7. Elektromagnetische Wellen. 7.1 Maxwellsche Gleichungen

Transkript

1 7. Elektromagnetische Wellen 7.1 Maxwellsche Gleichungen Prof. Dr. H. Podlech 1 Einführung in die Physik 2

2 Zusammenfassung der bisherigen Grundgleichungen der Elektrodynamik Elektrische Ladungen sind die Quellen der elektrostatischen Felder Das Magnetfeld ist quellfrei Zeitlich variable Magnetfelder erzeugen elektrische Felder Elektrische Ströme sind Quellen des Magnetfeldes Prof. Dr. H. Podlech 2 Einführung in die Physik 2

3 Maxwell Inspiriert vom Faraday schen Induktionsgesetz fragte sich James Clerk Maxwell, ob zeitliche veränderliche elektrische Felder (genauer elektrischer Fluss) auch Magnetfelder erzeugen. Zusatzterm im Induktionsgesetz Prof. Dr. H. Podlech 3 Einführung in die Physik 2

4 Maxwellsche Gleichungen der Elektrodynamik Die Grundgleichungen der Elektrodynamik (Maxwellsche Gleichungen) beschreiben ALLE elektrodynamischen Vorgänge der klassischen Physik Prof. Dr. Brauchen H. Podlech Sie sich nicht zu merken, links 4 Integralform, rechts Differenzialform Einführung in die Physik 2

5 Die Grundgleichungen der klassischen Physik Mittels der Maxwellschen Gleichungen und den drei Newtonschen Gesetzen kann die gesamte klassische Physik beschrieben werden. Später werden wir die Grenzen der klassischen Physik kennen lernen Prof. Dr. H. Podlech 5 Einführung in die Physik 2

6 7.2 Wellengleichung g und der Lösungen Prof. Dr. H. Podlech 6 Einführung in die Physik 2

7 Wellengleichung Mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen lassen sich zwei Differenzialgleichungen für das elektrische und magnetische Feld herleiten, deren Lösungen Wellen sind Wellengleichung Diese Wellengleichungen haben eine große Ähnlichkeit mit den Schwingungsgleichungen, g g g allerdings taucht hier die Ausbreitungsgeschwindigkeit g g (Lichtgeschwindigkeit c) auf. Prof. Dr. H. Podlech 7 Einführung in die Physik 2

8 Wellengleichung Die einfachste Form von Lösungen der Wellengleichung sind eben Wellen der Form Zum Beweis werden die Lösungen in die Wellengleichung eingesetzt Prof. Dr. H. Podlech 8 Einführung in die Physik 2

9 Lösungen der Wellengleichung T Prof. Dr. H. Podlech 9 Einführung in die Physik 2

10 Lichtgeschwindigkeit Aufgrund der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lösungen der Wellengleichung l (Lichtgeschwindigkeit h i it c) vermutete t Maxwell, dassessich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt. Prof. Dr. H. Podlech 10 Einführung in die Physik 2

11 Maxwell 1864 Diese Geschwindigkeit ist so nahe an der Lichtgeschwindigkeit, dass wir einen starken Grund zu der Annahme haben, dass das Licht selbst (einschließlich Wärmestrahlung und anderer Strahlung, falls es sie gibt), eine elektromagnetische Welle ist. James Clerk Maxwell Prof. Dr. H. Podlech 11 Einführung in die Physik 2

12 Maxwell Maxwell wird idim Allgemeinen als der Naturwissenschaftler des 19. Jahrhunderts angesehen, der den größten Einfluss auf die Physik des 20. Jahrhunderts hatte, indem er Beiträge zu den grundlegenden d Naturmodellen lieferte. 1931, zum hundertsten Jahrestag von Maxwells Geburt, beschrieb Einstein das Werk Maxwells als das Tiefste und Fruchtbarste, das die Physik seit Newton entdeckt hat. Die quantitative Verbindung zwischen Licht und Elektromagnetismus ti wird id als ein großer Ti Triumph der Physik des 19. Jahrhunderts angesehen. Elektromagnetische Wellen spielen heute eine herausragende Rolle in unsere technisierten Welt Prof. Dr. H. Podlech 12 Einführung in die Physik 2

