Physik (Deutsch)

Polaroid Sonnenbrillen sind den meisten von uns vertraut. Sie haben eine besondere Fähigkeit, die Blendung von Licht, das von Wasser oder Glas reflektiert wird, zu reduzieren (siehe Abbildung 1). Polaroiden haben diese Fähigkeit aufgrund einer Wellencharakteristik des Lichts, die als Polarisation bezeichnet wird. Was ist Polarisation? Wie wird es produziert? Was sind einige seiner Verwendungen?, Die Antworten auf diese Fragen beziehen sich auf den Wellencharakter des Lichts.

Abbildung 1. Diese beiden Fotos eines Flusses zeigen die Wirkung eines Polarisationsfilters bei der Verringerung der Blendung von Licht, das von der Wasseroberfläche reflektiert wird. Teil (b) dieser Figur wurde mit einem Polarisationsfilter aufgenommen und Teil (a) nicht. Infolgedessen wird die Reflexion von Wolken und Himmel, die in Teil (a) beobachtet wird, in Teil (b) nicht beobachtet. Polarisierende Sonnenbrillen sind besonders nützlich, auf Schnee und Wasser., (credit: Amithshs, Wikimedia Commons)

Abbildung 2. Eine EM-Welle, wie Licht, ist eine Querwelle. Die elektrischen und magnetischen Felder sind senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Licht ist eine Art elektromagnetische (EM) Welle. Wie bereits erwähnt, sind EM-Wellen transversale Wellen, die aus unterschiedlichen elektrischen und magnetischen Feldern bestehen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen (siehe Abbildung 2). Es gibt spezifische Richtungen für die Schwingungen der elektrischen und magnetischen Felder., Polarisation ist das Attribut, dass die Schwingungen einer Welle eine bestimmte Richtung relativ zur Ausbreitungsrichtung der Welle haben. (Dies ist nicht die gleiche Art von Polarisation wie die für die Trennung von Ladungen diskutiert.) Wellen, die eine solche Richtung haben, sollen polarisiert sein. Für eine EM-Welle definieren wir die Polarisationsrichtung als Richtung parallel zum elektrischen Feld. So können wir uns die elektrischen Feldpfeile als die Richtung der Polarisation vorstellen, wie in Abbildung 2.

Um dies weiter zu untersuchen, betrachten Sie die Querwellen in den Seilen in Abbildung 3., Die Schwingungen in einem Seil befinden sich in einer vertikalen Ebene und sollen vertikal polarisiert sein. Die im anderen Seil befinden sich in einer horizontalen Ebene und sind horizontal polarisiert. Wenn ein vertikaler Schlitz auf das erste Seil gelegt wird, gehen die Wellen durch. Ein vertikaler Schlitz blockiert jedoch die horizontal polarisierten Wellen. Bei EM-Wellen ist die Richtung des elektrischen Feldes analog zu den Störungen an den Seilen.

Abbildung 3., Die Querschwingungen in einem Seil sind in einer vertikalen Ebene, und die in dem anderen Seil sind in einer horizontalen Ebene. Der erste soll vertikal polarisiert sein, und der andere soll horizontal polarisiert sein. Vertikale Schlitze passieren vertikal polarisierte Wellen und blockieren horizontal polarisierte Wellen.

Abbildung 4. Der schlanke Pfeil stellt einen Strahl unpolarisierten Lichts dar. Die fetten Pfeile stellen die Polarisationsrichtung der einzelnen Wellen dar, aus denen der Strahl besteht., Da das Licht unpolarisiert ist, zeigen die Pfeile in alle Richtungen.

Die Sonne und viele andere Lichtquellen erzeugen Wellen, die zufällig polarisiert sind (siehe Abbildung 4). Ein solches Licht gilt als unpolarisiert, da es aus vielen Wellen mit allen möglichen Polarisationsrichtungen besteht. Polaroid-Materialien, die vom Gründer der Polaroid Corporation, Edwin Land, erfunden wurden, fungieren als polarisierender Schlitz für Licht, der nur Polarisation in eine Richtung durchlässt. Polarisationsfilter bestehen aus langen Molekülen, die in einer Richtung ausgerichtet sind., Wenn wir an die Moleküle so viele Schlitze denken, analog zu denen für die oszillierenden Seile, können wir verstehen, warum nur Licht mit einer bestimmten Polarisation durchkommen kann. Die Achse eines Polarisationsfilters ist die Richtung, in der der Filter das elektrische Feld einer EM-Welle passiert (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5. Ein Polarisationsfilter hat eine Polarisationsachse, die als Schlitz wirkt, der durch elektrische Felder parallel zu seiner Richtung verläuft. Die Polarisationsrichtung einer EM-Welle ist definiert als die Richtung ihres elektrischen Feldes.,

