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Polarisation

Polarisation

Polarisation von Transversalwellen

Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Zeigt der Feldvektor nicht in eine beliebige Richtung, spricht man von Polarisation. Man unterscheidet drei Arten von Polarisation: ;lineare Polarisation : Der Feldvektor zeigt immer in eine feste Richtung (beziehungsweise die Gegenrichtung dazu) und ändert bei Voranschreiten der Welle seinen Betrag periodisch mit einer vorgegeben Amplitude. ;zirkulare Polarisation: auch als drehende Polarisation bezeichnet: Der Feldvektor dreht sich bei Voranschreiten der Welle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um den Wellenvektor und ändert seinen Betrag dabei nicht. ;elliptische Polarisation : Der Feldvektor rotiert um den Wellenvektor und ändert dabei periodisch den Betrag. Die Spitze des Feldvektors beschreibt dabei eine Ellipse. Lineare und zirkulare Polarisation können auch als Grenzfälle der elliptischen Polarisation aufgefasst werden. Beispiele für Transversalwellen sind Elektromagnetische Wellen (beispielsweise Licht) und Schallwellen in Festkörpern, wobei zu beachten ist, dass es neben den transversalen auch longitudinale Schallwellen in Festkörpern gibt. Zur Beschreibung der Polarisation der elektromagnetischen Wellen bezieht man sich üblicherweise auf das elektrische Feld und lässt das magnetische, das senkrecht auf dem elektrischen steht, außer Acht. In zirkularpolarisiertem Licht zeigen die Spins aller Photonen in die selbe Richtung. Dennoch kann auch ein einzelnes Photon linearpolarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkularpolarisierte Zustände überlagert werden.

Überlagerung

Jede beliebige Polarisation kann man als Überlagerung zweier Basispolarisationen darstellen. Am häufigsten verwendet man als Basis: # Zwei linear polarisierte Wellen deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Hiermit ergeben sich: #
- beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei verschwindender Phasendifferenz und variable Intensitäten. #
- zirkulare Polarisation bei einem Phasenunterschied von π/2 und gleichen Intensitäten. #
- elliptische Polarisation in jedem anderen Fall. # Eine rechts- und eine linkszirkulare Welle. Hiermit ergeben sich: #
- beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz. #
- zirkulare Polarisation wenn eine der Basisamplituden verschwindet. #
- elliptische Polarisation in jedem anderen Fall. Unpolarisiertes Licht kann nicht durch Überlagerung kohärenter polarisierter Wellen erzeugt werden.

Erzeugung polarisierten Lichtes

Licht, das durch Glühemission erzeugt wird, beispielsweise Licht von der Sonne oder aus Glühbirnen, ist unpolarisiert. Es lässt sich linearpolarisieren, indem man es durch einen Linear-Polarisator schickt. Monochromatisches linearpolarisiertes Licht kann in einem λ/4-Plättchen (→Phasenverschieber) in zirkularpolarisiertes Licht umgewandelt werden. Auch durch Reflexion an Glas, Wasser oder an einer Wandtafel wird Licht teilweise polarisiert. Dabei wird der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil des Lichtes zum größeren Teil absorbiert, beziehungsweise transmittiert als der senkrecht zu dieser Ebene polarisierte Anteil. Wird Licht im so genannten Brewsterwinkel reflektiert, so ist sogar vollständige Polarisation möglich. Polarisationsbrillen schirmen dieses polarisierte Licht ab, was beispielsweise beim Segeln wertvoll sein kann. Sie schützen aber nicht vor Sonnenstrahlen, sofern sie nicht zusätzlich abgedunkelt sind. Das Gleiche gilt für Polarisationsfilter bei Fotoapparaten. Das Licht eines Lasers ist in der Regel polarisiert. Die Polarisation kann jedoch instabil sein, so dass ein (Teil-)Polarisator (beispielsweise ein Brewsterfenster beim Helium-Neon-Laser) innerhalb des Resonators nötig ist um eine stabile und wohldefinierte Polarisationsrichtung sicherzustellen. Auch durch Streuung (beispielsweise die Rayleigh-Streuung) kann Polarisation erzielt werden. Hierbei treffen die Lichtwellen auf Teilchen die viel kleiner sind als die Wellenlänge und regen diese zum Schwingen an. Es entsteht ein Hertz'scher Dipol Grundsätzlich unterscheidet man 3 Arten polarisierten Lichtes. 1. elliptisch polarisiertes Licht 2. zirkular polarisiertes Licht 3. linear polarisiertes Licht Die Punkte 2 und 3 sind jeweils Spezialformen des elliptisch polarisierten Lichtes. Die einfachste Art und Weise polarisiertes Licht herzustellen ist, ein Lichtbündel durch eine Polarisationsfolie fallen zu lassen. Hierbei wird genau 1 Schwingungsrichtung des Lichtes ausgefiltert und durch den Polfilter hindurchgelassen (ähnliche Schwinungsrichtungen gelangen abgeschwächt durch den Polfilter hindurch). Hinter der Polarisationsfolie tritt also linear polarisiertes Licht aus. Um totale Auslöschung hinter dem Polarisationsfilter zu erreichen muss man einen 2. Polfilter hinter den 1. einfügen und zwar so, dass die durchgelassene Schwinungsrichtung des Filters normal auf die des 1. Filters steht (also um 90° verdreht). Jetzt kommt keine Schwingungsrichtung des unpolarisierten Lichtes in Frage, das durch beide Polfilter hindurchdringen könnte. Der Raum hinter dem 2. Polarisationsfilter ist schwarz. Das Licht wurde ausgelöscht. Polfilter: Polfilter bestanden früher (ca. Mitte des 20. Jh) aus Herapathitkristallen, heute stellt man sie aber großteils aus Polyvinylalkoholen oder Zellulosehydraten her. Andere Instrumente die das polarisieren von Licht ermöglichen sind: das Viertelwellenplättchen (l/4-Plättchen), das Halbwellenplättchen (l/2-Plättchen) und div. Prismen (z.B. das Nicol'sche Prisma) und eigene Polarisationsapparate. Polarisation des Lichtes kann weiters durch Streuung, Doppelbrechung und Reflexion hervorgerufen werden. Durch optisch aktive Stoffe (Flüssigkeiten: z.B. Glucoselösung, Kunststoffe: z.B. ein schnell abgekühles Geo-Dreieck, Kristalle: z.B. Quarz) ist es möglich die Polarisationsebene zu drehen. So ist es z.B. möglich eine Aufhellung durch einen optisch aktiven Stoff zu erreichen, wenn man diesen zw. 2 Polfilter einfügt die Auslöschung verursachen.

Erzeugung polarisierter Mikrowellen z. B. für den Satellitenfunk

Nachrichten- und Fernsehsatelliten nutzen entweder 2 verschiedene lineare Polarisationsebenen (horizontal / vertikal) oder 2 zirkulare Polarisationsrichtungen ( links- oder rechtsdrehend), um die knappen, für den Satellitenfunk zur Verfügung stehenden Frequenzbänder besser ausnützen zu können.
- Im Ku-Band (10,7 - 12,75 GHz) wird heute fast ausschließlich lineare Polarisation verwendet. Anfang der 1990er Jahre sollten allerdings reine Fernsehsatelliten zirkular polarisiert senden (siehe: BSS Band).
- Im C-Band (3,7 - 4,2 GHz) senden dagegen fast alle Satelliten ausschließlich zirkular polarisiert.
- Von der Merkursonde MESSENGER ist bekannt, dass ihre Antennen die Signale zirkular polarisiert im X-Band senden. Linear polarisierte Mikrowellen werden dadurch erzeugt, dass der Sendedipol entweder "horizontal" oder "vertikal" ausgerichtet ist. Die so erzeugten Mikrowellen sind in der Ebene polarisiert, in der sich der Sendedipol befindet. Zum Empfang der linear polarisierten Signale muss sich der Empfangsdipol in der Ebene befinden, in der die zu empfangene Welle schwingt. Radiowellen niederer Frequenzen werden fast immer polarisiert abgestrahlt. Die Art der Polarisierung hängt von der Ausrichtung der Antenne ab. Sender im UHF/VHF-Bereich arbeiten - von Mobilfunksendern abgesehen - im Regelfall mit horizontaler Polarisation, da hierbei weniger Störungen auftreten. Im Kurzwellenbereich sind sowohl horizontale wie auch vertikale Polarisation üblich. Sender im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich arbeiten fast durchweg mit vertikaler Polarisation, da diese eine bessere Ausbreitung der Bodenwelle ermöglicht. Zirkularpolarisation wird für Rundfunkzwecke nur selten angewandt. Sie wird für Steilstrahlantennen im Mittelwellenbereich manchmal verwendet.

