durch Reflexion - Brewster-Winkel

Der Brewster-Winkel ist der Winkel, bei dem von einfallendem, unpolarisiertem Licht nur die senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteile reflektiert werden. Dies ist der Fall, wenn der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl 90° beträgt.

Bei parallel zur Einfallsebene polarisiertem Licht, das mit dem Brewster-Winkel einfällt, entfällt die Reflexion.


Herleitung zur Ermittlung des Brewster-Winkels:


Für den einfallenden Strahl gilt: θein = θB = θaus


Für den gebrochener Strahl gilt: θbrech = 180° - 90° - θB = 90° - θB


Einsetzen ins Brechungsgesetz n1 sin(θein) = n2 sin(θbrech) :


n1 sin(θB) = n2 sin(90° - θB) = n2 cos(θB)


n1 sin(θB) = n2 cos(θB) I : n1

sin(θB) = (n2/n1) cos(θB) I : cos(θB)

tan(θB) = n2/n1


=> θB = arctan( n2/n1)

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r den Drehwinkel bei Flüssigkeiten gilt:

α= a*c*l (c: Konzentration)


Sind spezifischer Drehwinkel und die Länge des Lichtwinkels bekannt, kann folglich abhängig vom erfassten Drehwinkel α die Konzentration eines Stoffes in einer Lösung bestimmt werden.

Dies findet hauptsächlich in der Medizin Anwendung, z.B. zur Bestimmung der Konzentration von Zucker in Blut.


LCD-Bildschirme

LCD-Bildschirme (LCD: Liquid Crystal Display), die z.B. bei PC, Laptop oder Taschenrechner verbaut sind, senden polarisiertes Licht aus.

Eine LCD-Zelle besteht aus zwei zueinander senkrecht stehenden Polarisationsfiltern. Zwischen diesen befindet sich zwei Elektroden, an denen jeweils eine Orientierungsschicht aufgebracht ist.

Zwischen diesen Elektroden befinden sich die länglichen Flüssigkristalle. Da die Orientierungsschichten wie die Polfilter um 90° zueinander verdreht sind, ordnen sich die Flüssigkristalle auch verdreht an.

Das unpolarisierte Licht der Hintergrundbeleuchtung wird durch den ersten Polfilter polarisiert. Durch die verdrehte Anordnung der Flüssigkristalle wird die Polarisationsebene des polarisierten Lichts um 90° gedreht, sodass das Licht auch den zweiten Polfilter unge.....

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