Abbildung 6 zeigt die Wirkung von zwei Polarisationsfiltern auf ursprünglich unpolarisiertes Licht. Der erste filter polarisiert das Licht entlang seiner Achse. Wenn die Achsen des ersten und zweiten Filters ausgerichtet sind (parallel), wird auch das gesamte polarisierte Licht, das durch das erste Filter geleitet wird, durch das zweite geleitet. Wenn das zweite Polarisationsfilter gedreht wird, wird nur die Komponente des Lichts parallel zur Achse des zweiten Filters geleitet. Wenn die Achsen senkrecht sind, wird kein Licht durch die zweite geleitet.

Abbildung 6., Der Effekt des Drehens von zwei Polarisationsfiltern, wobei der erste das Licht polarisiert. (a) Das gesamte polarisierte Licht wird durch das zweite Polarisationsfilter geleitet, da seine Achse parallel zum ersten ist. (b) Wenn die zweite gedreht wird, wird nur ein Teil des Lichts durchgelassen. (c) Wenn die zweite senkrecht zur ersten ist, wird kein Licht durchgelassen. (d) In diesem Foto wird ein Polarisationsfilter über zwei anderen platziert. Seine Achse ist senkrecht zum Filter rechts (dunkler Bereich) und parallel zum Filter links (hellerer Bereich). (kredit: P. P., Urone)

Abbildung 7. Ein Polarisationsfilter überträgt nur die Komponente der Welle parallel zu ihrer Achse, wodurch die Intensität eines Lichts verringert wird, das nicht parallel zu seiner Achse polarisiert ist.

Es wird nur die Komponente der EM-Welle parallel zur Achse eines Filters übergeben. Nennen wir den Winkel zwischen der Polarisationsrichtung und der Achse eines Filters θ. Wenn das elektrische Feld eine Amplitude E hat, hat der übertragene Teil der Welle eine Amplitude E cos θ (siehe Abbildung 7)., Da die Intensität einer Welle proportional zu ihrer Amplitude im Quadrat ist, hängt die Intensität I der übertragenen Welle mit der einfallenden Welle um I = I0 cos2 θ zusammen, wobei I0 die Intensität der polarisierten Welle vor dem Passieren des Filters ist. (Die obige Gleichung ist als Malus-Gesetz bekannt.)

Polarisation durch Reflexion

Inzwischen können Sie wahrscheinlich vermuten, dass Polaroid-Sonnenbrillen die Blendung im reflektierten Licht verringern, da dieses Licht polarisiert ist. Sie können dies selbst überprüfen, indem Sie eine Polaroid-Sonnenbrille vor sich halten und drehen, während Sie das von Wasser oder Glas reflektierte Licht betrachten. Wenn Sie die Sonnenbrille drehen, werden Sie feststellen, dass das Licht hell und dunkel wird, aber nicht vollständig schwarz. Dies bedeutet, dass das reflektierte Licht teilweise polarisiert ist und nicht vollständig durch ein Polarisationsfilter blockiert werden kann.,

Abbildung 8. Polarisation durch Reflexion. Unpolarisiertes Licht hat gleiche Mengen an vertikaler und horizontaler Polarisation. Nach der Wechselwirkung mit einer Oberfläche werden die vertikalen Komponenten bevorzugt absorbiert oder gebrochen, wodurch das reflektierte Licht horizontaler polarisiert bleibt. Dies ist vergleichbar mit Pfeilen, die an ihren Seiten abprallen, während Pfeile, die auf ihre Spitzen schlagen, an die Oberfläche gehen.

Abbildung 8 zeigt, was passiert, wenn unpolarisiertes Licht von einer Oberfläche reflektiert wird., Vertikal polarisiertes Licht wird bevorzugt an der Oberfläche gebrochen, so dass das reflektierte Licht horizontaler polarisiert bleibt. Die Gründe für dieses Phänomen liegen außerhalb des Rahmens dieses Textes, aber eine bequeme Mnemonik, um sich daran zu erinnern, besteht darin, sich vorzustellen, dass die Polarisationsrichtung wie ein Pfeil ist. Vertikale Polarisation wäre wie ein Pfeil senkrecht zur Oberfläche und würde eher haften und nicht reflektiert werden. Horizontale Polarisation ist wie ein Pfeil, der auf seiner Seite hüpft und eher reflektiert wird., Sonnenbrillen mit vertikalen Achsen würden dann mehr reflektiertes Licht blockieren als unpolarisiertes Licht aus anderen Quellen.