Analyse von polarisiertem Licht

Licht kann mit den gleichen Polarisatoren analysiert werden, mit denen man polarisiertes Licht herstellen kann. Man nennt die Polarisatoren ihrer Funktion entsprechend dann Analysatoren. Ein Linear-Polarisator-Analysator-Paar, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen, lässt kein Licht hindurch. Es gibt jedoch Substanzen, die die Polarisationsebene drehen können (→optische Aktivität). D.h. wenn man diese Substanzen zwischen Polarisator und Analysator stellt, kann man die optische Aktivität vermessen. Einen solchen Aufbau nennt man Polarimeter. Obwohl die Sonne unpolarisiertes Licht liefert, ist auch in der Natur teilpolarisiertes Licht zu beobachten. So ist beispielsweise das Streulicht des blauen Himmels linear teilpolarisiert und ebenso das an einer Wasseroberfläche reflektierte Licht. Viele Insekten nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Für die Honigbiene wurde dies von Karl von Frisch erforscht. In anderen Bereichen wie etwa der Fotografie sind von polarisiertem Licht erzeugte Effekte aber meist nicht erwünscht und können durch den Einsatz eines Polfilters unterdrückt werden.

Sichtbarkeit der Polarisation

Wilhelm Ritter von Haidinger (1795-1871) beschrieb zwischen 1844 und 1854 ein Kontrastphänomen, welches beim Betrachten einer mit polarisiertem weißem (oder bläulichem) Licht beleuchteten Fläche erscheint. Die blaue Achse der Erscheinung gibt die Richtung des elektrischen Feldes an, die gelbe Achse die des magnetischen Feldes. Nach einigen Sekunden verblasst die Erscheinung, wird aber durch eine Kopfdrehung wieder sichtbar.[http://www.physik.hu-berlin.de/ger/gruppen/didaktik/forschung/optik/grebe_ellis_dpg2002.pdf] Die Erscheinung wird nach ihrem Entdecker Haidinger-Büschel genannt.

Mathematische Beschreibung der Polarisation

Der Polarisationszustand kann durch die vierdimensionalen reellwertigen Stokesschen Vektoren oder durch die zweidimensionalen komplexwertigen Jonesschen Vektoren beschrieben werden. Quasimonochromatisches Licht kann alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden. Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes erfolgt dann durch Multiplikation mit einer entsprechenden Müllermatrix beziehungsweise einer Jonesschen Matrix.

Weblinks

[http://gerdbreitenbach.de/crystal/crystal.html Virtuelles Polarisationsmikroskop] Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Wellenlehre Kategorie:Optik Kategorie:Fernsehtechnik Kategorie:Satellitentechnik ja:偏光

Transversalwelle

Eine Transversalwelle (auch Schubwelle, Scherwelle) ist eine physikalische Welle, bei der die Bewegungsrichtung der schwingenden Teilchen, bzw. die Feldlinien der beteiligten Felder zur Ausbreitungsrichtung senkrecht verlaufen. Das Gegenteil ist bei einer Longitudinalwelle der Fall. Nur Transversalwellen können polarisiert werden. Siehe auch: Elektromagnetische Welle

Beispiele

; Transversalwelle: Schall im Festkörper, Licht, Elektromagnetische Welle
; Longitudinalwelle: Schall in Luft

Weblinks


- http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/welle01.html - Java-Applet Kategorie:WellenlehreKategorie:Akustik ja:縦波と横波

Transversalwelle

Eine Transversalwelle (auch Schubwelle, Scherwelle) ist eine physikalische Welle, bei der die Bewegungsrichtung der schwingenden Teilchen, bzw. die Feldlinien der beteiligten Felder zur Ausbreitungsrichtung senkrecht verlaufen. Das Gegenteil ist bei einer Longitudinalwelle der Fall. Nur Transversalwellen können polarisiert werden. Siehe auch: Elektromagnetische Welle

Beispiele

; Transversalwelle: Schall im Festkörper, Licht, Elektromagnetische Welle
; Longitudinalwelle: Schall in Luft

Weblinks


- http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/welle01.html - Java-Applet Kategorie:WellenlehreKategorie:Akustik ja:縦波と横波

Licht

Licht ist der Teil der elektromagnetischen Strahlung, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Dies sind die elektromagnetischen Wellen im Bereich von etwa 380-780 Nanometer (nm) Wellenlänge. Die unterschiedliche Empfindlichkeit von Pigment-Molekülen (Blau, Grün-Gelb, Orange-Rot) in verschiedenen Sehzapfenarten und Stäbchen des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen (V(λ)-Kurve) ist Thema der Fotometrie. Während die Sehzapfen für Farbsehen verantwortlich sind, registrieren die Sehstäbchen in der Netzhaut mit den Retinal-Molekülen unter Rhodopsin-Abspaltung bei Photonen-Einfang die Lichtstärke. Wenn Elektronen vom einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres Energieniveau springen, werden Photonen emittiert, diese können vom Menschen als Licht wahrgenommen werden (Lumineszenz). Meist wird die Energie beim Rückfallen auf das niedrigere Niveau allerdings als Bewegungsenergie oder thermische Energie (Infrarotstrahlung) abgegeben. Bei den Autotrophen Organismen wird der freiwerdende Energiebetrag in chemischen Verbindungen gebunden (siehe Fotosynthese). Die Farbwirkung des physiologischen Sehens entsteht durch die Absorption einzelner Wellenlängen durch einen organischen oder anorganischen Farbstoff, oder durch die Beugung des weißen Lichtes an einem Kristallgitter. Werden bestimmte Wellenlängen absorbiert, entsteht aus den verblieben Wellenlängen der Farbeindruck (Komplementärfarbe). Ein grünes Blatt absorbiert demnach nicht im Wellenlängenbereich "grün" sondern im komplementären bereich "rot" (680 nm) und "blau" (430 nm). Siehe hierzu Chlorophyll. Bei organischen Farbstoffen können die delokalsierten Pi-Elektronensysteme durch Frequenzen im sichtbaren Bereich auf ein höheres Niveau gehoben werden. Dadurch werden je nach Molekül bestimmte Wellenlängen absorbiert. Bei anorganischen Farbstoffen werden Elektronen aus den d-Orbitalen in energetisch höher gelegene d-Orbitale angeregt (Ligandenfeldtheorie) oder sie wechseln ihre Position zwischen Zentralion und Ligand innerhalb eines Komplexes (Charge-Transfer-Komplexe). Siehe hierzu: Komplexchemie. Das in der Umwelt vorkommende Licht ist eine Mischung unterschiedlicher Wellenlängen. Durch ein Beugungsgitter oder ein Prisma kann man dieses polychromatische Licht in monochromatisches Licht (Licht einer Wellenlänge) zerlegen. Jeder dieser monochromatischen Lichtkomponenten entspricht ein spezifischer menschlicher Farbeindruck, die so genannten Spektralfarben oder Regenbogenfarben. In der Reihenfolge zunehmender Wellenlänge findet man: Wellenlänge Die Übergänge zwischen Farben sind fließend, der persönliche Farbeindruck einzeln benennbarer abzählbarer Farben ist subjektiv und durch Sprache, Tradition sowie Denken bedingt. Die in verschiedenen Sprachen (ursprünglich) vorkommenden Wörter für Farben belegen diese Subjektivität. Die einzelnen Farbbereiche enthalten jeweils verschiedene Farbtöne. So ist der Zwischenbereich zwischen Blau und Grün etwa mit Türkis oder Cyan zu bezeichnen. Andere wahrgenommene Farben (beispielsweise Braun) ergeben sich bei Licht, in dem mehrere Wellenlängen vorkommen (additive Farbmischung) oder durch subtraktive Farbmischung aus gefiltertem weißem Licht. Elektromagnetische Strahlung jenseits der menschlichen Grenze der Sichtbarkeit mit höherer Frequenz bzw. niedrigerer Wellenlänge als violett wird bis zu einer bestimmten Frequenz als Ultraviolett- oder UV-Strahlung bezeichnet; solche mit niedrigerer Frequenz bzw. höherer Wellenlänge als rot bis zu einer bestimmten Wellenlänge als Infrarotstrahlung. Die Bandbreite des sichtbaren Lichts bei Tieren weicht zum Teil erheblich vom menschlichen Sehen ab. Neben der Wellenlänge beziehungsweise Farbe ist Licht noch durch die Kohärenz, Interferenz und die Polarisation und weitere messbare Parameter charakterisiert. Eine der Hauptquellen des Lichtes ist die Sonne. Künstliche Lichtquellen sind beispielsweise Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Leuchtdioden, Laser und chemisches Licht. Begrenzt lichtdurchlässige (nicht transparente) Gegenstände werden auch als "opaque" oder "opak" bezeichnet. Der Grad der Lichtdurchlässigkeit wird dann als Grad der "Opazität" bezeichnet. Licht wird im erklärenden Modell als Welle beschrieben oder alternativ als Strom von Teilchencharakter. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus des Lichtes entzieht sich einer geschlossenen Interpretation, ist aber im Rahmen der Quantenphysik mathematisch präzise beschreibbar. Lichtteilchen werden als Photonen bezeichnet. Sie besitzen keine Ruhemasse und bewegen sich im Vakuum stets mit Lichtgeschwindigkeit.

