Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Polarisation

Die Polarisation von Licht spielt in vielen Anwendungen eine entscheidende Rolle. In diesem Beitrag erfährst du unter anderem was Polarisation ist und wie diese erzeugt werden kann.

Du bist eher der audiovisuelle Lerntyp? Wir haben zur Polarisation ein animiertes Video , indem du das Wichtigste aus diesem Beitrag in kurzer Zeit erklärt bekommst.

Inhaltsübersicht

Polarisation einfach erklärt

Unsere Ausgangssituation ist die, bei der wir Licht als eine Welle betrachten. Genauer sehen wir Licht als eine elektromagnetische Welle an. Ähnlich zu Wasserwellen ist Licht eine Transversalwelle, wobei bei einer elektromagnetischen Welle nicht Teilchen auf und abschwingen, sondern elektrische und magnetische Felder. Aus diesem Grund lässt sich für Licht die Polarisation definieren.

Merke

Die Polarisation von Licht beschreibt die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors.

Um dir ein etwas anschaulicheres Beispiel zu geben, kannst du dir Seilwellen vorstellen. Du kannst das Seil auf und ab schwingen, von links nach rechts oder in eine sonstige schräge Richtung. Die Richtung in der du das Seil schwingst, bestimmt wie die Teilchen des Seils schwingen werden.  Wenn du jetzt von vorne auf die Seilwelle blickst, dann erkennst du je nach Schwingungsrichtung eine sich abzeichnende Gerade.

 

Illustration Polarisation, Seilschwingung, Schwingungsrichtung
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Illustration der Polarisation am Beispiel von Seilwellen.

 

Die horizontale Schwingungsrichtung ist zum Beispiel diejenige, die du durch schwingen des Seils von links nach rechts erhältst, eine schräge hingegen durch schräges Schwingen des Seils. Und genau diese Schwingungsrichtung nennt man Polarisation. 

Polarisation von Licht

Für die Definition der Polarisation muss eine Transversalwelle vorliegen. In diesem Abschnitt erklären wir dir, was eine Transversalwelle ist, wie sie sich von der Longitudinalwelle unterscheidet und welche Polarisationsarten es gibt.

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Transversal- vs. Longitudinalwellen

Die Unterscheidung zwischen Transversalwellen und Longitudinalwellen basiert allein auf die Lage der Ausbreitungsrichtung der Welle und die Auslenkung der Teilchen (im Fall von Licht die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds).

Bei Transversalwellen ist die Auslenkung der Teilchen (bzw. die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Wenn sich also die Welle von links nach rechts bewegt, dann schwingen die Teilchen auf und ab. Beispiel für Transversalwellen sind elektromagnetischen Wellen und Wasserwellen.

Im Gegensatz dazu ist die Auslenkung bei einer Longitudinalwelle parallel zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Beispiele hierfür sind Schallwellen und Erdbebenwellen (auch seismische Wellen genannt).

Der Unterschied zwischen diesen beiden Wellenarten sollte dir nun besser zeigen, weswegen die Polarisation nur für Transversalwellen definiert werden kann. Während es viele Möglichkeiten dafür gibt, dass die Auslenkung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung steht, kann die Auslenkung nur auf eine Art und Weise parallel zur Ausbreitungsrichtung sein. Es würde daher bei Longitudinalwellen überhaupt keinen Sinn machen, von einer Polarisation zu reden.

Polarisationsarten

Die verschiedenen Polarisationsarten werden je nachdem wie sich die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds und sein Betrag verhalten unterteilt in

  • lineare Polarisation: Die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds ist konstant, sein Betrag ändert sich jedoch periodisch. 
  • zirkulare Polarisation: Hier ist der Betrag des elektrischen Felds zwar konstant, seine Schwingungsrichtung ändert sich mit einer festen Winkelgeschwindigkeit .
  • elliptische Polarisation: Bei dieser Art der Polarisation ändern sich sowohl der Betrag des elektrischen Felds als auch seine Schwingungsrichtung.

Die Namensgebung für die Polarisationsarten kommt dadurch zustande, dass bei Betrachtung von vorne der elektrische Feldvektor folgende geometrische Formen abfährt

Polarisationsarten
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Polarisationsarten

Bei der linearen Polarisation beispielsweise bewegt sich also der elektrische Feldvektor entlang einer Linie, bei der zirkularen Polarisation hingegen entlang eines Kreises.

