Polarisation bei Wellen und Licht – Definition, Arten & Beispiele
Polarisation bei Wellen & Licht verständlich erklärt: Definition, Arten, anschauliche Beispiele und Anwendungen — von Wasserwellen bis Lichtpolarisation.
Polarisation (auch Polarisierung) beschreibt die Richtung der Schwingung einer Welle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bei manchen Wellenarten schwingt nicht nur die Ausbreitungsrichtung, sondern zusätzlich ein Feld- oder Teilchenvektor in einer bestimmten Richtung. Ein anschauliches Beispiel sind Wasserwellen: die Welle bewegt sich über die Fläche, gleichzeitig werden Wassertropfen an der Oberfläche auf und ab bzw. leicht in Kreisbahnen bewegt. Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen und verhalten sich wie Transversalwellen, das heißt ihre elektrischen und magnetischen Feldvektoren schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Zugleich besitzt Licht wellen- und teilchenhafte Eigenschaften (Partikel genannt: Photonen). Schallwellen in Gasen und Flüssigkeiten haben hingegen meist keine Polarisation, weil sie Longitudinalwellen sind; in Festkörpern können aber auch transversale Schallwellen mit Polarisation auftreten.
Definition und Bild
Polarisation beschreibt die Orientierung der Schwingung eines Vektorfeldes (bei Licht das elektrische Feld) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Man kann sich das elektrische Feld E(t) an einem Ort als Vektor vorstellen, dessen Spitze in der Ebene eine bestimmte Spur (z. B. gerade Linie, Kreis, Ellipse) beschreibt. Diese Spur bestimmt die Art der Polarisation.
Arten der Polarisation
- Linearpolarisation: Die Feldvektoren schwingen entlang einer festen Geraden (z. B. horizontal oder vertikal).
- Zirkularpolarisation: Die Spitze des Feldvektors dreht sich mit konstanter Drehgeschwindigkeit auf einem Kreis; links- oder rechtszirkular möglich.
- Elliptische Polarisation: Allgemeiner Fall, bei dem die Spur eine Ellipse ist (dazu gehört die zirkulare Polarisation als Spezialfall).
- Unpolarisiertes Licht: Die Schwingungsrichtung ändert zufällig schnell; es liegt keine bevorzugte Orientierung vor (z. B. Sonnenlicht).
Erzeugung und Analyse
- Polarisationsfilter (Polarisatoren): lassen nur eine bestimmte Schwingungsrichtung durch (z. B. Polaroid-Folien).
- Doppelbrechung (Birefringenz): anisotrope Materialien teilen eine einfallende Welle in zwei linear unterschiedlich polarisierte Komponenten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
- Wellenplatten (z. B. Viertel- oder Halbwellplatten): verändern Phasenbeziehungen zwischen Komponenten und wandeln so lineare in zirkulare/elliptische Polarisation und umgekehrt.
- Streuung und Reflexion: z. B. Rayleigh-Streuung in der Atmosphäre erzeugt eine starke Polarisation des Himmelslichts; Reflexion an Oberflächen kann polarisiertes Licht erzeugen (Brewster-Winkel).
- Messgrößen: Polarisation lässt sich mathematisch mit Jones- oder Stokes-Vektoren beschreiben; Messungen erfolgen mit Analysatoren und Polarisationsdetektoren.
Beispiele und Anwendungen
- Sonnenbrillen mit Polfilter reduzieren Blendung durch polarisiertes, reflektiertes Licht.
- LCD-Bildschirme nutzen Polarisatoren und Flüssigkristalle, um die Lichtdurchlässigkeit abhängig von Feld und Polarisationsrichtung zu steuern.
- Polarisation in der Fernerkundung und Astronomie liefert Informationen über Oberflächenbeschaffenheit, Streuungsprozesse und Magnetfelder.
- 3D-Kinoprojektion verwendet z. T. unterschiedlich polarisierte Bilder für linkes und rechtes Auge.
- Materialprüfungen (Photoelastizität) zeigen Spannungsfelder in transparenten Körpern durch Polarisationsänderungen.
Physikalischer Hintergrund kurz
Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldvektoren, die senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen. Die Polarisation bezieht sich in der Praxis meist auf die Richtung des elektrischen Feldes. Mathematisch kann die Polarisation durch die Relative Amplitude und Phase zweier orthogonaler Komponenten (z. B. x- und y-Richtung) beschrieben werden. Aus der Kombination dieser Komponenten ergibt sich die Form der Schwingungsbahn (linear, elliptisch, zirkular).
Wichtige Hinweise
- Der Begriff Polarisation gilt vor allem für Transversal- oder vektorielle Wellen (z. B. Licht, transversale elastische Wellen). Longitudinalwellen in Fluiden (z. B. Luftschall) sind normalerweise nicht polarisiert.