Licht in der Gesellschaft

Licht ist, wie Feuer, eines der bedeutendsten Phänomene primitiver Kulturen. Künstlich erzeugtes Licht aus Lampen wird allgemein eingesetzt. Es ermöglicht dem Menschen ein angenehmes und sicheres Leben auch bei terrestrischer Dunkelheit (Nacht) und in gedeckten Räumen (Höhlen, Gebäude). Technisch wird die Funktionsgruppe, die Licht erzeugt, als Lampe bezeichnet. Der Halter für die Lampe bildet mit dieser eine Leuchte. Dieses Wort wird auch als Bezeichnung für intelligente Menschen verwendet und lässt die Bedeutung von Intelligenz für die Sozialisation von Individuen in der Gruppe erkennen. Ein Mangel an Intelligenz wird mit geistiger Dunkelheit gleichgesetzt.

Licht unter freiem Himmel

Licht unter freiem Himmel hat bei Dunkelheit eine Hilfsfunktion für die terrestrische Navigation (Fußgänger, Autofahrer), als optisches Signal oder für Schmuck- und Werbezwecke. Es zählt als ein Umweltfaktor zu den Immissionen i.S. des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) (Deutschland). Lichtimmissionen von Beleuchtungsanlagen können das Wohn- und Schlafbedürfnis von Menschen und Tieren erheblich stören und auch technische Prozesse behindern. Entsprechend sind in der sog. "Licht-Richtlinie" der Länder (Deutschland) Maßstäbe zur Beurteilung der (Raum-)Aufhellung und der (psychologischen) Blendung fest gelegt. Besonders störend kann intensiv farbiges oder blinkendes Licht wirken. Zuständig sind bei Beschwerden die Umwelt- bzw. Immissionsschutzbehörden der Länder (Deutschland). Negative Auswirkungen betreffen die Verkehrssicherheit (Navigation bei Nacht, physiologische Blendung z. B. durch falsch eingestellte Autoscheinwerfer oder durch Flächenbeleuchtungen neben Straßen). Einflüsse auf die Tierwelt (z. B. Anziehen nachtaktiver Insekten, Störung des Vogelflugs bei Zugvögeln) und die allgemeine Aufhellung der Atmosphäre (Lichtverschmutzung, z. B. unmögliche astronomische Beobachtung infolge Streuung des Lampenlichts in der Atmosphäre des Nachthimmels).

Nachweis

Licht kann am einfachsten mit dem Auge nachgewiesen werden, oder mit verschiedenen Instrumenten durch optische Detektoren, wie fotografischem Film oder mit speziellen Strahlungsdetektoren oder Sensoren oder mittelbar durch chemische oder biologische Prozesse wie die Photosynthese oder die Photolyse oder durch physikalische Vorgännge, wie Fluoreszenz oder Photo-Lumineszenz. Sensoren enthalten meist Halbleiterdetektoren, welche Licht in elektrische Spannung umwandeln. Komplexe Sensoren (line arrays / Zeilensensoren und matrix arrays / Flächensensoren), die auch in Scannern und Digitalkameras als Aufnahmeelement dienen.

Größen und Einheiten


- Lichtgeschwindigkeit
- Lichtstrom (Lumen)
- Lichtmenge (Lumensekunde)
- Lichtstärke (Candela)
- Leuchtdichte (Candela/m²)
- Beleuchtungsstärke (Lux)
- Lichtdruck (Optik) (Newtonsekunde)
- Lichtfarbe (Kelvin)
- Lichtjahr (Lj/ly)

Siehe auch


- Reflexion (Physik), Brechung (Physik), Absorption (Physik), Polarisation, Welle (Physik), Elektromagnetische Welle
- eine Lichtquelle (offenes Licht; grünes Licht geben, die Hintergrundbeleuchtung flackerte)
- Polychromatisches Licht
- Diffuses Licht
- Natürliches Licht
- Polarisiertes Licht
- Licht am Tag
- Marfa-Lichter, ungewöhnliche Lichterscheinungen
- Nordlicht
- Erstes Licht, Astronomie
- Tscherenkow-Licht
- Tageslicht
- Glanzlicht
- Lichtfarbe
- Lichtsignal
- Fördergemeinschaft Gutes Licht
- Mehr Licht

Literatur


- Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt.", Annalen der Physik, 1905, Seiten 132-148 (Mit diesem Beitrag begründete Einstein den Welle-Teilchen-Dualismus des Lichts)
- Klaus Hentschel: Einstein und die Lichtquantenhypothese. Naturwissenschaftliche Rundschau 58(6), S. 311 - 319 (2005),
- Thomas Walther, Herbert Walther: Was ist Licht? Von der klassischen Optik zu Quantenoptik, Verlag C.H.Beck, München, 1999, ISBN 3-406-44722-8
- Sidney Perkowitz: Eine kurze Geschichte des Lichts. Die Erforschung eines Mysteriums, Deutscher Taschenbuch Verlag, aus dem Amerikanischen übersetzt von Hainer Kober, München, 1998, ISBN 3-423-33020-1, amerik. Originalausgabe New York, 1996, ISBN 0-8050-3211-8

Weblinks

Real Video (Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri):
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040204.rm Was war der Äther?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&f=020317.rm Wird Licht müde?]
- [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=021208.rm Was ist Licht?]
- [http://www.kisc.meiji.ac.jp/~mmandel/recherche/licht.html Nachweise zum Thema Licht]
- [http://www.infoline-licht.de/ Infoline-Lichtplanung] - Online-Lexikon mit Basiswissen, Beispielen, Terminen, Adressen, etc. Kategorie:Optik Kategorie:Elektrodynamik Kategorie:Wellenlehre ja:光 ko:빛 ms:Cahaya simple:Light th:แสง

Schallwellen

Schall (von althochdeutsch scal) bezeichnet allgemein das Geräusch, den Klang, den Ton, wie er von Menschen und auch von Tieren vernommen werden kann. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichtestörungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Man unterscheidet den Nutzschall, wie Musik oder die Stimme beim Gespräch, und den Störschall, wie Baustellen- oder Verkehrslärm.

Definition

Physik

Physikalisch gesehen ist Schall eine Welle. In Gasen und in Flüssigkeiten ist Schall immer eine Longitudinalwelle, also auch im wichtigsten Medium, in Luft. In Festkörpern gibt es auch Transversalwellen. Schallwellen transportieren Schwingungen und Informationen. Sie bewegen Mediumteilchen (meistens Luft) um einen mittleren Zustand und breiten sich mit einer charakteristischen Geschwindigkeit, der Schallgeschwindigkeit c aus. Diese beträgt 343 m/s in Luft bei einer Temperatur von 20°C und 1407 m/s in Wasser bei einer Temperatur von 0°C. Die Wellenlänge \lambda für einen tonalen Schall kann mit der Frequenz f und der Schallgeschwindigkeit c über folgende Beziehung berechnet werden : \lambda = \frac Weiterhin ist Schall dadurch definiert, dass die Schwankungen der Zustandsgrößen Druck und Dichte klein im Verhältnis zu ihren Ruhegrößen sind. Das wird dadurch anschaulich, wenn man Schalldruckpegel von 120 dB (Dezibel) (das ist etwa die Schmerzschwelle des Menschen) mit dem normalen atmosphärischen Druck vergleicht: Der Ruhedruck der Atmosphäre beträgt 101325 Pascal (= 1013,25 Hektopascal), während ein Schalldruckpegel von 120 dB einem Effektivwert des Schalldrucks p von gerade einmal 20 Pascal entspricht. Schall ist im Gegensatz zu Licht eine Materiewelle. Da Schall zu seiner Ausbreitung ein materielles Medium benötigt, ist er im Vakuum nicht existent.