Erzeugung von Polarisationszuständen

Das Licht der Sonne ist unpolarisiert. Das heißt, dass sich der elektrische Feldvektor willkürlich in seiner Schwingungsrichtung und seinem Betrag ändert. Es gibt mehrere Möglichkeiten aus unpolarisierten Licht, polarisiertes Licht zu erhalten. Diese Methoden stellen wir dir in diesem Abschnitt vor. 

Polarisation durch Absorption

Eine Methode, um linear polarisiertes Licht zu erhalten, ist durch die Verwendung eines Polarisationsfilters. Ein Polarisationsfilter besteht aus einer Vielzahl von Molekülen, die parallel zueinander angeordnet sind. Trifft nun eine elektromagnetische Welle auf diese „Molekülwand“, dann kann der Anteil des elektrischen Felds, der parallel zu den Molekülen ist, die Elektronen der Moleküle in Bewegung setzen. Dadurch verrichtet das Feld Arbeit an die Moleküle, wodurch diese seine Energie absorbieren können. Der zu den Molekülen senkrecht stehende Anteil hat hingegen nicht die Chance, Arbeit an die Moleküle zu verrichten. Infolgedessen kann dieser Anteil seine Energie nicht übertragen und gelangt durch die Molekülwand nahezu verlustfrei.

Die Schwingungsrichtung, die durch den Polarisationsfilter ohne Absorption gelangen kann, definiert die Achse des Polarisationsfilters. Die Achse eines Polarisationsfilters ist demnach senkrecht zur Orientierung der Moleküle.

Polarisation durch Reflexion

Eine weitere Möglichkeit polarisiertes Licht zu erhalten, ist die Polarisation durch Reflexion. Dabei trifft das elektrische Feld von unpolarisierten Licht auf eine Grenzflächen zwischen zwei Meiden mit unterschiedlichem Brechungsindex . Dieses elektrische Feld kann in einer Komponente parallel zur Einfallsebene und in einer senkrecht dazu aufgeteilt werden. Die Komponente parallel zur Einfallsebene beschleunigt die Elektronen an der Grenzfläche ebenfalls parallel dazu. Nun ist es ein Ergebnis aus der Elektrodynamik, dass beschleunigte Elektronen wiederum Strahlung in einer solchen Weise aussenden, dass keine Strahlung entlang ihrer Beschleunigungsrichtung emittiert wird. Der parallele Anteil des elektrischen Felds kann sich somit nicht im reflektierten Teil der Welle befinden. Das reflektierte Licht ist somit teilweise polarisiert. 

Bei einem ganz bestimmten Winkel, den sogenannten Polarisationswinkel (oder auch Brewster Winkel) \theta_p ist das reflektierte Licht sogar vollständig polarisiert. Experimentell konnte man feststellen, dass dann der reflektierte Strahl senkrecht zum gebrochenen Strahl steht. Diesen Polarisationswinkel kannst du bei gegebenen Brechungsindizes n_1 und n_2 mit Hilfe des Brewster’schen Gesetz folgendermaßen ausrechnen

tan(\theta_p) = \frac{n_2}{n_1}.

Polarisation durch Streuung

Die letzte Möglichkeit, die wir besprechen wollen, ist die Polarisation durch Streuung. Hier trifft das elektrische Feld von unpolarisierten Licht auf ein Molekül, das als Streuzentrum fungiert. Das elektrische Feld lässt sich in zwei Komponenten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zerlegen. Nehmen wir an, dass sich die elektromagnetische Welle in z-Richtung bewegt. Dann schwingt eine der Komponenten entlang der x-Richtung und die andere entlang der y-Richtung.

Die Komponente in x-Richtung lässt das Molekül ebenfalls entlang der x-Achse schwingen. Dadurch emittiert es Strahlung sowohl in z-Richtung als auch in y-Richtung.

Die Komponente in y-Richtung hingegen lässt das Molekül entlang der y-Achse schwingen. Es emittiert daher Strahlung in z-Richtung und in x-Richtung. 

Insgesamt ist also die Strahlung in z-Richtung weiterhin nicht polarisiert, während sie es in x– und y-Richtung ist.

Polarisation Beispiele

Zum Abschluss stellen wir dir eine kurze Liste von Anwendungen vor, bei denen die Polarisation von Licht entscheiden ist. Dazu zählen

  • Flüssigkristallanzeigen (auch LCD-Displays genannt),
  • Sonnenbrillen,
  • 3D-Filme,
  • Spannungsanalyse an transparenten Kunststoffen und
  • bei der Fotografie.
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