Da der nicht reflektierte Teil des Lichts gebrochen wird, hängt der Polarisationsgrad von den Brechungsindizes der beteiligten Medien ab. Es kann gezeigt werden, dass reflektiertes Licht in einem Reflexionswinkel θb vollständig polarisiert ist, gegeben durch \tan\theta_{\text{b}}=\frac{n_2}{n_1}\\, wobei n1 das Medium ist, in dem sich das einfallende und reflektierte Licht bewegt, und n2 der Brechungsindex des Mediums ist, das die Grenzfläche bildet, die das Licht reflektiert., Diese Gleichung ist als Brewster-Gesetz bekannt, und θb ist als Brewster-Winkel bekannt, benannt nach dem schottischen Physiker des 19.

Dinge Groß und klein: Atomare Erklärung von Polarisationsfiltern

Polarisationsfilter haben eine Polarisationsachse, die als Schlitz fungiert. Dieser Schlitz passiert elektromagnetische Wellen (oft sichtbares Licht), die ein elektrisches Feld parallel zur Achse haben. Dies wird mit langen Molekülen erreicht, die senkrecht zur Achse ausgerichtet sind, wie in Abbildung 9 gezeigt.

Abbildung 9., Lange Moleküle sind senkrecht zur Achse eines Polarisationsfilters ausgerichtet. Die Komponente des elektrischen Feldes in einer EM-Welle senkrecht zu diesen Molekülen durchläuft den Filter, während die Komponente parallel zu den Molekülen absorbiert wird.

Abbildung 10 zeigt, wie die Komponente des elektrischen Feldes parallel zu den langen Molekülen absorbiert wird. Eine elektromagnetische Welle besteht aus oszillierenden elektrischen und magnetischen Feldern. Das elektrische Feld ist im Vergleich zum Magnetfeld stark und übt wirksamer Kraft auf Ladungen in den Molekülen aus., Die am stärksten betroffenen geladenen Teilchen sind die Elektronen in den Molekülen, da die Elektronenmassen klein sind. Wenn das Elektron zum Schwingen gezwungen wird, kann es Energie von der EM-Welle absorbieren. Dies reduziert die Felder in der Welle und damit ihre Intensität. In langen Molekülen können Elektronen leichter parallel zum Molekül schwingen als in senkrechter Richtung. Die Elektronen sind an das Molekül gebunden und sind in ihrer Bewegung senkrecht zum Molekül eingeschränkter. Somit können die Elektronen EM-Wellen absorbieren, die eine Komponente ihres elektrischen Feldes parallel zum Molekül haben., Die Elektronen reagieren viel weniger auf elektrische Felder senkrecht zum Molekül und lassen diese Felder passieren. Somit ist die Achse des Polarisationsfilters senkrecht zur Länge des Moleküls.

Abbildung 10. Künstlerkonzeption eines Elektrons in einem langen Molekül, das parallel zum Molekül oszilliert. Die Schwingung des Elektrons absorbiert Energie und reduziert die Intensität der Komponente der EM-Welle, die parallel zum Molekül ist.,

Polarisation durch Streuung

Abbildung 11. Polarisation durch Streuung. Unpolarisiertes Licht, das von Luftmolekülen streut, schüttelt ihre Elektronen senkrecht zur Richtung des ursprünglichen Strahls. Das Streulicht hat daher eine Polarisation senkrecht zur ursprünglichen Richtung und keine parallel zur ursprünglichen Richtung.

Wenn Sie Ihre Polaroid-Sonnenbrille vor sich halten und sie drehen, während Sie auf den blauen Himmel schauen, sehen Sie, wie der Himmel hell und dunkel wird., Dies ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass durch Luft gestreutes Licht teilweise polarisiert ist. Abbildung 11 zeigt, wie dies geschieht. Da Licht eine transversale EM-Welle ist, vibriert es die Elektronen von Luftmolekülen senkrecht zu der Richtung, in die es sich bewegt. Die Elektronen strahlen dann wie kleine Antennen aus. Da sie senkrecht zur Richtung des Lichtstrahls oszillieren, erzeugen sie EM-Strahlung, die senkrecht zur Richtung des Strahls polarisiert., Wenn das Licht entlang einer Linie senkrecht zum ursprünglichen Strahl betrachtet wird, wie in Abbildung 11, kann es keine Polarisation im Streulicht parallel zum ursprünglichen Strahl geben, da dies erfordern würde, dass der ursprüngliche Strahl eine Längswelle ist. Entlang anderer Richtungen kann eine Komponente der anderen Polarisation entlang der Sichtlinie projiziert werden, und das Streulicht wird nur teilweise polarisiert. Darüber hinaus können mehrere Streuungen aus anderen Richtungen Licht in Ihre Augen bringen und unterschiedliche Polarisationen enthalten.,