Akustik

Die zugehörige Wissenschaft ist die Akustik, welche wiederum ein Untergebiet der Gasdynamik ist. Die beiden Energieformen, die sich beim Schall ineinander wandeln, sind die Kompressionsenergie und die Bewegungsenergie als Schallenergiegröße, charakterisiert werden sie aber durch die Schallfeldgrößen:
- Schalldruck p im N/m² = Pa (Pascal)
- Schallschnelle v in m/s Die linearen Schallfeldgrößen und die quadratischen Schallenergiegrößen müssen deutlich auseinander gehalten werden. Wellen sind zeitlich und örtlich periodische Veränderungen einer physikalischen Größe g(t,x). Der Schalldruck p ist die wichtigste Schallfeldgröße als Skalar überhaupt (siehe auch Druckwelle). Dieses hat verschiedene Gründe: Der Schalldruck ist eine anschauliche Größe, mit Mikrofonen relativ leicht messbar und auch vom Menschen physiologisch erfassbar. Die Schallfeldgröße Schallschnelle v ist ein Vektor, wobei bei Einwirkung von Schall die "Geschwindigkeit" der Hin- und Herbewegung von den Fluidelementen (Luftteilchen) gemeint ist. Der Begriff "Geschwindigkeit" wird hier zur deutlichen Abgrenzung zur Schallgeschwindigkeit c allerdings vermieden. Die Schnelle ist nicht so leicht bestimmbar. Man muss sich hierbei klar werden, dass die maximal auftretenden Geschwindigkeiten bei der Auslenkung der Fluidelemente klein im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit sind: Bei einem Schalldruck von 120 dB beträgt die Schnelleamplitude in Luft gerade einmal 0,05 m/s. Bei der Hörschwelle des Menschen von 0 dB hat die Schnelleamplitude einen Wert von 5 · 10-8 m/s. Hierbei werden die Luftpartikel nur ganz gering ausgelenkt.

Einteilung nach Frequenz

Entsprechend dem Frequenzbereich unterscheidet man:
- Infraschall < 16 Hz ist für Menschen nicht hörbar, da zu tieffrequent
- Hörschall von 16 Hz bis 20 kHz, ist für Menschen hörbarer Schall
- Ultraschall von 20 kHz bis 10 GHz ist für Menschen nicht hörbar, da zu hochfrequent
- Hyperschall > 10 GHz sind nur noch bedingt ausbreitungsfähige Wellen

Reduzierung von Störschall

Bei der Geräuschbekämpfung wird zwischen direkt erzeugtem und indirekt erzeugtem Luftschall unterschieden. Direkt erzeugter Luftschall entsteht ohne die Beteiligung von Körperschall (z.B. in einem Strahltriebwerk). Beim indirekt erzeugten Luftschall wird durch eine Kraftanregung zunächst Körperschall in einer Struktur erzeugt. Dieser pflanzt sich in der Struktur fort. Durch Vibrationen an der Oberfläche der Struktur wird dann Luftschall abgestrahlt. Beim direkt erzeugten Luftschall muss zur Geräuschabsenkung die Verwirbelung der Luft gering gehalten werden. Besonders ist darauf zu achten, dass Bauteile nicht von verwirbelter Strömung beaufschlagt werden (s. Aeroakustik). Beim indirekt erzeugten Luftschall kann an verschiedenen Punkten angesetzt werden. Zunächst kann der Kraftverlauf so beeinflusst werden, dass er möglichst wenige Eigenfrequenzen des Bauteils anregt. Dies ist immer dann der Fall, wenn keine steilen Kraftsprünge oder Kraftspitzen vorhanden sind. Weiterhin kann die Eingangsimpedanz des Bauteils erhöht werden (z.B. durch erhöhte Masse an der Krafteinleitungsstelle. Schließlich kann die Struktur selbst bedämpft werden (z.B. durch Entdröhnung mit Schwermatten oder Sandwichbleche). Beispiele für die Anwendung primärer und sekundärer Mechanismen sind:
- Lärmschutzwand
- verkehrsberuhigte Bereiche
- Geschwindigkeitsbegrenzungen
- Gehörschutz ("Ohrstöpsel")
- Schallschutzfenster
- [http://www.avguide.ch/index.cfm/show/page.view/uuid/38FEA811-8A11-97B0-47A895B69E7997AF Schallkompensation]
- lüfterloses Design von Computern
- Spindel-loses Design von Computern (also ohne klassische Festplatte, vielleicht mit Flash-Speicher)
- Flüssigkeitslager (statt Kugellager)
- Umwendelung von Fahrzeugantennen zur Vermeidung von Pfeiftönen (Kármánsche Wirbelstraße)
- Straßenbeläge aus Drainasphalt

Literatur


- Breuer, Hans: dtv-Atlas Physik, Band 1. Mechanik, Akustik, Thermodynamik, Optik. München: dtv-Verlag, 1996, ISBN 3-423-03226-X
- Kuttruff, Heinrich: Akustik. Stuttgart: Hirzel, 2004, ISBN 3-777-61244-8

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellenlaenge.htm Berechnung von Wellenlänge des Schalls, Frequenz und Schallgeschwindigkeit]
- [http://www.sengpielaudio.com/Rechner-wellen.htm Berechnung der Wellenlänge einer Schallwelle in Luft bei gegebener Frequenz und Temperatur] Kategorie:Akustik Kategorie:Elektroakustik Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Physik Kategorie:Wellenlehre ja:音 ko:소리 simple:Sound th:เสียง

Spin

Der Spin (von engl. spin, Drehung, Drall) ist eine quantenmechanische Eigenschaft von Elementarteilchen, die man sich anschaulich als "Eigendrehimpuls" vorstellen kann. Der Spin verhält sich bei Rotationen des Raumes wie der Drehimpuls, ist jedoch eine intrinsische Eigenschaft von Elementarteilchen, und kann nicht auf klassische Eigenschaften zurückgeführt werden. Eine weitere Bedeutung hat der Spin als relativistischer Effekt in der mathematischen Beschreibung der Vierdimensionalen Raumzeit (siehe Spinor).

Spin, Spinquantenzahl und Spineigenzustand

Ein in der Quantenmechanik durch seine Wellenfunktion (d.h. den Zustandsvektor) \Psi gegebenes Objekt wird bei einer (idealen) Messung in einen Eigenzustand mit assoziiertem Eigenwert geworfen, die Eigenwerte sind die möglichen Messwerte. Die Spineigenzustände und -eigenwerte ergeben sich - in Analogie zum quantenmechanischen Drehimpuls - aus den Lösungen der folgenden Eigenwertgleichungen: :\begin S^2 \Psi & = & s(s+1)\hbar^2 \Psi \\ S_z \Psi & = & s_z \hbar \Psi \end Dabei sind S^2=S_x^2+S_y^2+S_z^2 und S_z die Spinoperatoren und s und sz die Spinquantenzahl und die magnetische Spinquantenzahl. Man sagt auch vereinfachend, das Teilchen habe den Spin s oder es sei ein Spin-s-Teilchen. Eine wichtige Eigenschaft des Spins ist, dass nur diskrete Werte möglich sind, im Gegensatz zum Drehimpuls aber auch halbzahlige: Ein Teilchen kann einen Spin von 0, von 1/2, von 1 (und so weiter, in Schritten von 1/2) haben. Die Spinquantenzahl s eines Elementarteilchens ist fest vorgegeben und kann sich nicht ändern. Die möglichen sz-Werte ergeben sich dann zu : s_z = -s, -s+1, \dots, s-1, s Das heißt, dass ein Spin-0-Teilchen nur einen Eigenwert \left( s_z \hbar = 0 \right) bzgl. Sz besitzt. Ein Spin-1/2-Teilchen hat zwei Eigenwerte \left( s_z \hbar = -\frac \hbar, s_z \hbar = \frac \hbar \right) und allgemein hat ein Spin-s-Teilchen 2s+1 Eigenwerte bzgl. Sz. Die Zustände des Spins werden durch 2s+1-komponentige Spinoren dargestellt. Statt im Spinorraum wird aber meistens im Spinraum gerechnet. Ein Spinor lässt sich nach den Basisvektoren des Spinraumes entwickeln: :\Psi = \Psi(s_z = -2s) \cdot (1, 0, \dots) + \Psi(s_z = -2s+1) \cdot (0, 1, \dots) + \dots Im Spinraum werden die Spinoperatoren durch Matrizen und die Zustände durch Vektoren dargestellt.

Spin als Erhaltungsgröße

Die Spinquantenzahl s eines Elementarteilchens ist unveränderlich, die Spinausrichtung allerdings nicht. Auch der Gesamtspin eines Systems aus mehreren Teilchen ist keine Erhaltungsgröße, jedoch sein Gesamtdrehimpuls. Wenn also Reaktionen etwa in der Atomphysik beobachtet werden, dann ist die Summe aller Drehimpulseigenwerte vor und nach der Reaktion die gleiche.