- Bei Wasserwellen sind die Bewegungen oft komplex (Auf-/Abbewegung, Vorwärts-/Rückwärtsanteile, manchmal elliptische Partikelbahnen) — sie sind also nicht immer rein transversal im idealisierten Sinn.
Licht
Licht, das von glänzenden transparenten Materialien reflektiert wird, ist teilweise oder vollständig polarisiert, außer wenn das Licht senkrecht zur Oberfläche steht. Die Polarisation wurde erstmals 1808 von dem Mathematiker Etienne Louis Malus entdeckt. Ein Polarisationsfilter, wie z.B. eine polarisierende Sonnenbrille, kann verwendet werden, um diesen Effekt zu beobachten, indem der Filter gedreht wird, während man durch ihn hindurch auf die Reflexion einer entfernten horizontalen Oberfläche schaut. Bei bestimmten Drehwinkeln wird das reflektierte Licht reduziert oder eliminiert. Polarisationsfilter entfernen Licht, das unter 90° zur Polarisationsachse des Filters polarisiert ist. Wenn zwei Polarisatoren in einem Winkel von 90° zueinander übereinander angeordnet sind, kann nur sehr wenig Licht durch beide hindurchgehen.
Die Polarisation durch Streuung wird beobachtet, wenn Licht durch die Atmosphäre fällt. Das gestreute Licht erzeugt die Helligkeit und Farbe bei klarem Himmel. Diese Teilpolarisation des gestreuten Lichts kann verwendet werden, um den Himmel in Fotografien abzudunkeln und den Kontrast zu erhöhen. Dieser Effekt ist am einfachsten bei Sonnenuntergang zu beobachten, am Horizont in einem Winkel von 90° zur untergehenden Sonne. Ein weiterer leicht zu beobachtender Effekt ist die drastische Verringerung der Helligkeit von Bildern des Himmels und von Wolken, die von horizontalen Flächen reflektiert werden. Aus diesem Grund werden in Sonnenbrillen häufig Polarisationsfilter verwendet. Polarisierende Sonnenbrillen zeigen auch regenbogenähnliche Muster, die durch farbabhängige Doppelbrechungseffekte verursacht werden, z.B. in vorgespanntem Glas (z.B. Autoscheiben) oder Gegenständen aus transparentem Kunststoff. Die Rolle, die die Polarisation beim Betrieb von Flüssigkristallanzeigen (LCDs) spielt, ist auch für den Träger einer polarisierenden Sonnenbrille häufig erkennbar, was den Kontrast vermindern oder die Anzeige sogar unlesbar machen kann.
Polarisationsfilter
Die Polarisierung von Licht ist nützlich, nachdem es gefiltert wurde. Ein Filter trennt Licht mit einem Polarisationstyp von anderen Typen. Das meiste Tageslicht, oder das Licht einer Glühbirne, hat eine Mischung von Polarisationen (Laser sind eine Ausnahme). Der Filter funktioniert ähnlich wie der Versuch, eine Spielkarte durch einen Kamm zu stecken - nur wenn die Karte in die richtige Richtung gedreht wird, passt sie. Licht, das in eine andere Richtung gedreht wird, wird vom Filter blockiert. Flüssigkristallanzeigen (LCDs) verwenden dies, um Licht zu blockieren, um Buchstaben oder Zahlen auf einer Anzeige darzustellen. Brillen mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern für jedes Auge können das für das linke und das rechte Auge bestimmte Licht trennen. Dies ist eine gängige Methode zur Herstellung von 3D-Filmen und 3D-Fernsehen.
In der Natur hat Licht, das von einer Oberfläche abprallt, manchmal die gleiche Polarisation - dies wird als "Blendung" durch ein Fenster oder Wasser bezeichnet. Ein Polarisationsfilter an einer Kamera entfernt diese Blendung, um den Blick durch das Fenster oder Wasser zu erleichtern (oder kann die Blendung verstärken, je nachdem, wie sie gedreht wird).
Das Foto auf der rechten Seite wurde durch eine polarisierende Sonnenbrille und durch die Heckscheibe eines Autos aufgenommen. Licht vom Himmel wird von der Windschutzscheibe des anderen Autos in einem Winkel reflektiert, so dass es meist horizontal polarisiert ist. Die Heckscheibe besteht aus gehärtetem Glas. Spannungen aus der Wärmebehandlung des Glases verändern die Polarisation des durch sie hindurchtretenden Lichts wie eine Wellenplatte. Ohne diesen Effekt würde die Sonnenbrille das horizontal polarisierte Licht, das von der Scheibe des anderen Autos reflektiert wird, blockieren. Durch die Spannung in der Heckscheibe wird jedoch ein Teil des horizontal polarisierten Lichts in vertikal polarisiertes Licht umgewandelt, das durch die Gläser hindurchtreten kann. Infolgedessen wird das regelmäßige Muster der Wärmebehandlung sichtbar.
