Bei welchem Winkel wird Licht polarisiert?
Trifft Licht schräg auf Glas oder eine Wasserfläche, wird ein Teil reflektiert. Dabei wird die Schwingungsrichtung parallel zur Einfallsebene schwächer reflektiert als die senkrechte. Beim Brewster-Winkel verschwindet der parallele Anteil ganz, das reflektierte Licht ist vollständig linear polarisiert. Gebrochener und reflektierter Strahl stehen dann senkrecht aufeinander.
Der Rechner bestimmt den Brewster-Winkel aus dem Verhältnis der Brechzahlen und den zugehörigen Brechungswinkel. Für den eingegebenen Einfallswinkel berechnet er mit den Fresnel-Formeln die Reflexionsgrade für senkrecht und parallel polarisiertes Licht und daraus den Polarisationsgrad des reflektierten Lichts. Kommt das Licht aus dem dichteren Medium, nennt er zusätzlich den Grenzwinkel der Totalreflexion.
Im zweiten Teil gilt das Gesetz von Malus: Linear polarisiertes Licht passiert ein Polarisationsfilter mit dem Anteil cos² θ. Bei unpolarisiertem Licht lässt das erste Filter die Hälfte durch, θ ist dann der Winkel zwischen den beiden Filterachsen.
Anwendungen in Fotografie und Technik
Polarisationsfilter in der Fotografie nutzen genau diesen Effekt. Spiegelungen auf Wasser, Glas oder nassem Asphalt sind in der Nähe des Brewster-Winkels stark polarisiert und lassen sich mit einem drehbaren Filter fast ausblenden. Bei Wasser liegt der Brewster-Winkel bei etwa 53 Grad zur Senkrechten, also etwa 37 Grad über der Wasserfläche. Polarisierende Sonnenbrillen dämpfen aus demselben Grund die Blendung durch waagerechte Flächen.
In der Lasertechnik werden Brewster-Fenster eingesetzt: Fenster eines Laserrohrs stehen im Brewster-Winkel, sodass parallel polarisiertes Licht ohne Reflexionsverluste hindurchtritt. Der Laser strahlt dadurch bevorzugt in dieser Polarisation.
Das Gesetz von Malus erklärt, warum zwei gekreuzte Filter kein Licht durchlassen. Schiebt man ein drittes Filter im Winkel von 45 Grad dazwischen, kommt überraschend wieder Licht durch, nämlich ein Achtel der ursprünglichen Intensität. Das ist ein beliebter Versuch im Physikunterricht.
Der Rechner rechnet mit idealen, verlustfreien Filtern und nicht absorbierenden Medien. Reale Polarisationsfolien lassen auch in Durchlassrichtung nur etwa 70 bis 90 Prozent durch, und Metalle haben keinen echten Brewster-Winkel. Die Formeln entsprechen den Fresnel-Gleichungen der klassischen Optik.
Tipps und typische Fehler
Reflexe beherrschen.
- Wasser: Etwa 53°.
- Polfilter: Drehen.
- Unpolarisiert: Halbe Intensität.
- Metall: Kein Brewster.
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Häufige Fragen
Warum steht beim Brewster-Winkel der reflektierte Strahl senkrecht zum gebrochenen?
Die Dipole im Medium schwingen in Richtung des gebrochenen Strahls und strahlen in ihrer eigenen Achsrichtung nicht ab. Steht der Reflexstrahl senkrecht, fehlt der parallele Anteil.
Wie viel Licht lässt ein Polfilter bei unpolarisiertem Licht durch?
Ein ideales Filter lässt die Hälfte durch, reale Filter wegen Absorption etwas weniger.
Wie groß ist der Brewster-Winkel bei Wasser?
Mit n = 1,33 etwa 53,1 Grad gegenüber dem Lot.
Wie groß ist der Brewster-Winkel bei Glas?
Für n = 1,5 rund 56,3 Grad zum Lot.
Was lässt ein Filter bei 90 Grad durch?
Bei gekreuzten idealen Filtern nichts, denn cos² 90° = 0.
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