Spin und Magnetisches Moment

Der Spin eines Elementarteilchens kann über das mit ihm assoziierte magnetische Moment gemessen werden (Einstein-DeHaas-Effekt). Über dieses magnetische Moment tritt der Spin in Wechselwirkung mit magnetischen Feldern, so dass ein Teilchen je nach Ausrichtung seines Spin in einem Magnetfeld unterschiedliche Energiemengen enthält. Im Atom treten auf diese Weise Wechselwirkungen zwischen Elektron und Atomkern oder zwischen verschiedenen Elektronen auf. Diese Wechselwirkung wird technisch in Kernspintomografen ausgenutzt.

Spin und Statistik

Man gruppiert Elementarteilchen nach ihrem Spin in Bosonen (ganzzahliger Spin) und Fermionen (halbzahliger Spin). Bosonen und Fermionen haben ein unterschiedliches Symmetrieverhalten unter Rotationen: Die Wellenfunktion eines Bosons geht unter einer Rotation von 360 Grad in sich selbst über. Bei einem Fermion entsteht bei einer Rotation um 360 Grad jedoch nicht die identische Wellenfunktion, sondern -\Psi. Erst bei einer Rotation um 720 Grad ergibt sich \Psi. Dies ist der letztendliche Grund, dass für Fermionen das Pauli-Prinzip gilt. Vertauscht man zwei Fermionen, negiert sich das Vorzeichen der Gesamtwellenfunktion des Systems, während die Vertauschung zweier Bosonen die Wellenfunktion unbeeinflusst lässt. Die Folge ist, dass sich zwei Fermionen nie im selben Zustand aufhalten können, zwei Bosonen hingegen schon. Dem Spin-Statistik-Theorem zufolge gehorchen alle Fermionen der Fermi-Dirac-Statistik, alle Bosonen der Bose-Einstein-Statistik. Aufgrund dieser Eigenschaften und der Ununterscheidbarkeit von Elementarteilchen können nur immer zwei Fermionen ein Energieniveau besetzen. Dies ist das Pauli-Prinzip - nämlich eines mit Spin-Up und eines mit Spin-Down. Dagegen können beliebig viele Bosonen einen Energiezustand besetzen (Bose-Einstein Kondensat).

Spin, Praktische Bedeutung

Wie im vorherigen Abschnitt dargestellt sind alle Elementarteilchen entweder Fermionen oder Bosonen - je nach Spin. Insbesondere sind Elektronen Fermionen. Daher können in einem Atom immer nur zwei Elektronen ein Energieniveau besetzen (s. Schalenmodell). So kommt es zur Bildung der uns bekannten Materie. Wären Elektronen Bosonen so würden Sie alle das unterste Energieniveau im Atom besetzen. Die uns bekannte Materie und insbesondere die Bindung von Atomen zu Molekülen würde nicht existieren! Daher ist der Spin eine der wichtigsten Eigenschaften der Materie zusammen mit der elektrischen Ladung und der Masse. Eine direkte praktische Anwendung des Spin ist die Kernspintomographie.

Geschichte

Im Zusammenhang mit der Messung von Emissionsspektren von Alkalimetallen wurde der Spin erstmals bemerkt, nämlich durch die Aufspaltung von Spektrallinien in zwei benachbarte Teillinien. Wolfgang Pauli schlug 1924 einen quantenmechanischen Freiheitsgrad, der zwei Werte annehmen kann, für das Elektron vor; hierdurch konnte er die Aufspaltung der Linien erklären und begründen, dass genau zwei Elektronen sich ein Atomorbital teilen (siehe auch Atommodell). Ralph Kronig, ein Assistent Alfred Landés, schlug 1925 vor, dieser unbekannte Freiheitsgrad werde von der Eigenrotation des Elektrons hervorgerufen. Aufgrund der Kritik Paulis an dieser Idee blieb Kronigs Vorschlag unveröffentlicht. Im Jahre 1927 formulierte Wolfgang Pauli eine Quantentheorie des Spins für das Elektron. Mit Hilfe der Pauli-Matrizen konnte er Elektronen-Wellenfunktionen als 2-komponentige Spinoren darstellen. 1928 stellte Paul Dirac eine relativistische Bewegungsgleichung für das Elektron auf. Die Dirac-Gleichung beschreibt den halbzahligen Spin und sagte auch ein Antiteilchen des Elektrons voraus, das später nachgewiesene Positron. Kategorie:Quantenphysik ja:スピン角運動量 ko:스핀

Zustand (Quantenmechanik)

In der Quantenmechanik ist der Zustand eines physikalischen Systems in Bezug auf eine vorgegebene Theorie definiert als Inbegriff eines minimalen Satzes physikalischer Größen, aus deren Kenntnis sich die im Rahmen der Theorie maximal mögliche Information über das System ableiten lässt. Für den Zustand gibt es in der betreffenden Theorie eine Evolutionsgleichung, aus der sich ergibt, wie sich der Zustand zum Beispiel zeitlich entwickelt. Diese zeitliche Entwicklung des Zustandes heißt Prozess. Zum Beispiel ist der Zustand in der klassischen Mechanik gegeben durch die Orte und Impulse der beteiligten Teilchen. Aus diesen Angaben lassen sich dann alle anderen physikalischen Größen, wie Energien, Drehimpulse und so weiter berechnen. Zu beachten ist hierbei, dass der Zustand in der klassischen Mechanik observabel, also beobachtbar ist, denn Orte und Impulse sind messbar. In der Quantenmechanik ist der Zustand gegeben durch eine abstrakte nicht observable mathematische Funktion \psi(\vec r,t), im einfachsten Fall einer Funktion von Raum und Zeit, der so genannten Wellen- oder \psi-funktion. Diese Funktionen werden bestimmt als Lösungen der dazugehörigen Entwicklungsgleichung, der Schrödingergleichung. Die wesentliche Neuerung besteht darin, dass der Zustand des Systems durch eine nicht beobachtbare Funktion repräsentiert wird. Die weitere Konsequenz daraus ist die statistische Interpretation dieses Zustandes. Die Wellenfunktion liefert keine Orte von Teilchen mehr, sondern bestimmt Aufenthaltswahrscheinlichkeiten. Also wie oft sich bei einer sehr großen Zahl von Teilchen in ein und demselben Zustand, ein bestimmter Bruchteil in einem bestimmten Raumbereich aufhält. Siehe auch: Dichtematrix Kategorie:Quantenphysik ja:量子状態

Phase

Das Wort Phase (griech. phasis: "Erscheinung") bezeichnet
- einen Abschnitt einer stetig verlaufenden Entwicklung oder eines zeitlichen Ablaufs, siehe Entwicklungphase
- in der Physik und der Mathematik den Schwingungszustand einer Welle an einer bestimmten Stelle und zu einem bestimmten Zeitpunkt, siehe Phase (Schwingung)
- in der Astronomie den veränderlichen Beleuchtungszustand eines nicht selbst leuchtenden Himmelskörpers, siehe Mondphase
- in der Elektrotechnik
  - umgangssprachlich den Außenleiter eines Drehstromnetzes
  - den zeitlichen Schwingungsversatz zweier Wechselspannungen, siehe Phase (Schwingung)
- bei dem Betriebssystem MVS ein ausführbares Computerprogramm, siehe Loadmodule
- in der physikalischen Chemie und Materialwissenschaft einen hinsichtlich physikalischer Eigenschaften homogenen Bereich, siehe Phase (Thermodynamik)

Siehe auch


- Phasenübergang

Reflexion (Physik)

Von Reflexion (lat. reflectere: zurückbeugen, drehen) spricht man, wenn ein Lichtstrahl, eine elektromagnetische Welle, oder ganz allgemein, eine Welle (zum Beispiel Schall) von einer Oberfläche zurückgeworfen wird. Stellt man die Wellenausbreitung durch Strahlen senkrecht zur Wellenfront dar, so gehorchen diese Strahlen dabei dem Reflexionsgesetz, d. h. der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls ist gleich dem Austrittswinkel und die Strahlen liegen in der gleichen Einfallsebene. Die beiden Winkel werden zum Einfallslot hin gemessen. Das ist eine Gerade, die im Auftreffpunkt des Strahls senkrecht auf der Oberfläche steht.