Wirkung eines Polarisators auf die Reflexion vom Wattenmeer. Im Bild links wird der Polarisator gedreht, um die Reflexionen so gut wie möglich zu übertragen; durch Drehen des Polarisators um 90° (Bild rechts) wird fast das gesamte spiegelnd reflektierte Sonnenlicht blockiert.
Die Auswirkungen eines Polarisationsfilters auf den Himmel in einer Fotografie. Im Bild rechts wird der Filter verwendet.
Polarisierende Sonnenbrillen verraten Stress im Autofenster (Erklärung siehe Text).
Elektromagnetisch
Andere elektromagnetische Wellen haben ebenfalls eine Polarisation, aber sie kann auf unterschiedliche Weise auftreten.
Allgemeine Polarisierung: Einige Wellen können beschrieben werden, indem das elektrischeFeld senkrecht zur Richtung der Welle steht, und diese werden TE-Wellen (transversale elektrische Wellen) genannt. Andere haben ein magnetisches Feld senkrecht zur Wellenrichtung und werden als TM-Wellen (transversale magnetische Wellen) bezeichnet. Dies sind die allgemeinsten Arten der Wellenpolarisation. Sie können auch als vertikal oder horizontal polarisierte Wellen bezeichnet werden. Wenn sowohl das elektrische Feld als auch das magnetische Feld senkrecht zur Richtung der Welle stehen, wird die Welle TEM (transversale elektromagnetische Welle) genannt. Lineare, zirkulare und elliptische Polarisationen sind Sonderfälle der TEM-Polarisation.
Lineare, zirkulare und elliptische Polarisationen sind drei spezifische Arten der TEM-Polarisation. Sie können nicht in der Nähe einer Antenne gemessen werden. Weit entfernt von einer Antenne sind die Felder TEM, so dass diese verwendet werden können. Sie sind leicht vorstellbar, wenn man von der Welle aus direkt auf die Welle schaut.
Lineare Polarisation
Wenn man in Richtung der Welle schaut, ist das elektrische Feld eine einzige gerade Linie. Wenn die Richtung des elektrischen Feldes konstant bleibt, auch wenn sich die Größe oder der Betrag ändern darf, wird der Polarisationszustand als linear bezeichnet. Der Grund dafür ist, dass die Spitze des elektrischen Feldvektors eine gerade Linie in der Ebene senkrecht zur Vorwärtsrichtung der Welle verläuft. (Ähnlich wie man ein Springseil auf und ab schüttelt, wenn man das Seil von einem Ende aus betrachtet. Das sich bewegende Seil wird die Form einer Linie bilden).
Zirkulare Polarisation
In der Richtung der Welle betrachtet, zeichnet das elektrische Feld die Form eines Kreises nach. Wenn die Grösse des elektrischen Feldes konstant bleibt und man die Richtung variieren lässt, wird der Polarisationszustand als zirkular bezeichnet, weil die Spitze des elektrischen Feldes in der Ebene senkrecht zur Vorwärtsrichtung der Welle einen Kreis beschreibt. Insbesondere kann der Kreis im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn (während sich die Welle fortbewegt) nachgezeichnet werden. (Dies ähnelt dem Herumschwingen eines Sprungseils zum Springen, es entsteht eine Kreisform).
Elliptische Polarisation
Dies ist wie bei der zirkularen Polarisation, aber die Größe ändert sich, wenn sie sich dreht und eine Ellipse bildet.
Fragen und Antworten
F: Was ist Polarisierung?
A: Polarisation ist eine Eigenschaft einiger Wellenarten, bei der sich die Welle nicht nur in die Richtung der Welle, sondern auch in eine andere Richtung bewegt.
F: Welche Arten von Wellen haben eine Polarisation?
A: Licht- und Wasserwellen haben eine Polarisation, Schallwellen hingegen nicht.
F: Wie macht sich eine polarisierte Sonnenbrille diese Schwingungen zunutze?
A: Polarisierende Sonnenbrillen sind so konzipiert, dass sie bestimmte Lichtwellen, die in eine bestimmte Richtung schwingen, herausfiltern, wodurch die Blendung reduziert und die Sicht verbessert wird.
F: Sind Lichtwellen Teilchen oder Transversalwellen?
A: Lichtwellen sind sowohl Teilchen als auch Transversalwellen.
F: Haben Schallwellen eine Polarisation?
A: Nein, Schallwellen sind Longitudinalwellen und haben keine Polarisation.
F: Wie bewegt sich eine Welle durch das Wasser?
A: Eine Welle bewegt sich über die Wasseroberfläche, aber sie bewirkt auch, dass sich das Wasser auf der Oberfläche auf und ab bewegt.
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