13 Elektromagnetische Wellen Anfangs dachte man, elektromagnetische Wellen sind an ein Medium gebunden (wie Wasser- oder Schallwellen). Dieses Medium sollte der Raum erfüllende Äther sein. Heute wissen wir, dass für die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen kein Medium benötigt wird. Die Nicht-Existenz dieses Äthers hatte umwälzende Konsequenzen zur Folge (Relativitätstheorie) Prof. Dr. H. Podlech 13 Einführung in die Physik 2

14 7.3 Elektromagnetische Wellen Prof. Dr. H. Podlech 14 Einführung in die Physik 2

15 Wellen Eine Welle ist ein Vorgang, bei dem sich Schwingungen im Raum ausbreiten. Dies ist mit einem Transport von Energie verbunden. Schallwellen Wasserwellen Seismische Wellen Gravitationswellen Radiowellen Licht Materiewellen Prof. Dr. H. Podlech 15 Einführung in die Physik 2

16 3 Arten von Wellen Mechanische Wellen sind an ein Medium gebunden und basieren auf den Newtonschen Gesetzen Elektromagnetische Wellen sind Wellen des elektromagnetischen Feldes und basieren auf den Maxwellschen Gleichungen Materiewellen beschreiben den Wellencharakter von Teilchen und basieren auf den Gesetzen der Quantenmechanik Prof. Dr. H. Podlech 16 Einführung in die Physik 2

17 Wellen Ein mit der Welle schwingendes Teilchen (z.b. ein Wassermolekül) Prof. Dr. H. Podlech 17 Einführung in die Physik 2

18 Wellen Man unterscheidet zwischen Transversalwellen und Longitudinalwellen Transversalwelle Longitudinalwelle Transversalwelle ll Longitudinalwelle ll Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Schwingung parallel zur Ausbreitungsrichtung Prof. Dr. H. Podlech 18 Einführung in die Physik 2

19 Transversalwellen Prof. Dr. H. Podlech 19 Einführung in die Physik 2

20 Longitudinalwellen Longitudinalwellen repräsentieren fortlaufende Dichtevariationen eines Mediums. Schallwellen Prof. Dr. H. Podlech 20 Einführung in die Physik 2

21 Materiewellen Teilchen können durch Materiewellen beschrieben werden. Dieses abstrakt wirkende Konzept kann aber experimentell bestätigt werden. Bild: Stehende Elektronenwellen in einem Kreis von Eisenatomen Prof. Dr. H. Podlech 21 Einführung in die Physik 2

22 Mathematische Beschreibung von Wellen Um eine Welle beschreiben zu können benötigen, wir eine mathematische Funktion A, welche die Welle zu allen Zeiten und an jedem Ort beschreibt. Die Funktion A=A(x,t) ist dabei vom Ort und der Zeit abhängig. gg Wellenlänge λ Ausbreitungsrichtung Amplitude A 0 Prof. Dr. H. Podlech 22 Einführung in die Physik 2

23 Mathematische Beschreibung von Wellen Die Wellenlänge λ einer Welle ist definiert als der räumliche Abstand zweier Wellenberge oder -Täler. Der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz der Welle ist: v ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle. Für Interessierte: v ist die Phasengeschwindigkeit Prof. Dr. H. Podlech 23 Einführung in die Physik 2

24 Mathematische Beschreibung von Wellen Der Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Wellenzahl lautet: Daraus folgt für die Ausbreitungsgeschwindigkeit v: Prof. Dr. H. Podlech 24 Einführung in die Physik 2

25 Beispiel: Schallgeschwindigkeit Schallwellen sind longitudinale Wellen (Dichteschwankungen) in einem Medium (Gas, Flüssigkeit, Festkörper) λ Prof. Dr. H. Podlech 25 Einführung in die Physik 2