Allgemeines

Grenzschichten zwischen Medien Besitzen zwei Medien stark unterschiedliche Wellenwiderstände, so kommt es an der Grenzschicht zu Reflexionen:
- Parallel zur Grenzschicht kann sich die Welle ohne allzu große Beeinflussung durch die Grenzschicht ausbreiten.
- Senkrecht zur Grenzschicht kann nur ein Bruchteil der Leistung der Welle sich in das andere Medium ausbreiten, der Rest wird reflektiert. Der reflektierte Anteil hängt hierbei vom Verhältnis der Wellenwiderstände ab. Bei stark unterschiedlichen Wellenwiderständen (z.B. an der Grenzschicht Luft/Metall bei elektromagnetischen Wellen) wird nahezu die gesamte senkrecht einfallende Leistung senkrecht zur Grenzschicht zurück reflektiert. Da die Komponente des Wellenfeldes parallel zur Grenzschicht sich ungehindert ausbreitet, die Komponente senkrecht zur Grenzschicht aber ihre Richtung ändert, kommt es zum Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel Diffuse und gerichtete Reflexionen Ob eine Reflexion diffus oder gerichtet ist, hängt im wesentlichen von der Rauigkeit der Oberfläche ab. Ist die Grenzschicht so eben, dass die Unebenheiten klein gegen die Wellenlänge sind, ist die Reflexion gerichtet. Andernfalls ist die Reflexion diffus. Spiegelquellen Das Wellenfeld an einer gerichtet reflektierenden Fläche lässt sich durch "Spiegelquellen" beschreiben. Zu jeder Original-Quelle wird hierbei eine Spiegelquelle hinter der reflektierenden Fläche "angebracht", mit dem gleichen Abstand zur reflektierenden Fläche wie die Original-Quelle. Das Wellenfeld ergibt sich dann durch Überlagerung der Wellenfelder von Original- und Spiegel-Quellen.

Reflexion in der Optik

Reflexionsgesetz Man unterscheidet diffuse und gerichtete Reflexion. Bei diffuser Reflexion wird das einfallende Licht mehr oder weniger gleichmäßig in den Halbraum vor der reflektierenden Fläche zurückgeworfen (im Idealfall folgt die Winkelabhängigkeit der Lambert-Verteilung). Die diffuse (ungerichtete) Strahlung ist also eine allseitige Streuung der Strahlung (ähnlich wie bei einem Milchglas oder einer Fensterscheibe).Hierbei bildet sich eine Mischfarbe in Abhängigkeit von der Eigenfarbe der reflektierenden Fläche und der spektralen Verteilung des einfallenden Lichtes. Zur gerichteten Reflexion siehe den Hauptartikel Spiegel. Anwendungen nicht ebener Spiegel sind beispielsweise konkav gekrümmte Hohlspiegel als Rasierspiegel oder bei optischen Teleskopen bestimmter Bauart, den Spiegelteleskopen.
Konvex gekrümmte Spiegel dienen zum Beispiel als Außenspiegel an Fahrzeugen und zeigen größere Bereiche als gleich große Planspiegel.
Eine weitere Anwendung sind die so genannten Reflektoren, die im Straßenverkehr (Scheinwerfer, Rückleuchte; das auf dem Tripelspiegel-Konzept basierende Katzenauge), in der Fotografie (Blitzlicht), aber auch bei der Energiegewinnung (Sonnenkraftwerk) zum Einsatz kommen.

Reflexion in der Elektromechanik

Bei Antennen wird die Sendeleistung durch Spiegel gebündelt und eine Richtwirkung erreicht, zum Beispiel bei Parabolspiegeln für Satellitenantennen. Wird ein Teil elektromagnetischer Strahlung reflektiert bzw. transmittiert und ein Teil absorbiert, so spricht man von Remission (Optik).

Reflexion bei elektrischen Leitungen

Wenn eine elektrische Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, dann wird ein an der Leitung entlang laufendes Signal vollständig am Abschlusswiderstand absorbiert, es kommt zu keiner Reflexion am Abschluss. Weicht die Impedanz des Abschlusses jedoch vom Wellenwiderstand der Leitung ab, so kommt es zu mehr oder weniger starker Reflexion der Welle. Die sich auf der Leitung befindenden vorlaufenden und reflektierten Wellen überlagern sich dabei zu stehenden Wellen.

Reflexion in der Akustik

Ebene, schallharte, nicht absorbierende Oberflächen reflektieren Schallwellen. Je nach Anordnung und Anzahl der reflektierenden Flächen und Art der Beschallung ergibt sich ein unterschiedlicher Höreindruck: :Echos (z.B. Felswand in größerem Abstand)
:Flatterecho (z.B. 2 parallele reflektierende Wände)
:Nachhall (z.B. große Räume mit harten Wänden, wie z.B. Kirchen)
:hohe Räumlichkeit (z.B. akustisches Raumempfinden in Konzertsälen)
:trockener Klang (z.B. in Räumen mit wenig reflektierenden Flächen) Räumlichkeit Für den akustischen Eindruck wichtig sind:
- Anteil des Direktschalls am Gesamt-Schallpegel
- Zeitverzögerung und Richtung von frühen Reflexionen, sowie deren Anteil am Gesamt-Schallpegel
- Einsatzverzögerung und räumliche Verteilung des Nachhalls, sowie dessen Anteil am Gesamt-Schallpegel und dessen zeitlicher Verlauf (Nachhallzeit) Bei Räumen sind je nach Nutzung andere raumakustische Eigenschaften und damit jeweils ein anderes Reflexionsverhalten der Wände sinnvoll:
- Möglichst reflexionsarme Räume bei Tonstudios, damit der akustische Charakter des Aufnahmeraums möglichst keinen Einfluss auf die Aufnahme bekommt.
- Räume mit mäßig reflektierenden Wänden für Unterrichtsräume. Einerseits soll die Stimme des Lehrers durch Reflexionen unterstützt werden, andererseits darf die Sprachverständlichkeit aber nicht durch zu starke Reflexionen (zu hohe Nachhallzeit) vermindert werden. Günstige Nachhallzeitfür Normalhörende nach der neuen DIN 18041 "Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen": zwischen 0,3 und 0,8 Sekunden. Für Schwerhörige sollten die Nachhallzeiten um 0,3 Sekunden angestrebt werden.
- Räume mit stark reflektierenden Wänden und einem ausgewogenen Verhältnis von Direktschall, frühen Reflexionen und Nachhall für Konzertsäle. Hier ist es das Ziel, durch Wandreflexionen ein möglichst "räumliches" Musikerlebnis zu erzielen. Günstige Nachhallzeit: ca. 1,5 bis 2 Sekunden.

Siehe auch


- Beschallungsanlage
- Emission (Physik)
- Fresnelsche Formeln

Weblinks


- [http://www.sengpielaudio.com/FrueheReflexionenUnter15.pdf Frühe Reflexionen unter 15 ms sind bei Stereo-Aufnahmen unerwünscht] Reflexion (Physik) Reflexion (Physik) Reflexion (Physik)

Brewsterwinkel

Der Brewsterwinkel, nach David Brewster, (Formelzeichen hier: e, in der Literatur oftmals \theta_B) ist eine Größe der optischen Physik. Licht, welches auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit den Brechzahlen n_a bzw. n_b trifft, wird gemäß den Fresnelschen Formeln reflektiert bzw. transmittiert. Für Licht mit einer Polarisation parallel zur Einfallsebene, welches mit dem Brewsterwinkel einfällt, entfällt die Reflexion. Das Licht dringt vollständig durch die Oberfläche. Licht mit senkrechter Polarisation hingegen wird auch teilweise reflektiert. Das reflektierte Licht ist somit vollständig linear polarisiert. Im Folgenden wird angenommen, dass der Strahl von der Luft aus auf dieses Material trifft. Für Luft kann man in guter Näherung eine Brechzahl von n_a=1 annehmen. Das Material habe die Brechzahl n_b. Es gilt: :\tan \left(a \right) = n (Brewstersches Gesetz) Bei dem Übergang zwischen zwei beliebigen Medien ergibt sich der Brewsterwinkel aus :a = \arctan \left( \frac \right) , wobei na die Brechzahl des Mediums ist, in dem e gemessen wird, und nb die Brechzahl des anderen Mediums. Der eintreffende Lichtstrahl regt die Atome des Materials zum Schwingen an. Es entsteht dadurch eine Ansammlung von atomaren Dipolen, die in Polarisationsrichtung schwingen und dadurch Sekundärwellen ausstrahlen. Nach dem optischen Reflexionsgesetz (Einfallswinkel e gleich Ausfallswinkel a) wird der Strahl unter dem Einfallswinkel reflektiert. Das besondere bei Einstrahlung im Brewsterwinkel: Der unter dem Winkel b gebrochene Strahl steht orthogonal auf den reflektierten, daher wird das gesamte parallel zur Einfallsebene polarisierte Licht gebrochen und nur der senkrecht zur Einfallsebene polarisierte Anteil reflektiert. Grund: Würde auch parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht reflektiert, so ergäbe dies eine longitudinal schwingende Lichtwelle, die aufgrund der Eigenschaften des elektromagnetischen Felds nicht existieren kann. Man kann also eine Glasplatte als Polarisator verwenden, indem man sie im Brewsterwinkel bestrahlt. Mit den unten bezeichneten Winkeln und dem Brechungsgesetz gilt: : a + 90^\circ + b = 180^\circ; \quad b = 90^\circ - a : e = a und n = \frac = \frac = \tan(a) Kategorie:Wellenoptik Kategorie:Elektrodynamik ja:ブリュースター角

Polarisationsfilter

Ein Polarisationsfilter (kurz auch Polfilter) ist ein optisch transparentes Medium, das nur elektromagnetische Wellen, i.a. Licht, einer bestimmten Polarisation durchlässt.

