Dr. Wiebke Salzmann
freie Lektorin und Autorin
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Physik-Wissen
Lichtleiter
Auf dieser Seite erwartet Sie ein einfaches Experiment zum „Lichtleiter aus der Milchtüte“.
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Lichtleiter
In einem Lichtleiter ist das Licht gewissermaßen gefangen und kann so in bestimmte Richtungen geleitet werden, zum Beispiel auch gezwungen werden, gekrümmten Bahnen zu folgen. Um das zu erreichen, nutzt man die so genannte Totalreflexion aus.
Normalerweise kommt es beim Übergang eines Lichtstrahls von einem Medium zum anderen an der Trennfläche sowohl zu Brechung als auch zu Reflexion. In bestimmten Fällen wird jedoch der gesamte Strahl reflektiert:
Tritt ein Lichtstrahl in ein optisch dünneres Medium ein (also eins, in dem die Lichtgeschwindigkeit höher ist), wird er vom Lot weggebrochen – und zwar umso weiter, je größer bereits der Einfallswinkel ist. Macht man den Einfallswinkel groß genug, wird der Strahl schließlich vollständig in das erste Medium zurück gebrochen und es kommt zur Totalreflexion.
Diesen Effekt nutzt man in Glasfaserkabeln aus. Sie bestehen aus einem Kern, der von einem optisch dünneren Mantel umgeben ist. An diesem werden die Lichtstrahlen immer wieder in den Kern zurück gebrochen und können das Kabel nicht verlassen. Ein solches Kabel kann Licht so zu gewünschten Orten leiten und wird deshalb als Lichtleiter bezeichnet.
- Abb. 1 ¦ Totalreflexion
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Fällt ein Strahl von einem optisch dichteren Medium (also einem mit kleiner Lichtgeschwindigkeit) in ein optisch dünneres, wird er vom Lot weggebrochen (oben, links). Wird der Einfallswinkel größer, wird der Brechungswinkel schließlich so groß, dass der gebrochene Strahl genau in der Grenzfläche verläuft (oben, Mitte). Bei noch größeren Einfallswinkeln ist der Brechungswinkel so groß, dass der Strahl ins Einfallsmedium zurückgebrochen wird (oben, rechts) – er wird totalreflektiert.
Dieser Effekt ermöglicht die Konstruktion von Lichtleitern (unten). In diesen trifft der Lichtstrahl unter so großem Winkel auf die Grenzfläche zur optisch dünneren Umgebung, dass er totalreflektiert wird und den Lichtleiter nicht verlassen kann.
Silberne Zwetschen
- Abb. 2 ¦ Zwetschen unter Wasser
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Zwetschen werden vom Wasser nur ungern benetzt (zum Thema „Benetzen“ siehe Oberflächen-
spannung). Wenn sie im Wasser liegen, sind sie deshalb von einer dünnen Luftschicht umgeben, was dazu führt, dass sie silbrig schimmern.
Wasser hat einen höheren Brechungsindex als Luft. Wenn das Licht also vom Wasser in die dünne Luftschicht auf den Zwetschen eintritt, gerät es von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres und es kommt bei passenden Winkeln zur Totalreflexion, d. das Licht wird komplett reflektiert und dringt nicht in die Luftschicht und damit auch nicht bis zur Zwetsche vor. Man sieht dann nur die Wassergrenzfläche, aber nicht die Zwetsche dahinter. Deshalb das silbrige Schimmern der zwetschen an einigen Stellen.
- Abb. 2a ¦ Wasserspiegel im Teich von unten
- Befindet man sich dicht unter der Wasseroberfläche und schaut hinauf zum Wasserspiegel, sieht man die durch Totalreflexion entstandenen Spiegelbilder (in diesem Fall) der Wasserpflanzen. In dem Gewirr ist das nicht so leicht zu erkennen – am besten erkennt man es an dem dicken Stengel, der von links unten schräg nach rechts oben Richtung Bildmitte geht. Er grenzt im obersten Bilddrittel an sein Spiegelbild.
Auch Luftspiegelungen beruhen auf der Totalreflexion.
Experiment zum Lichtleiter
Man kann in einem dunklen Raum mit Leitungswasser, einer leeren Saft- oder Milchpackung und einem Laserpointer selbst einen Lichtleiter konstruieren – dessen technische Verwendbarkeit ist vielleicht nicht so vielfältig, aber er zeigt, dass es im Prinzip funktioniert.
In die Packung sticht man zwei gegenüberliegende Löcher im unteren Drittel. Das geht ganz gut mit einem Metall-Schaschlik-Spieß. Eins der Löcher klebt man nun mit durchsichtigem Klebefilm zu. Dann wird Wasser in die Packung gefüllt (nicht vergessen – ein Loch ist noch offen, das heißt, es läuft jetzt Wasser dort heraus! Das Ganze am besten im Waschbecken oder einer großen Schüssel durchführen). Nun leuchtet man mit dem Laserpointer durch das zugeklebte Loch von hinten in den auslaufenden Wasserstrahl hinein. Man muss ein bisschen probieren (das Loch, in das hineingeleuchtet wird, muss eventuell auch ein wenig aufgeweitet werden), aber wenn man alles richtig „justiert“ hat, wird der auslaufende Wasserstrahl rot. (Wenn der Laserpointer rot ist …) Das Laserlicht ist im Wasserstrahl „gefangen“ und folgt ihm auf seiner krummen Bahn, statt sich, wie es sich für Licht gehört, geradlinig auszubreiten.
Es bleibt nicht alles Licht im Wasserstrahl, an Lufteinschlüssen und Wirbeln wird Licht auch hinausgestreut – wenn das nicht der Fall wäre, würde man den Strahl auch nicht rot sehen. Denn dann würde kein rotes Licht ins Auge fallen.
Bitte beachten: Niemals direkt in einen Laser hineinsehen! Es besteht die Gefahr ernsthafter Augenschäden!
- Abb. 3 ¦ Wasserstrahl-Lichtleiter
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Der Licht leitende Wasserstrahl aus der Milchtüte, beleuchtet mit rotem Laserlicht.
Man erkennt den Lichtpunkt der Austrittsöffnung des Wassers und die untere Hälfte des Wasserstrahles sowie die Spiegelungen beider in der Metallschale.
© Wiebke Salzmann, Mai 2009