26 Beispiel: Schallgeschwindigkeit In Luft beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 0 C und Normaldruck v=331 ms -1 Welche Wellenlänge lä hat eine Schallwelle mit der Frequenz 440 Hz? Prof. Dr. H. Podlech 26 Einführung in die Physik 2

27 Beispiel: Schallgeschwindigkeit Es dauert Sekunden bis das Echo einer Felswand zu hören ist. Wie weit ist die Wand entfernt? Prof. Dr. H. Podlech 27 Einführung in die Physik 2

28 Doppler-Effekt Ein Sender sendet Wellen mit der Wellenlänge λ s aus. Welche Wellenlänge λ B beobachtet ein ruhender Beobachter, wenn sich der Sender mit der Geschwindigkeit u auf den Beobachter zu bewegt? Bei ruhendem Sender gilt für die Wellenlänge Prof. Dr. H. Podlech 28 Einführung in die Physik 2

29 Doppler-Effekt Bewegt sich der Sender mit der Geschwindigkeit u auf den Beobachter zu, so verringert sich die beim Beobachter ankommende Wellenlänge λ B, um die Strecke, die der Sender während einer Periode T S zurücklegt. Die Frequenz beim Beobachter erscheint entsprechend erhöht Prof. Dr. H. Podlech 29 Einführung in die Physik 2

30 Doppler-Effekt Frequenzerhöhung Frequenzerniedrigung Prof. Dr. H. Podlech 30 Einführung in die Physik 2

31 Doppler-Effekt Anwendungen Doppler-Niederschlagsradar Dabei wird die Reflexion der Radarwellen an fallendem Niederschlag gemessen Prof. Dr. H. Podlech 31 Einführung in die Physik 2

32 Doppler-Effekt Anwendungen Doppler-Ultraschalluntersuchung Dabei wird die Reflexion der Schallwellen gemessen für zu- und abströmendes Blut gemessen Prof. Dr. H. Podlech 32 Einführung in die Physik 2

33 Doppler-Effekt Anwendungen Prof. Dr. H. Podlech 33 Einführung in die Physik 2

34 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen EM Wellen sind Transversalwellen Das Magnetfeld steht senkrecht zum elektrischen Feld EM Wellen sind nicht an ein Medium gebunden Die Ausbreitungsgeschwindigkeit (Vakuum) ist immer c EM Wellen sind dispersionsfrei, die Geschwindigkeit ist unabhängig von der Wellenlänge Elektrisches und magnetisches Feld schwingen in Phase (ΔΦ=0) EM Wellen transportieren Energie und Impuls Prof. Dr. H. Podlech 34 Einführung in die Physik 2

35 Ebene elektromagnetische Wellen Prof. Dr. H. Podlech 35 Einführung in die Physik 2

36 Ausbreitung elektromagnetischer Wellen B-Feld E-Feld Das magnetische Wechselfeld induziert ständig ein elektrisches Wechselfeld (Induktionsgesetz), dass senkrecht zum Magnetfeld ist. Das elektrische Wechselfeld induziert ständig ein magnetisches Wechselfeld, dass senkrecht zum elektrischen Feld ist. Beide Felder induzieren sich gegenseitig. Prof. Dr. H. Podlech 36 Einführung in die Physik 2

37 Energiedichte elektromagnetischer Wellen Ist der Raum von elektromagnetischen Wellen, also von elektrischen und magnetischen Feldern erfüllt, ist dies mit einer Energiedichte verbunden Dabei ist die Energiedichte gleich auf das elektrische und magnetische Feld verteilt Prof. Dr. H. Podlech 37 Einführung in die Physik 2

38 Energietransport elektromagnetischer Wellen Die elektromagnetische Welle breitet sich mit der zugehörigen Energiedichte aus. Die Energie pro Zeit und Fläche entspricht einer Energieflussdichte. Diese Energieflussdichte hat den Betrag eines Vektors, der Poyntingvektor S heißt. Er zeigt in die Ausbreitungsrichtung der Welle. Prof. Dr. H. Podlech 38 Einführung in die Physik 2

