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Polarisation

Elektromagnetische Wellen
Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Die Polarisation einer elektromagnetischen Welle lässt sich verstehen, wenn man die elektrische Feldkomponente $\vec{E}$ der Welle eines Hertz-Dipols betrachtet. Dazu kann man einige recht einfache Experimente durchführen.

Linear polarisierte Dipol-Welle

Man nimmt ein System aus 2 Dipolen (Sender und Empfänger). Der Sender wird senkrecht aufgestellt. In einem gewissen Abstand vom Sendedipol wird der Empfangsdipol parallel dazu positioniert. Der Empfangsdipol kann nun um die Verbindungslinie zwischen beiden Dipolen gedreht werden.

Polarisation der Dipolstrahlung
Experiment: Polarisation der Dipolstrahlung

Bewegt man nun den Empfangsdipol aus der parallelen Stellung ($\alpha=0°$) in die senkrechte Stellung ($\alpha=90°$) zum Sendedipol, so reduziert sich der Empfang kontinuierlich. Konkret hat man für beide Situationen folgende Resultate.

Ergebnis

  • $\alpha=0°$: Der Empfang ist maximal.
  • $\alpha=90°$: Der Empfang ist Null/Es gibt keinen Empfang.

Erklärung: In einem angeregten Dipol schwingen Ladungen hin und her. Und das aufgrund eines dazu parallelen elektrischen Feldes im Dipol. Das bedeutet, nur wenn es eine parallele Komponente des Feldvektors $\vec{E}$ zum Empfangsdipol gibt, kommt es zu Schwingungen von Ladungen und damit zu einem von Null verschiedenen Empfang im Dipol. In paralleler Stellung beider Dipole ist dies vollständig der Fall und der Empfangsdipol wird voll angeregt. In senkrechter Stellung scheint es gar keine parallele Komponente des E-Feldes zu geben.

Die Erscheinung deutet auf einen ganz bestimmten Verlauf des elektrischen Feldvektors $\vec{E}$.

Definition Lineare Polarisation

Merke

Der elektrische Feldvektor $\vec{E}$ schwingt in jedem Punkt der Ausbreitungsrichtung entlang einer dazu senkrechten Linie hin und her. Damit schwingen alle elektrischen Feldvektoren in einer Ebene (in der obigen Zeichnung blau eingezeichnete Fläche).

Wellen, die eine derartige (lineare) Schwingung des Vektors $\vec{E}$ aufweisen, bezeichnet man als linear polarisiert.

$\vec{E}$-Feldkomponente parallel zum Empfängerdipol

Wir wissen nun, dass es die zum Empfangsdipol parallele Komponente von $\vec{E}$ ist, welche die Schwingungen im Empfänger auslöst. Mit Hilfe einer einfachen Vektorzerlegung wie im Bild bekommt man

$\vec{E}_s+\vec{E}_p=\vec{E}$.

$\vec{E}_s$: senkrechte Feldkomponente zum Empfänger

$\vec{E}_p$: parallele Feldkomponente zum Empfänger

Vektorzerlegung, Bestimmung der parallelen Feldkomponente
Vektorzerlegung in parallele und senkrechte Feldkomponente

Trigonometrisch folgt dann für den Betrag $E_p$ des Vektors

$\frac{E_p}{E}=\cos \alpha$

$\Rightarrow E_p=E\cdot \cos \alpha$

Die im Empfänger registrierte Amplitude des elektrischen Feldes ist also $E\cdot \cos \alpha$.

Setzt man nun zur Überprüfung die obigen Winkel in die Formel ein, so erhält man genau das beobachtete Ergebnis.

Anders polarisierte/unpolarisierte Wellen

Nicht alle elektromagnetische Wellen sind linear polarisiert. Zum Beispiel hat das natürliche Licht die Eigenschaft, dass es unpolarisiert ist. Das bedeutet, dass die elektrischen Feldvektoren von mehreren Wellen mit gleicher Ausbreitungsrichtung nicht in ein und derselben Schwingungsebene liegen müssen. Vielmehr sind im unpolarisierten Licht (und jeglicher unpolarisierter Strahlung) alle Schwingungebenen gleichwahrscheinlich verteilt.

Auch andere Polarisationsarten sind möglich.

Polarisationsfilter

Mit Hilfe von Polarisationsfiltern kann man aus dem unpolarisierten Licht bestimmte Schwingungsebenen herausfiltern, sodass man am Ende linear polarisiertes Licht erhält.

Polarisationsfilter bestehen aus Folien, in denen sich lange Moleküle befinden. Die zum Molekül parallele Komponente des elektrischen Feldvektors wird durch Interferenz ausgelöscht; die senkrechte Komponente durchläuft das Filter ungehindert.

Multiple-Choice
Wir haben gesehen, dass eine Dipol-Welle in ganz bestimmter Richtung polarisiert ist; nämlich linear. Dabei liegt der elektrische Feldvektor $\vec{E}$ in einer Ebene und schwingt linear hin und her.

Wir interessieren uns nun für die transportierte Energie $W$ der Welle. Zu was ist die Energie proportional, wenn man mit $E$ die Amplitude des elektrischen Feldvektors bezeichnet.
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Hinweis:

Bitte kreuzen Sie die richtigen Aussagen an. Es können auch mehrere Aussagen richtig oder alle falsch sein. Nur wenn alle richtigen Aussagen angekreuzt und alle falschen Aussagen nicht angekreuzt wurden, ist die Aufgabe erfolgreich gelöst.

Vorstellung des Online-Kurses ElektromagnetismusElektromagnetismus
Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Elektromagnetismus

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