Fotos des Himmels können durch Polarisationsfilter abgedunkelt werden, ein Trick, mit dem viele Fotografen Wolken im Gegensatz dazu heller machen. Streuung von anderen Partikeln wie Rauch oder Staub kann auch Licht polarisieren. Das Erkennen der Polarisation in gestreuten EM-Wellen kann ein nützliches Analysewerkzeug zur Bestimmung der Streuquelle sein.

Es gibt eine Reihe von optischen Effekten in Sonnenbrillen verwendet. Andere Sonnenbrillen sind nicht nur Polaroid, sondern auch mit Farbpigmenten versehen, während andere nicht reflektierende oder sogar reflektierende Beschichtungen verwenden., Eine neuere Entwicklung sind photochrome Linsen, die sich im Sonnenlicht verdunkeln und in Innenräumen klar werden. Photochrome Linsen sind in organische mikrokristalline Moleküle eingebettet, die ihre Eigenschaften ändern, wenn sie UV-Strahlung im Sonnenlicht ausgesetzt werden, aber bei künstlicher Beleuchtung ohne UV-Strahlung klar werden.

Flüssigkristalle und andere Polarisationseffekte in Materialien

Während Sie zweifellos Flüssigkristallanzeigen (LCDs) kennen, die in Uhren, Taschenrechnern, Computerbildschirmen, Mobiltelefonen, Flachbildfernsehern und anderen unzähligen Orten zu finden sind, ist Ihnen möglicherweise nicht bewusst, dass sie auf Polarisation basieren. Flüssigkristalle werden so genannt, weil ihre Moleküle ausgerichtet werden können, obwohl sie sich in einer Flüssigkeit befinden., Flüssigkristalle haben die Eigenschaft, dass sie die Polarisation des durch sie hindurchgehenden Lichts um 90 ° drehen können. Weiterhin kann diese Eigenschaft durch Anlegen einer Spannung ausgeschaltet werden, wie in Abbildung 12 dargestellt. Es ist möglich, diese Eigenschaft schnell und in kleinen genau definierten Regionen zu manipulieren, um die Kontrastmuster zu erzeugen, die wir in so vielen LCD-Geräten sehen.

Bei Flachbild-LCD-Fernsehern befindet sich auf der Rückseite des Fernsehers ein großes Licht. Das Licht wandert durch Millionen winziger Einheiten, sogenannte Pixel (Bildelemente), zur Frontscheibe., Eine davon ist in Abbildung 12 (a) und (b) dargestellt. Jede Einheit verfügt über drei Zellen mit roten, blauen oder grünen Filtern, die jeweils unabhängig voneinander gesteuert werden. Wenn die Spannung über einem Flüssigkristall abgeschaltet wird, leitet der Flüssigkristall das Licht durch den jeweiligen Filter. Man kann den Bildkontrast variieren, indem man die Stärke der an den Flüssigkristall angelegten Spannung variiert.

Abbildung 12., (a) Polarisiertes Licht wird von einem Flüssigkristall um 90 ° gedreht und dann von einem Polarisationsfilter geleitet, dessen Achse senkrecht zur ursprünglichen Polarisationsrichtung verläuft. (b) Wenn eine Spannung an den Flüssigkristall angelegt wird, wird das polarisierte Licht nicht gedreht und durch den Filter blockiert, wodurch der Bereich im Vergleich zu seiner Umgebung dunkel wird. (c) LCDs können farbspezifisch, klein und schnell genug für den Einsatz in Laptops und Fernsehern hergestellt werden. (credit: Jon Sullivan)

Viele Kristalle und Lösungen drehen die Polarisationsebene des Lichts durch sie hindurch., Solche Substanzen sollen optisch aktiv sein. Beispiele hierfür sind Zuckerwasser, Insulin und Kollagen (siehe Abbildung 13). Neben der Abhängigkeit von der Art der Substanz hängt die Menge und Richtung der Rotation von einer Reihe von Faktoren ab. Dazu gehören die Konzentration der Substanz, die Entfernung, die das Licht durch sie hindurchquert, und die Wellenlänge des Lichts. Die optische Aktivität beruht auf der asymmetrischen Form von Molekülen in der Substanz, z. B. helikal., Messungen der Rotation von polarisiertem Licht, das durch Substanzen hindurchgeht, können somit zur Messung von Konzentrationen verwendet werden, einer Standardtechnik für Zucker. Es kann auch Informationen über die Formen von Molekülen, wie Proteine, und Faktoren, die ihre Formen beeinflussen, wie Temperatur und pH.