39 Intensität elektromagnetischer Wellen Dies Energieflussdichte kann als Intensität I der Welle interpretiert werden Prof. Dr. H. Podlech 39 Einführung in die Physik 2

40 Impuls und Druck elektromagnetischer Wellen Der elektromagnetischen Welle ist ein Impuls p zugeordnet, der sich aus der Energie W der Welle geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ergibt Der elektromagnetischen Welle ist ein Druck P s zugeordnet, der sich aus der Intensität I der Welle geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit c ergibt Prof. Dr. H. Podlech 40 Einführung in die Physik 2

41 Beispiel: Glühlampe Wir betrachten eine Glühlampe, welche kugelförmig g eine Leistung von50w abstrahlt. Wie groß ist die Intensität in 3 m Entfernung, der Strahlungsdruck sowie die Maximalwerte von E und B? Die Intensität ist die Leistung geteilt durch die Kugeloberfläche mit Radius r=3m R=3m Prof. Dr. H. Podlech 41 Einführung in die Physik 2

42 Beispiel: Glühlampe Für den Strahlungsdruck ergibt sich in der Entfernung von 3m Zum Vergleich: Der Luftdruck beträgt etwa Pa Für die Maximalwerte der Felder ergibt sich: Prof. Dr. H. Podlech 42 Einführung in die Physik 2

43 Beispiel Laser Wir betrachten ein Laser-System, das einen Lichtstrahl t hl mit einer Intensität von W/m 2 liefert Prof. Dr. H. Podlech 43 Einführung in die Physik 2

44 Lasersystem der National Ignition Facility Prof. Dr. H. Podlech 44 Einführung in die Physik 2

45 7.3 Elektromagnetische Wellen Lasersystem der National Ignition Facility Prof. Dr. H. Podlech 45 Einführung in die Physik 2

46 7.3 Elektromagnetische Wellen Lasersystem der National Ignition Facility Prof. Dr. H. Podlech 46 Einführung in die Physik 2

47 Prof. Dr. H. Podlech 47 Einführung in die Physik 2

48 Abstrahlung elektromagnetischer Wellen Die einfachste Möglichkeit zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen besteht in der Anregung eines elektrischen Dipols Praktisch wird ein metallischer Stab an einen Wechselstromkreis angeschlossen. Dabei fließt Ladung periodisch von der Mitte zu den Enden des Stabes. Die entstehenden Felder breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Prof. Dr. H. Podlech 48 Einführung in die Physik 2

49 Abstrahlung elektromagnetischer Wellen Abstrahlung eines Dipols (nur elektrisches Feld) Prof. Dr. H. Podlech 49 Einführung in die Physik 2

50 Empfang elektromagnetischer Wellen Umgekehrt können elektromagnetische wellen, die auf den Stab auftreffen, Ströme im Stab induzieren, welche nachgewiesen werden können. Der Stab ist dann eine Antenne! Prof. Dr. H. Podlech 50 Einführung in die Physik 2

51 7.4 Spektrum elektromagnetischer Wellen Prof. Dr. H. Podlech 51 Einführung in die Physik 2

52 Spektrum elektromagnetischer Wellen Elektromagnetische Strahlung wird durch ihre Wellenlänge λ bzw. deren Frequenz f charakterisiert. Die Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung umfassen viele Größenordnungen. Die Gesamtheit der elektromagnetischen Strahlung wird elektromagnetisches Spektrum genannt. Es reicht von Ultra-Langwellen von nieder-frequenten Generatoren bis zu Gammastrahlen des kosmischen Strahlung. Prof. Dr. H. Podlech 52 Einführung in die Physik 2