Wirkungsweise

Licht stellt eine elektromagnetische Welle dar, die transversal (also senkrecht) zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Hierbei kann es in allen möglichen Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Es gibt verschiedene Arten von polarisiertem Licht: Linear polarisiert, zirkular polarisiert und elliptisch polarisiert. Linear polarisiertes Licht schwingt nur noch in eine ganz bestimmte, zur Ausbreitungsrichtung senkrechte Richtung. Bei zirkular polarisiertem Licht dreht sich die Schwingungsebene des elektrischen Feldes, die Stärke des Feldes ist immer gleich. Elliptisch polarisiertes Licht ist ähnlich wie zirkular polarisiertes Licht, nur dass sich hier die Feldstärke der elektromagnetischen Welle elliptisch ändert. Unpolarisiertes Licht lässt sich als Überlagerung mehrerer polarisierter Teilwellen auffassen. Ein Polarisationsfilter blockiert nun Licht einer bestimmten Polarisation, also Licht, das in genau einer bestimmten Richtung schwingt. Ein Polarisationsfilter lässt nur Licht durch, welches in der Polarisationsebene des Filters liegt. Dem zufolge ist das Licht, welches den Polarisationsfilter verlässt, immer polarisiert. Man unterscheidet zwischen linearen und zirkulären Polarisationsfiltern, je nach Art der Polarisation der ausfallenden Lichts: Beim linearen Polarisationsfiltern ist das ausfallende Licht immer Licht einer bestimmten Polarisation, es schwingt also in genau einer Richtung und wird linear polarisiertes Licht genannt. Bei zirkulären Polarisationsfiltern wird das linear polarisierte Licht wieder so "durcheinandergewirbelt", dass es dann zwar noch in einer Polarisationsrichtung schwingt, diese sich jedoch pro Phase einmal um die Ausbreitungsachse dreht. Dies wird erreicht, indem das Licht nach der Polarisation durch ein so genanntes λ/4-Plättchen gesendet wird, welches für verschieden polarisiertes Licht verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten hat. Aufgrund dieses Aufbaus ist die Wirkung zirkulärer Polarisationsfilter nur erkennbar, wenn man von der Seite mit dem λ/4-Plättchen her durchblickt. Bei Kamerafiltern ist dies die Seite mit dem Filtergewinde.

Anwendungen


- Polarisationsfilter werden in wissenschaftlichen Instrumenten, z. B. Mikroskopen, benutzt, um Strukturen deutlicher hervortreten zu lassen.
- In Polarimetern werden zwei Polarisationsfilter zur Messung der optischen Aktivität organischer Stoffe verwendet.
- Für die Projektion von 3D-Filmen werden zwei Projektoren mit vorgesetzten Polarisationsfiltern verwendet. Die Polarisationsebenen sind dabei um 90° gegeneinander gedeht. Die beiden übereinander projizierten Bilder wurden von zwei verschiedenen Punkten aufgenommen; der Zuschauer betrachtet das Gesamtbild mit einer Brille, die ebenfalls aus zwei gegen einander geneigten Polfiltern besteht. Dadurch sieht jedes Auge ein unterschiedliches Bild und ein räumlicher Eindruck entsteht.
- In der Fotografie werden Polarisationsfilter unterschiedlich eingesetzt:
  - Unerwünschte Reflexionen von glatten, nichtmetallischen Oberflächen (z.B. Wasser, Glas) lassen sich unterdrücken. An nichtmetallischen Oberflächen wird bevorzugt Licht mit einer bestimmten Polarisation reflektiert, insbesondere wenn der Ausfallswinkel etwa 30° bis 40° beträgt, also nahe dem Brewsterwinkel liegt. Wenn der Polarisationsfilter geeignet ausgerichtet ist, werden die reflektierten Lichtwellen unterdrückt, so dass der unpolarisierte Hintergrund nicht von den Reflexionen überstrahlt wird. So ist es z.B. möglich, störende Reflexionen auf Fensterscheiben oder Wasseroberflächen auszublenden.
  - Die Grünwiedergabe von Laub und Gräsern verbessert, weil der Polarisationsfilter störende (blaue) Reflexe des Himmels teilweise unterdrückt.
  - Das Blau eines wolkenlosen Himmels ist ebenfalls polarisiert. Durch einen Polarisationsfilter kann ein Großteil des hellen Himmels zurückgehalten werden, so dass der Himmel auf dem Foto dunkler und somit kräftiger in seiner Farbe erscheint. Weiße Wolken treten deutlicher vor dem blauen Himmel hervor.Dieser Effekt tritt besonders stark im Winkel von 90° zur Sonne auf, bei anderen Winkelwerten geringer bis gar nicht.
  - Ungeeignet ist ein Polarisationsfilter zum Fotografieren eines Regenbogens – die Farbenlinien sind polarisiertes Licht und würden unterdrückt.
  - Es sollten (insbesondere bei Digitalkameras und analogen Autofocus-Kameras) zirkuläre Polfilter verwendet werden, da Bauelemente in einer Kamera (insbesondere TTL-Belichtungsmessung und Autofokus) selbst polarisiertes Licht auswerten und diese Sensoren so falsche Messergebnisse liefern könnten.
- Anzeigen, die auf Flüssigkristallen beruhen, benötigen Polarisationsfilter, da durch ihren Einsatz der Kontrast zur Darstellung der Zeichen geschaffen werden kann bzw. der dazwischenliegende Flüssigkristall unter Wechselstromwirkung optisch aktiv wird (die Polarisationsebene dreht).
- Spannungsoptik: Um die mechanische Beanspruchung (Spannungen und Spannungsspitzen) in technischen Bauteilen sichtbar zu machen, werden die Bauteile in Plexiglas nachgebildet, mit Licht durchstrahlt und zwischen Polarisationsfilter gesetzt. Die Spannungen führen zu farblich veränderten Linien, die durch ihre Dichte die Höhe der Spannung anzeigten. Inzwischen wurde das Verfahren durch die rechnerische Bestimmung der Spannungen mittels Finite-Elemente-Methode abgelöst.

Beispiel

Im folgenden Beispiel wurde das Motiv zuerst ohne Polfilter und unmittelbar danach mit Polfilter fotografiert. Wie deutlich zu erkennen wirken Himmel und Meeresoberfläche durch den Polfilter wesentlich gesättigter und der Kontrast nimmt deutlich zu. Bild:Kroatien_ohne_polfilter2.jpg Bild:IMG_7720_ohne-pol.JPG Bild:Kroatien_mit_polfilter2.jpg Bild:IMG_7721_mit-pol.JPG Kategorie:Fototechnik

Fotoapparat

Unter einem Fotoapparat (Fotokamera, Kamera, lat. camera=Kammer) versteht man ein Gerät zur Aufnahme und Speicherung eines einzelnen Bildes (Still) oder einer kurzen Serie von Einzelbildern. Im Gegensatz dazu stehen Filmkameras, deren primärer Zweck im Festhalten von kontinuierlichen Bildfolgen besteht. Die aus der englischen Bezeichnung camera abgeleitete Kurzform cam, wird in abkürzenden Kunstworten, wie z.B. Webcam oder Digicam (für Digitalkamera) verwendet. Insbesondere im Bereich der Digitalkameras und der digitalen Videokameras sind die Übergänge fließend; diverse Kameramodelle beherrschen auch die Aufzeichnung kurzer Videosequenzen, und immer mehr digitale Videokameras unterstützen auch die Einzelbildaufzeichnung.