Abbildung 13. Optische Aktivität ist die Fähigkeit einiger Substanzen, die Polarisationsebene des durch sie hindurchgehenden Lichts zu drehen. Die Drehung wird mit einem Polarisationsfilter oder Analysator erfasst.,

Glas und Kunststoff werden bei Beanspruchung optisch aktiv; je größer die Beanspruchung, desto größer die Wirkung. Optische Belastungsanalysen an komplizierten Formen können durchgeführt werden, indem plastische Modelle daraus hergestellt und durch gekreuzte Filter beobachtet werden, wie in Abbildung 14 zu sehen ist. Es ist offensichtlich, dass der Effekt sowohl von der Wellenlänge als auch von der Belastung abhängt. Die Wellenlängenabhängigkeit wird manchmal auch für künstlerische Zwecke verwendet.

Abbildung 14. Optische Spannungsanalyse einer Kunststofflinse zwischen gekreuzten Polarisatoren., (credit: Infopro, Wikimedia Commons)

Ein weiteres interessantes Phänomen im Zusammenhang mit polarisiertem Licht ist die Fähigkeit einiger Kristalle, einen unpolarisierten Lichtstrahl in zwei zu teilen. Solche Kristalle sollen zweiseitig sein (siehe Abbildung 15). Jeder der getrennten Strahlen hat eine spezifische Polarisation. Einer verhält sich normal und wird gewöhnlicher Strahl genannt, während der andere Snells Gesetz nicht gehorcht und außergewöhnlicher Strahl genannt wird. Birefraktionelle Kristalle können verwendet werden, um polarisierte Strahlen aus unpolarisiertem Licht zu erzeugen., Einige doppelbrechende Materialien absorbieren bevorzugt eine der Polarisationen. Diese Materialien werden dichroitisch genannt und können durch diese bevorzugte Absorption Polarisation erzeugen. So funktionieren grundsätzlich Polarisationsfilter und andere Polarisatoren. Der interessierte Leser ist eingeladen, die zahlreichen Eigenschaften von Materialien im Zusammenhang mit der Polarisation weiter zu verfolgen.

Abbildung 15. Birefrastringierende Materialien, wie das übliche Mineral Calcit, spalten unpolarisierte Lichtstrahlen in zwei Teile., Der gewöhnliche Strahl verhält sich wie erwartet, aber der außergewöhnliche Strahl gehorcht nicht Snells Gesetz.

Abschnittszusammenfassung

• Polarisation ist das Attribut, dass Wellenschwingungen eine bestimmte Richtung relativ zur Ausbreitungsrichtung der Welle haben.
• EM-Wellen sind transversale Wellen, die polarisiert werden können.
• Die Polarisationsrichtung ist definiert als die Richtung parallel zum elektrischen Feld der EM-Welle.
• Unpolarisiertes Licht besteht aus vielen Strahlen mit zufälligen Polarisationsrichtungen.,
• Licht kann polarisiert werden, indem es durch einen Polarisationsfilter oder ein anderes Polarisationsmaterial geleitet wird. Die Intensität I des polarisierten Lichts nach dem Passieren eines Polarisationsfilters ist I = I0 cos2 θ, wobei I0 die ursprüngliche Intensität und θ der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung und der Achse des Filters ist.
• Polarisation wird auch durch Reflexion erzeugt.,
• Brewsters Gesetz besagt, dass reflektiertes Licht im Reflexionswinkel θb, bekannt als Brewster-Winkel, vollständig polarisiert wird, gegeben durch eine Aussage, die als Brewster-Gesetz bekannt ist: \tan{\theta }_{\text{b}}=\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}\\, wobei n1 das Medium ist, in dem sich das einfallende und reflektierte Licht bewegt, und n2 der Brechungsindex des Mediums ist, das die Grenzfläche bildet, die das Licht reflektiert.
• Polarisation kann auch durch Streuung erzeugt werden.,
• Es gibt eine Reihe von Arten von optisch aktiven Substanzen, die die Polarisationsrichtung des durch sie hindurchgehenden Lichts drehen.