53 Spektrum elektromagnetischer Wellen Prof. Dr. H. Podlech 53 Einführung in die Physik 2

54 Sichtbares Licht Sichtbares Licht umfasst den bau-violetten Bereich (ab 400 nm Wellenlänge) bis zum roten Bereich (700 nm Wellenlänge) Weißes (Sonne, Glühlampe) Licht besteht aus allen Wellenlängen und bildet entsprechend ein kontinuierliches Spektrum. Diskrete Spektren erhält man durch angeregte g Atome (Gasdampflampen, Leuchtstoffröhren, Polarlichter) Prof. Dr. H. Podlech 54 Einführung in die Physik 2

55 Lichtabsorption in der Netzhaut Angepasst an das Sonnenlicht Prof. Dr. H. Podlech 55 Einführung in die Physik 2

56 Schwarzer Strahler Die Sonne als schwarzer Strahler Sonne Spektrale Energiedichte f ν Prof. Dr. H. Podlech 56 Einführung in die Physik 2

57 Die Sonne als schwarzer Strahler Leistungsdichte (isotrope Abstrahlung) Stefan-Boltzmann S R S E R E r SE Prof. Dr. H. Podlech 57 Einführung in die Physik 2

58 Atmosphärisches Sonnenspektrum (Wm -2 nm -1 ) Atmosphäre ändert das Sonnenspektrum Reflexion an Aerosolen Mie-Streuung an Aerosolen Rayleigh-Streuung an Molekülen Absorption durch Moleküle (O 3, H 2 O, CO 2 ) Global Warming Prof. Dr. H. Podlech 58 Einführung in die Physik 2

59 Infrarotstrahlung Infrarotstrahlung schließt sich an den langwelligen Teil des sichtbaren Lichtes, also an rot an. Wellenlängen: lä 780 nm bis 0.1 mm Frequenzen: Hz bis 3 THz Entdeckung 1800 von Friedrich Wilhelm Herschel Messung der Temperaturen der verschiedenen Farben des Sonnenlichts Die höchste Temperatur ergab sich jenseits des roten Teils des Spektrums Prof. Dr. H. Podlech 59 Einführung in die Physik 2

60 Infrarotstrahlung Infrarotstrahlung schließt sich an den langwelligen Teil des sichtbaren Lichtes, also an rot an. Prof. Dr. H. Podlech 60 Einführung in die Physik 2

61 Tera-Hertz-Strahlung Wellenlängen: lä 0.1 mm bis 1 mm Frequenzen: 3 THz bis 300 GHz Anwendungen in der Sicherheitstechnik zerstörungsfreie Materialprüfung Prof. Dr. H. Podlech 61 Einführung in die Physik 2

62 Radiowellen/Mikrowellen Radio/Fernsehen Verschiedene Frequenzbänder, z.b. UKW MHz Prof. Dr. H. Podlech 62 Einführung in die Physik 2

63 Radiowellen/Mikrowellen Wetterstationen, Garagenöffner, MHz Prof. Dr. H. Podlech 63 Einführung in die Physik 2

64 Radiowellen/Mikrowellen Radar (Radio Detection and Ranging) Positions- und Geschwindigkeitsbestimmung mittels Reflexion von Radiowellen Prof. Dr. H. Podlech 64 Einführung in die Physik 2

65 Radiowellen/Mikrowellen WLAN 2.4 GHz bzw. 5.4 GHz Prof. Dr. H. Podlech 65 Einführung in die Physik 2

66 Radiowellen/Mikrowellen RFID (Radio Frequency Idendification) System zu drahtlosen Identifikation mittels Radiowellen Die beiden wesentlichen Bestandteile sind das Lesegerät, das Radiowellen (13.56 MHz) aussendet und empfängt sowie der Transponder, der auf diese Wellen reagiert. Prof. Dr. H. Podlech 66 Einführung in die Physik 2

