Polarisation von Licht


Bezug zum Kerncurriculum:
Ich kann experimentell die Winkelabhängigkeit der Intensität des durchgehenden Lichts bei einem Paar von Polarisationsfiltern untersuchen und in diesem Zusammenhang das Quadrat der Zeigerlänge bzw. das Quadrat der Amplitude der zugehörigen Sinuskurve als Intensität interpretieren.
Ich kann Bezüge zwischen dieser Kenntnis und Beobachtungen an einem LC-Display darstellen.


Wenn man die Frequenz einer elektromagnetischen Welle vergrößert, verändert sich der Charakter der elektromagnetischen Welle:

  • Die Frequenz von Funk-/Radiowellen liegt in einem Bereich von \(3\) Hz bis \(300\) MHz = \(300 \cdot 10^6\) Hz.

  • Vergrößert man die Frequenz auf den Bereich \(300\) MHz bis \(300\) GHz = \(300 \cdot 10^9\) Hz, dann nennt man die elektromagnetischen Wellen mit einer solchen Frequenz Mikrowellen, die z.B. in der Mikrowelle zum Erwärmen von Nahrung genutzt wird.

  • Normale Antennen können noch höhere Frequenzen nur schwer erzeugen, aber normale Materie sendet ständig elektromagnetische Wellen mit noch höheren Frequenzen aus. In jedem Körper schwingen Atome und Moleküle aufgrund der Temperatur mit extrem hoher Frequenz um ihre Ruhelage. Dabei werden auch die Elektronen zusammen mit den Atomen ständig beschleunigt. Wenn ein Elektron seinen Bewegungszustand ändert, sendet es elektromagnetische Wellen aus. Die elektromagnetischen Wellen, die aufgrund der Schwingung der Atome und Moleküle ausgesendet werden, nennt man Wärmestrahlung oder Infrarot-Strahlung. Die Frequenz der Wärmestrahlung ist in einem Bereich von \(300\) GHz bis \(380\) THz = \(380 \cdot 10^{12}\) Hz.

  • Elektronen in der Atomhülle von Atomen bewegen sich um den Atomkern noch schneller, als die Atome und Moleküle aufgrund ihrer Wärmeschwingung. Die Beschleunigung von Elektronen in der Atomhülle ist so extrem, dass elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich von \(390\) THz bis \(790\) THz = \(790 \cdot 10^{12}\) Hz ausgesendet werden. Diese Art von elektromagnetischen Wellen ist das sichtbare Licht, das unsere Augen wahrnehmen können.

Licht ist eine elektromagnetische Welle mit extrem hohen Frequenzen.

Wenn Licht die Nervenzellen unserer Netzhaut im Auge erreicht, dann regt das elektromagnetische Wechselfeld des Lichts die Elektronen in den Nervenzellen zu Schwingungen an. Die elektrischen Reize, die dabei ausgelöst werden, erreichen über den Sehnerv das Gehirn, was daraus unseren Seheindruck erzeugt.

Als elektromagnetische Welle kann Licht polarisiert werden. Als Polarisationsfilter für sichtbares Licht wird oft eine durchsichtige Kunststofffolie verwendet. Diese Folie enthält langgedehnte Molekülketten, in denen die Elektronen beliebig beschleunigt werden können.


3D-Brille im Kino

Im Kino gabe es eine Zeit, in der 3D-Filme modern waren. An der Kinokasse bekam man eine 3D-Brille, mit welcher man dann dreidimensionale Effekte wahrnehmen konnte. Der 3D-Filmprojekte hatte zwei Objektive, durch welche zwei Bilder getrennt voneinander auf die Kinoleinwand projiziert werden. Vor jedes Objektiv wird ein Polarisationsfilter platziert, die um 90° zueinander orientiert sind.

Wenn man zwei Polarisationsfilter um 90° versetzt zueinander gedreht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung einer Lichtwelle platziert, dann wird das Licht durch den ersten Polarisator polarisiert und kann den zweiten Polarisator nicht mehr passieren, da dieser senkrecht zur Polarisationsebene des Lichts orientiert ist.

Die 3D-Brillen haben anstelle eines Brillenglases zwei Polarisationsfolien eingebaut, deren Polarisationsrichtung ebenfalls um 90° zueinander gedreht sind. In jedem Moment werden von der Leinwand zwei verschiedene Bilder reflektiert, deren Polarisationsebene um 90° zueinander gedreht ist. Deswegen kann eines der beiden Bilder nur die Brille bei der linken Polarisationsfolie passieren und das andere Bild die rechte Polarisationsfole der 3D-Brille. Damit erreicht jedes Auge ein anderes Bild. Die beiden Bilder sind etwas zueinander verschoben, so dass ein dreidimensionaler Eindruck entsteht.


LC-Display (Flüssigkristallanzeige)

LCDs (Flüssigkristallanzeigen) findet man heute in Taschenrechnern, Handys, Tablets, Notebooks, Fernsehen, Monitoren,... und dominieren damit die Technik, wie Informationen angezeigt werden.

