• Polarisation von Transversalwellen
• Reflexion von Longitudinalwellen
• Reflexion von Transversalwellen
• Polarisation von Licht
• Vortrag

Polarisation von Transversalwellen

Mit einer weichen Schraubenfeder lassen sich viele Wellenphänomene erläutern. Wenn die Hand in der Linie der Feder vor und zurück schwingt, werden longitudinale Wellen erzeugt. Wenn die Hand dagegen senkrecht zur Richtung der Feder schwingt, entstehen transversale Wellen. Bei allen Wellen gilt die wichtige Formel: Wellenlänge mal Frequenz gleich Ausbreitungsgeschwindigkeit ( f = c). Bei einer Transversalwelle bewirkt ein vorgeschalteter Spalt eine Polarisation. Eine Schwingung quer zum Spalt wird unterdrückt, bei schrägen Auslenkungen werden nur die Komponenten parallel zum Spalt durchgelassen. Die Polarisierbarkeit ist ein wichtiges Erkennungsmerkmal für transversale Wellen.

Eine wichtige Klasse von transversalen Wellen sind die elektromagnetischen Wellen. Diese sind sehr oft in natürlicher Weise polarisiert, weil die Dipolantenne eine feste Richtung für die Schwingung des elektrischen Feldes vorgibt. Deshalb muss die Empfangsantenne parallel zur Sendeantenne gerichtet sein, sonst ist der Empfang nicht optimal. Auch bei den Mikrowellen findet man eine kurze Dipolantenne, so dass auch bei diesen Experimenten in natürlicher Weise eine polarisierte Transversalwelle vorliegt. Die Frequenz im Bereich von Gigahertz ist viel zu groß, um eine direkte Frequenzmessung zu erlauben. In die Empfangsantenne ist eine Hochfrequenzdiode eingebaut, die negative Halbwellen unterdrückt. Ein Gleichspannungsvoltmeter zeigt mit einer effektiven Spannung die Empfangsstärke an. Die aufmodulierte 50-Hz-Frequenz liefert außerdem ein Signal für einen Lautsprecher. Über die Lautstärke sind die Maxima und Minima leichter zu finden. Zwischen den Sender und den Empfänger wird ein Gitter mit parallelen Metallstäben gehalten. Die Gitterstäbe wirken für Mikrowellen als ein Polarisator; sie reflektieren die Mikrowelle, wenn die Stäbe parallel sind zur Richtung des Sendedipols.

Reflexion von Longitudinalwellen

Ein Trainingsgerät schleudert Tennisbälle unter einem Winkel gegen eine Wand. Sie prallen nach dem Reflexionsgesetz "Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel" ab. Schallwellen verhalten sich ganz ähnlich. Mit zwei großen Parabolschüsseln wird ein akustisches Signal über eine reflektierende Strecke geleitet. Im Brennpunkt des ersten Spiegels startet das Knackgeräusch und erreicht das Mikrofon im Brennpunkt des zweiten Spiegels über die reflektierende Wand. Kurz zuvor hat das Schallsignal auf direktem Weg das Mikrofon erreicht und eine elektronische Uhr gestartet. Mit dem zweiten Signal über die reflektierende Wand wird die Uhr gestoppt. Aus der Wegdifferenz und der Laufzeit kann die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden.

Für die Reflexion von Schallwellen ist das Echo ein sehr markantes Phänomen. Vor den steil aufragenden Felswänden des Königssees ist der Effekt besonders eindrucksvoll. Im medizinischen Bereich werden Schallwellen sehr hoher Frequenz für Ultraschalluntersuchungen verwendet. Unterschiedliche Laufzeiten liefern die Daten für Bilder vom Inneren des Körpers.