67 Radiowellen/Mikrowellen Ein RFID Transponder besteht aus einer kleinen Antenne, einem analogen Schaltkreis mit Kondensator und einem Mikrochip mit beschreibbarem Speicher. Sendet das Lesegerät eine Welle zum Transponder, wird im diesem ein Induktionsstrom erzeugt, der einen Kondensator auflädt, der wiederum die Energieversorgung g g des Chips ist. Abhängig von der gespeicherten Information auf dem Chip wird das elektromagnetische Feld zeitabhängig abgeschwächt. Diese Abschwächung wird vom Lesegerät registriert und ist eindeutig mit der gespeicherten Information. Umgekehrt kann durch ein moduliertes Signal des Lesegerätes Information in dem Chip des Transponders dauerhaft gespeichert werden. Prof. Dr. H. Podlech 67 Einführung in die Physik 2

68 Radiowellen/Mikrowellen 2007 wurde weltweit etwa 3 Mrd RFID-Transponder eingebaut. Prof. Dr. H. Podlech 68 Einführung in die Physik 2

69 Radiowellen/Mikrowellen RFID-Anwendungen Fahrzeugidentifikation (Parkhäuser, Geschwindigkeitskontrolle, ) Banknotenidentifikation Bekleidungsindustrie (alle Levi-Jeans) Kontaktlose Chipkarten Tier- und Personenidentifikation Zeiterfassung (Marathon) NFC (Near Field Communication bis 4 cm).. Prof. Dr. H. Podlech 69 Einführung in die Physik 2

70 Radiowellen/Mikrowellen RFID Prof. Dr. H. Podlech 70 Einführung in die Physik 2

71 Radiowellen/Mikrowellen Diebstahlschutz Der Schwingkreis entzieht dem elektromagnetischen Feld des Lesegerätes Energie im Falle der Resonanz. Dies wird vom Sicherheitssystem registriert und ein Alarm wird ausgelöst. An der Kasse wird der Schwingkreis durch ein starkes Feld deaktiviert, indem die Eigenfrequenz dauerhaft geändert wird. id Prof. Dr. H. Podlech 71 Einführung in die Physik 2

72 Radiowellen/Mikrowellen GPS (Global Positioning System) 1575 MHz Prof. Dr. H. Podlech 72 Einführung in die Physik 2

73 Radiowellen/Mikrowellen MRT (Magnetische Resonanz Tomografie) Prof. Dr. H. Podlech 73 Einführung in die Physik 2

74 Radiowellen/Mikrowellen Telekommunikation Frequenzen 900 MHz-1800 MHz Prof. Dr. H. Podlech 74 Einführung in die Physik 2

75 UV-Strahlung Wellenlängen: 1 nm bis 380 mm Prof. Dr. H. Podlech 75 Einführung in die Physik 2

76 UV-Strahlung Wasserentkeimung mit UV-Licht, Bleichung von Zellstoff Prof. Dr. H. Podlech 76 Einführung in die Physik 2

77 Röntgen-Strahlung: 1895 X-Strahlen Wellenlänge von 100 nm bis 5 pm Röntgenstrahlung dringt tief in Materie ein, wobei die Absorption von der Energie und der Kernladungszahl des Absorbermaterials abhängt. Ein wichtige Anwendung liegt in der Medizin. i Die Absorption in Knochen ist größer als in wasserhaltigem Gewebe. Hinter dem durchleuchteten Gewebe befindet sich ein Fotopapier. Prof. Dr. H. Podlech 77 Einführung in die Physik 2

78 Röntgen-Strahlung: 1895 X-Strahlen Prof. Dr. H. Podlech 78 Einführung in die Physik 2

79 Röntgen-Strahlung: 1895 X-Strahlen Röntgenstrahlen lassen sich erzeugen, indem Elektronen mit mehreren 10 kv beschleunigt und auf ein Metalltarget geschossen werden. Beim Abbremsen emittieren sie ein breites Röntgenspektrum Prof. Dr. H. Podlech 79 Einführung in die Physik 2

80 Röntgen-Strahlung Bei normalen Röntgengeräten g geht die Tiefeninformation verloren (3D), weil nicht unterschieden werden kann, ob die Abschwächung der Strahlung von der Dicke des Materials oder von den Materialeigenschaften kommt. Durch Aufnahme aus verschiedenen Richtungen kann schichtweise eine dreidimensionale Ansicht durch Bild gebende Verfahren konstruiert werden. Computer-Tomografie (CT) Prof. Dr. H. Podlech 80 Einführung in die Physik 2