LCDs nutzen die Eigenschaft von Licht, dass es polarisiert werden und die Polarisationsebene gedreht werden kann. In der folgenden Simulation wird die Drehung der Polarisationsebene elektromagnetischer Wellen simuliert.

Experiment: Drehung der Polarisationsebene

In einem neuen Fenster starten: Drehung der Polarisationebene

Nach dem Gesetz von Malus verringert sich die Intensität der polarisierten Welle auf \(I(\alpha) = I_0 \cdot (cos(\alpha))^2\). Für kleine Winkel ist der \(cos(\alpha)\) sehr nahe an 1. Auch das Quadrat ändert nicht viel daran:

  • \(cos(10°) = 0,9848\), \(cos(10°)^2 = 0,9698\)
  • \(cos(5°) = 0,9962\), \(cos(5°)^2 = 0,9924\)
  • \(cos(1°) = 0,9998\), \(cos(1°)^2 = 0,9997\)

Für sehr kleine Winkel verändert sich die Intensität des Lichts kaum, trotzdem wird die Polarisationsebene leicht gedreht. Wenn man jetzt theoretische 90 Polarisationswinkel hintereinandersetzt, von denen jeder um 1° mehr gedreht ist als der Vorgänger, könnte man ohne große Verluste die Polarisationsebene des polarisierten Lichts um 90° drehen. Wenn also vorher kein Licht die zueinander um 90° gedrehten Polarisationsfilter 1 und 5 passieren konnte, könnten 90 Polarisationsfilter die geeignet dazwischen gesetzt wurden erreichen, dass das von Filter 1 polarisierte Licht den letzten Polarisationsfilter passieren kann, ohne viel Lichtintensität zu verlieren.

Diese Idee wird in den LCD-Displays technisch umgesetzt:

  • In einem LCD-Display sind zwei Polarisationsfolien eingebaut, die in einem Winkel von 90° zueinander gedreht sind.
  • Hinter den Polarisationsfolien befindet sich die Hintergrundbeleuchtung, die aber die 90° zueinander gedrehten Folien nicht passieren kann. Das Display ist dunkel.
  • Zwischen den Polarisationsfolien befinden sich Flüssigkristalle, die wie ein Polarisationsfilter wirken, weil die Flüssigkristalle für Elektronen nur eine Schwingungsrichtung zulassen, in der sich die Elektronen frei bewegen können. Legt man eine geeignete Spannung an, kann man genau steuern, wie die Flüssigkristalle gedreht sind.
  • Durch die geeignete Änderung der an die Flüssigkristalle angelegten Spannung kann man die Helligkeit des Monitors von Dunkel bis Hell regeln.

Damit nicht der gesamte Monitor immer die gleiche Helligkeit hat, wird der Monitor in Pixel unterteilt. Die Auflösung eines LCDs gibt an, wie viele Pixel in der Anzeige eingebaut sind. Die Anzeige beim Taschenrechner TI-84 Plus, der an unserer Schule lange eingesetzt wurde/wird, hat eine Auflösung von 96*64 Pixeln (6144 Pixel), die einzeln in der Helligkeit gesteuert werden können. Bei der GTR-Anzeige gibt es pro Pixel nur die beiden Zustände Hell/Dunkel. Im folgenden Bild können Sie die einzelnen Pixel erkennen:

Bei modernen Handy-Displays möchte man gestochen scharfe Bilder in beliebig vielen Farben darstellen. Manche Displays bieten bereits eine 8K-Auflösung mit Millionen von Farben. Dafür werden 7680 x 4320 Pixel eingebaut, das sind 33.177.600 Pixel in der Anzeige. Jedes einzelne dieser Pixel ist aus drei Sub-Pixeln aufgebaut, welche die Farben Rot, Grün und Blau in verschiedenen Helligkeiten darstellen können.

Mit den drei Farben "Rot", "Grün" und "Blau" können für uns Menschen alle Farben erzeugt werden, die wir optisch wahrnehmen, denn unsere Netzhaut hat Rezeptoren für "Hell-Dunkel", "Rot", "Grün" und "Blau". In der folgenden Simulation können Sie das studieren:

Experiment: Farbwahrnehmung

Quelle: PhET

Für jedes RGB-Pixel (Rot-Blau-Grün-Leuchtpunkt) auf dem Bildschirm benötigt man die Möglichkeit, die Helligkeit einzeln zu steuern. Bei einem Full-HD-Monitor mit 1900x1200 Pixel benötigt man also Millionen von Pixeln, deren Helligkeit einzeln durch Verdrehen der Flüssigkristalle in diesem Pixel gedreht werden können. In der folgenden Simulation wird die Funktionsweise eines LCD-Pixels modelliert.

Experiment: LCD-Pixel

In einem neuen Fenster starten: Pixel im LC-Display