Reflexion von Transversalwellen

Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen mit besonders kleinen Wellenlängen bzw. sehr hohen Frequenzen. Ein Spiegelbild entsteht dadurch, dass Lichtstrahlen nach dem Reflexionsgesetz an einer sehr glatten Metallfläche "gespiegelt" werden. Offensichtlich gilt auch hier die Regel Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel. Deshalb kann das Experiment mit den beiden Hohlspiegeln leicht von der akustischen in eine optische Reflexion umgerüstet werden: An die reflektierende Wand wird ein Spiegel gehängt und im Brennpunkt der ersten Parabolschüssel eine Halogenlampe montiert. Zur Überprüfung der optischen Übertragung von Energie wird in den Brennpunkt der zweiten Schüssel ein Zündholz gehalten - es entzündet sich nach wenigen Sekunden. Parabolantennen eigenen sich also sehr gut für die gerichtete Übertragung von elektromagnetischen Wellen. Damit schickt z.B. der Bayerische Rundfunk seine Sendungen direkt an die Astrasatelliten.

Ein Experiment mit Mikrowelle bestätigt das Reflexionsgesetz. Dabei sind die Dipole des Senders und des Empfängers senkrecht angeordnet. Nachdem elektromagnetische Wellen Transversalwellen sind, liegt der Mechanismus bei der Reflexion an einer Metallwand nicht auf der Hand. In einem Trickfilm wird gezeigt, dass die einlaufende Welle in der reflektierenden Metallschicht Elektronen zu Schwingungen anregt. Dies bewirkt eine reflektierte Welle, die dann mit der einlaufenden Welle interferiert.

Es ist eine naheliegende Idee, einen Laserstrahl an einem Spiegel reflektieren zu lassen, um aus der Laufzeit des Lichts die Entfernung zu bestimmen. Bei den Mondmissionen in den 70er-Jahren wurden hochwertige Spiegel aufgestellt, die nach dem Prinzip von Katzenaugen funktionieren. Mit sehr genauen Uhren kann nun der Abstand Erde-Mond auf Dezimeter genau gemessen werden. Damit lassen sich sogar Schwankungen wegen Gezeiteneffekten nachweisen. Auch die sogenannten Laserpistolen zur Überprüfung von Pkw-Geschwindigkeiten funktionieren über Laufzeitmessungen von Lichtsignalen. Hier werden zwei Signale mit einer kurzen Zeitdifferenz gesendet. Aus der Entfernungsdifferenz bei bekannter Zeitdifferenz kann auf die Geschwindigkeit geschlossen werden.

Polarisation von Licht

Im letzten Teil der Sendung wird die Polarisation speziell bei Lichtwellen betrachtet. Eine Polarisationsfolie für Licht kann man sich modellhaft vorstellen wie ein Metallgitter bei Mikrowelle, nur dass der Gitterabstand kleiner sein muss als optische Wellenlängen. Mit zwei gekreuzten Polarisationsfolien kann die Lichtstärke stufenlos von null bis zum maximalen Wert eingestellt werden. Natürliches Licht ist nicht polarisiert, der E-Vektor der elektromagnetischen Welle kann beliebig in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung orientiert sein. Eine erste Folie polarisiert das natürliche Licht, eine zweite Polarisationsfolie lässt nur Lichtkomponenten in Durchlassrichtung passieren.

Zwei gekreuzte Polarisationsfolien spielen auch bei Flüssigkristallanzeigen eine wichtige Rolle. Die Kettenmoleküle einer speziellen Flüssigkeit orientieren sich untereinander parallel, sie werden durch feinste Rillen an den Innenseiten der Glaskammer um 90° gedreht. Die Flüssigkeit ist "optisch aktiv", d. h. die Kettenmoleküle beeinflussen die elektromagnetischen Wellen von Licht. Einfallendes Licht wird zunächst durch die Folie polarisiert, dann wird seine Polarisationsrichtung um 90° gedreht und es passiert die zweite Polarisationsfolie: Ohne angelegte Spannung erscheint die Anzeige klar. Wird an einem kleinen Segment Spannung angelegt, dann orientieren sich hier die Kettenmoleküle parallel zu den Feldlinien. Jetzt können die Kettenmoleküle die Polarisationsrichtung des Lichts nicht mehr um 90° drehen; deshalb sperrt nun die zweite Polarisationsfolie und die Anzeige erscheint dunkel.

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