81 Gamma-Strahlung Als Gamma-Strahlung wird EM Strahlung bezeichnet, die aus Kernumwandlungsprozessen (z.b. Zerfall, Anregung) entsteht. Im weiteren Sinne ist Gamma-Strahlung EM Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 5 pm ( m). Anwendung z.b. bei Tumortherapie mit Co-60 Strahlen (Zerfall von Kobalt-60) Prof. Dr. H. Podlech 81 Einführung in die Physik 2

82 Astronomie Wilkinson Microwave Anisotropy Probe Prof. Dr. H. Podlech 82 Einführung in die Physik 2

83 7.4 Spektrum elektromagnetischer Wellen Milchstraße Links: Gamma-Strahlen Oben: Radiowellen Prof. Dr. H. Podlech 83 Einführung in die Physik 2

84 Die Milchstraße in verschiedenen Spektralbereichen Astronomie Prof. Dr. H. Podlech 84 Einführung in die Physik 2

85 7.5 Polarisation Prof. Dr. H. Podlech 85 Einführung in die Physik 2

86 Polarisation Polarisation ist eine Eigenschaft aller Transversalwellen. Im Falle der elektromagnetischen Wellen ist die Polarisationsebene die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes. Schwingt das elektrische Feld einer elektromagnetische Welle einer Quelle (Radar, Lampe, ) nur in einer Ebene, so heißt die Welle polarisiert. Licht einer Glühbirne ist z.b. nicht polarisiert. Mittels eines Polarisators kann man aus unpolarisiertem polarisiertes Licht herstellen, dass nur in einer Ebene schwingt. Lineare Polarisierung Prof. Dr. H. Podlech 86 Einführung in die Physik 2

87 Polarisation Ein Analysator für polarisiertes Licht lässt nur Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung hindurch. Steht der Analysator senkrecht zur Polarisation, wird kein Licht durchgelassen. Bei paralleler Stellung wird das gesamte Licht durchgelassen. Steht der Analysator schräg zur Polarisationsrichtung wird die Projektion auf den Analysator durchgelassen Prof. Dr. H. Podlech 87 Einführung in die Physik 2

88 Polarisation Polarisiertes Licht wird durch einen Analysator geschickt. Durch Drehen lässt sich die Transmission verändern. Minimale Transmission, wenn der Polarisator senkrecht zu der Polarisationsrichtung steht Maximale Transmission, wenn der Polarisator parallel zu der Polarisationsrichtung steht Prof. Dr. H. Podlech 88 Einführung in die Physik 2

89 Polarisation Reflektiertes Licht ist meist polarisiert (im Gegensatz zu direktem Sonnenlicht). Wird Licht an horizontalen Flächen reflektiert, ist es auch horizontal polarisiert. Sonnenbrillen besitzen einen vertikalen Analysator, der das reflektierte Licht nicht durch lässt. Prof. Dr. H. Podlech 89 Einführung in die Physik 2

90 Polarisation Manche Moleküle (Enantiomere) besitzen die gleiche Summenformel und Anordnung der Atome (Stereoisomere) sind aber in der räumlichen Anordnung wie Bild und Spiegelbild. Viele dieser Moleküle sind optisch aktiv, d.h. sie drehen die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht. Ein Beispiel ist links- und rechtsdrehende Milchsäure. linksdrehend rechtsdrehend Prof. Dr. H. Podlech 90 Einführung in die Physik 2

91 Polarisation LCD-Displays Di (Liquidid Crystal Display) funktionieren auf der Basis der Polarisation. Linear polarisiertes Licht wird durch einen Flüssigkristall geschickt. Dieser kann je nach angelegter Spannung die Polarisationsrichtung ändern. Durch einen Analysator kommt entsprechend der Spannung mehr oder weniger Licht. Prof. Dr. H. Podlech 91 Einführung in die Physik 2