P 29: Polarisieren macht alles bunt
2.11 Polarisieren macht alles bunt
Anmerkung vorweg:
Wir behandeln Polarisation, weil sie viele technische Anwendungen besitzt (u.a. Quantenkryptographie, Displays, Taschenrechneranzeigen...), in unserem Alltag oft vorkommt und man leicht schöne Experimente auch zu Hause machen kann. Man braucht lediglich eine Polarisaionsbrille oder einen Polarisationsfilter für eine Kamera.
Hinweis:
Das Wort Polarisation ist in der Physik mehrfach belegt.
Polarisation in der Elektrizitätslehre:
Das Ausrichten von Ladungen in einem Dieelektrikum nennt man Polarisatiom (Angabe in C/m)
Polarisation in der Elektrochemie:
Die Änderung der Spannung an einer Elektrode durch chemische oder physikalische Effekte beim Stromfluss nennt man Polarisation (Angabe in V).
Polarisation in der Wellenphysik:
Wellen, deren Schwingungen ausgerichtet sind, die also nur in einer Ebene schwingen, nennt man (linear) polarisiert. Es gibt noch andere Ausrichtungen, wie zirkular polarisiert. Hier gibt es keine Einheit. Man gibt den Polarisationsgrad als Prozentangabe an.
Wir beschäftigen uns hier nur mit dem letzten Fall, den ersten hatten wir in Q1 beim Dielektrikum im Kondensator, den zweiten Fall könntet ihr aus der Chemie kennen.
Ausblick:
Ich möchte auch auf die Entstehung von zirkular polarisiertem Licht eingehen, da man daran sehr schön die Überlagerung zueinander senkrecht stehender Schwingungen üben kann. Und das ist fürs Abi interessant...
2.11.1 Einführung und Wiederholung
Bitte schaut auf die beiden Seiten von leifiphysik, da steht alles gut erklärt drin.
Notiert euch das Wichtigste, unabhängig, ob ihr es schon kennt oder nicht.
Hier muss ich nur eine Korrektur anbringen:
Laserlicht ist nicht von Natur aus polarisiert. Meistens werden Laser so gebaut, dass der Laserstrahl polarisiert ist. Wir werden das später lernen (Laser ist ein mögliches Abithema). Dazu brauchen wir den Brewsterwinkel (kommt unten).
Ihr solltet im wesentlichen verstanden haben, wie man aus unpolarisiertem Licht (was ist das eigentlich?) polarisiertes Licht macht.
Wie kann man denn mit einem Polarisationsfilter nachweisen, dass Licht polarisiert ist?
Wie ein Polarisiationsfilter funktioniert, braucht ihr nicht im Detail zu wissen. Trotzdem schadet es nicht, diese Vernetzung herzustellen (das wiederrum kann Prüfungsstoff sein):
Vielleicht erinnert ihr euch an das Stabgitter, durch das wir eine Radiowelle/Mikrowelle geschickt haben. Die (polarisierte) Radiowelle kam nur durch, wenn die Gitterstäbe senkrecht zur Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes stand. Nur dann konnten die Elektronen nicht mit der ankommenden Welle mitschwingen und somit auch keine Energie wegnehmen. Die Welle kam durch.
Genau so funklionieren Polarisationsfilter...nur alles viel viel kleiner...auf Molekülebene.
Zur Erinnerung der Polarisationsversuch mit Mikrowellen (aus Q2): Hier schwingen die Elektronen in den Stäben mit dem ankommenden Feld, erzeugen eine gegenphasige eigene Welle (Reflexion mit Phasensprung). Diese eigene gegenphasige Welle löscht die ankommende Welle hinter den Gitterstäben aus.(Bilder von Phywe).
Und nun seid ihr für Teil 2 der Einführung/Wiederholung gewappnet:
Hier lernt ihr, wie man mit zwei Polarisationsfiltern arbeitet.
Der erste Filter heißt Polarisator, weil er das ankommende (unpolarisierte) Licht polarisiert.
Der zweite Filter heißt Analysator, weil der das vom Polarisator kommende Licht nach der Polarisationsrichtung hin analysiert.
Falls ihr es noch nicht getan habt, dann schaut euch die ersten Minuten des Videos von Eugene auf der Zusatzseite an:
2.11.2 Das Gesetz von Malus
Und nun kommt ein quantitaiver Teil, der durchaus in Aufgaben über EMW und Licht eingebaut werden kann...(und in der Quantenmechanik an der Uni in Form des Porjektionsoperators wieder auftaucht).
Informiert euch erst einmal über die Grundaussage des Gesetzes auf leifi. Es wird hier nicht begründet! Die Begründung zeige ich euch gleich.
Versucht euch auch einmal an der Aufgabe, die ist recht pfiffig.
Herleitung:
Im Prinzip haben wir das auch schon gemacht, als wir die Feldstärke berechnet haben, wenn eine EMW durch ein quer stehendes Gitter geht.
In meiner Darstellung spielt der Aufbau des Polarisationsfilters und die wahre Einwirkung, die zur Polarisation führt, keine Rolle. Die rote Linie markiert nur die Richtung, in der etwas durchgelassen wird (das ist auch das, was man bei einem drehbaren Filter einstellt). Für den Winkel α = 0° wird alles durchgelassen.
Dann sollte man die Amplitude als Vektor auffassen, d.h. der Amplitudenvektor zeigt in die Schwingungsrichtung. Nun wird dieser Vektor einfach auf die Durchlassrichtung projiziert. Das geht mit dem cos α.
Dadurch erhält man die Komponente der durchgelassenen Schwingung, genauergesagt die Amplitude.
Bei allen Schwingungen, uind Wellen ist die Energie (Intensität I) proportional zum Quadrat der Amplitude.
Also muss man alles nur quadrieren, um die durchgelassene Intensität des Polarisationsfilters zu bestimmen.
Arbeitet der Filter mit Molekülketten, wird die nicht durchgelassene Energie absorbiert. Arbeitet der Filter mit Doppelbrechung (s.nächster Post) wird die nicht durchgelassene Energie in eine andere Richtung abgeführt.
Linkes Bild:
Der erste Polarisationsfilter lässt 50% der Intensität des unpolarisierten Lichtes durch.Der dazu senkrecht stehende zweite Polarisationsfilter löscht alles aus.
Rechtes Bild:
Schiebt man einen querstehenden dritten Polarisationsfilter dazwischen, so kommt immerhin noch 12,5% des Lichtes durch. Die Filter wirken so, als würde der zweite und der dritte Filter die Polarisationsrichtung drehen. Ist nicht ganz richtig, denn es wird nicht nur gedraht, sondern auch abgeschwächt.
Die Idee des rechten Falles wird uns in der Quantenmechanik vielleicht wieder begegnen. Man nennt das einen Quantenradierer.
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