Geschichte und Entwicklung

Namensgeber für die gesamte Gattung der Kameras ist die Camera Obscura. Diese verfügte noch nicht über chemischen Film zur Bildaufzeichnung und anfänglich auch nur über ein kleines Loch anstelle eines Objektivs. Sie projizierte ihr Bild auf eine Fläche (zum Beispiel in einer begehbaren Kiste), eine Mattscheibe oder Tischplatte und diente der Anfertigung realistischer Zeichnungen. Die hier beschriebene technische Entwicklung des Fotoapparates ging einher mit der Geschichte der Fotografie. Bei den ersten Fotoapparaten, die für die Fotografie konstruiert wurden, handelte es sich um Camerae obscurae aus Holz; sie wurden u.a. von Daguerre und Giroux, aber auch von diversen Optikern verkauft. Historisch verlief die Entwicklung des Fotoapparats aus der Kenntnis des Sonderfalls der Parallelität von Film- (F), Objektiv- (O) und entsprechend auch Schärfeebene (S), der bis heute als Normalkamera gilt. Die flexible Kamerakonstruktion (z. B. Balgen) diente zuerst nur der Entfernungseinstellung. Die erste Ganzmetall-Kamera stellte Voigtländer 1841 vor; noch 1839 konstruierte Carl August von Steinheil das erste nach physikalischen Prinzipien gerechnete Objektiv. Dieses wurde 1840 durch Josef Petzval verbessert, der das Petzvalobjektiv konstruierte; dabei handelte es sich um das erste lichtstarke Objektiv überhaupt: Es verfügte über eine Lichtstärke von 1:3,7, also 16-mal lichtstärker als das Objektiv von Daguerres Kamera. Erst um die Wende zum 20. Jahrhundert wurde das Prinzip der um eine Achse drehenden Ebenen formuliert - 1901 vom französischen Kamerabauer Jules Carpentier (Patentamt London), 1904 (Patentamt London) darauf aufbauend von Theodor Scheimpflug (1865-1911). Der "Scheimpflug", wie heute eine damit arbeitende Einstellung allgemein genannt wird, bedarf mindestens einer schwenkbaren Kameraebene. Die so genannte Fachkamera, die für die Kameraebenen F und O vielfältige Verstellmöglichkeiten bietet, kam als Massenkamera erst Mitte des 20. Jahrhunderts vor allem in Fotostudios in Gebrauch.

Der Scheimpflug

Fotostudio Sind mit einem Apparat gleichzeitige Verstellungen um eine horizontale wie um eine vertikale Achse möglich, ist mit einem so genannten doppelten Scheimpflug der Schärfebereich auch diagonal und beispielsweise von oben ins Bild zu legen (die drei Ebenen F, O und S schneiden sich dann wieder nur in einem Punkt). War es der Grundgedanke des "Scheimpflugs", eine aufzunehmende Motiv-Ebene in den Schärfekeil zu legen und dann für den Schärfebereich nicht mehr die Blende für einen Schärfebereich von vorn bis hinten einstellen zu müssen (Tiefe des Objekts), sondern senkrecht zur Schärfeebene von oben nach unten (Höhe des Objekts), so sind mit dem sog. "doppelten Scheimpflug" auch von oben, unten oder seitlich kommende und dabei diagonal im dreidimensionalen Raum stehende Schärfekeile im Motiv darstellbar (primär Kunstfotografie).

Funktionsweise

Scheimpflug Ein Fotoapparat besteht aus drei Grundbestandteilen: Eine Einrichtung bündelt Licht und projiziert es auf eine Bildebene; bei dieser Einrichtung handelt es sich in der Regel um ein Objektiv, bei Lochkameras wird jedoch nur eine kleine Öffnung in der Vorderseite des Kameragehäuses verwendet. Ein mechanischer oder elektronischer Verschluss steuert die Dauer der Belichtung des Aufnahmemediums. Die Blende steuert den Lichteinlaß. Ein lichtdichtes Gehäuse beherbergt im Inneren das Aufnahmemedium. Das ist bei der klassischen Fotografie ein Film. Bei einer Digitalkamera wird statt des Films ein lichtempfindlicher Halbleiter-Sensor eingesetzt. Üblich sind hierbei so genannte CCD- oder CMOS-Sensoren. Diese Sensoren wandeln das einfallende Licht entsprechend seiner Intensität in elektrische Ladung um. Diese wird nach der Aufnahme über integrierte Schaltungen ausgelesen, analog-digital-gewandelt, codiert (siehe Datenkompression) und abgespeichert. Diese Kameraart zeichnet das Abbild zunächst auf einem Sensor (CCD oder CMOS) auf. Für die Astronomie wurden große, höchstempfindliche CCD-Sensoren entwickelt. Des Weiteren wird das Bild teilweise auch zeilenweise abgetastet (Scan-Techniken Hipparcos, Raumfahrt). Jenseits einer konkreten Bauweise arbeitet der "allgemeine Fotoapparat" (kurz: AF) wie folgt: Drei Ebenen bilden das Grundsystem des allgemeinen Fotoapparats, die (F) Film-, die (O) Objektiv- und die (S) Schärfeebene. Die beiden Kameraebenen F und O sind im AF lichtdicht und dreh- und verschiebbar verbunden. Unter der Vorgabe, dass Parallelen sich im Unendlichen treffen (projektive Geometrie), haben stets alle drei einen gemeinsamen Schnittpunkt im Raum, der von den Lagen von F und O bestimmt wird und - je nach Neigungswinkel zueinander - mehr oder weniger weit vom AF entfernt liegt. Die Ebene S entspringt in diesem Schnittpunkt F-O und verläuft über den scharfgestellen Punkt des Objektivs auf der Objektivachse (nicht senkrecht zur Schärfeebene S). Bild:hennings-photo.de-kamerasys.jpg Ist der Schnittpunkt der beiden Kameraebenen von der Kamera (AF) unendlich weit entfernt, dann tritt der Sonderfall ein, der alle drei Ebenen parallel zueinander ausrichtet (heutige und historische "Normalkamera"). Um den AF mechanisch praktikabel zu machen, bedarf es der Möglichkeit, F und O so einzustellen, dass aus dem Schnittpunkt der beiden Kameraebenen eine Linie analog eines Scharniers generiert wird (durch gemeinsame horizontale oder vertikale Ausrichtung der Kamerastandarten beispielsweise, in denen Film- und Objektivebene eingehängt sind). Nach dieser Ausgangseinstellung können die Ebenen sich während des weiteren Einstellens wieder nur in einem Punkt statt in einer Linie treffen (wenn beide Standarten gegenläufig verdreht werden - z. B. eine vertikal und eine horizontal). Die Schärfeebene S entsteht durch die genaue Projektion eines Punktes im Motiv durch das Objektiv hindurch auf einen Punkt in der Filmebene. Vom Objektiv aus gesehen entsteht in der Kamera ein Strahlenkegel, dessen Spitze sich mit dem Film trifft. Praktisch entsteht dabei ein Schärfekörper; das ist der Schärfebereich (siehe auch: Schärfentiefe). Beim Enden des Strahlenkegels kurz vor oder hinter der Filmebene werden auf ihm Zerstreuungskreise (Z) abgebildet, die vom Auge bis zu einer bestimmten Größe noch als scharf akzeptiert werden und deshalb noch scharf erscheinen. Mit der im Objektiv angeordneten Blende, die den Durchlass für das Licht durch das Objektiv steuert, wird die Größe der Zerstreuungskreise bestimmt: die kleinere Blendenöffnung erzeugt Strahlenkegel mit kleineren Radien und spitzeren Winkeln, die auf den Film fallen, und damit kleinere Zerstreuungskreise, die entsprechend schärfer erscheinen. Der Schärfekörper ist beim AF ein Keil; er beginnt auf der Schärfeebene(!) erst im Abstand des Kameraauszuges (Abstand F zu O) parallel zur Filmebene (unter dem Objektiv). Im Keil reicht die Schärfe bis Unendlich. Im Sonderfall - F und O sind parallel - ergibt sich der Schärfebereich als Schärfequader und nicht als Keil (weil technisch durch den AF begrenzt). Kameraauszug Der Schärfekeil ist in seinem Schnitt (Seitenansicht) durch 1. seinen Nullpunkt (in Skizze: unter dem Objektiv), 2. den Nahpunkt N und 3. den Fernpunkt F der Schärfe auf der Objektivachse definiert; N und F ergeben sich dabei aus der nominellen Entfernungseinstellung der Schärfeebene S und der bestimmten Brennweite des Objektivs. N und F (Nah- und Fernpunkt der Schärfe) ergeben sich auch aus der Kenntnis des Objektivs und der fast genau mittig zwischen ihnen liegenden Schärfeebene S; N und F können deshalb über Berechnungen ermittelt werden (wie z. B. durch die interaktive Tabelle von Striewisch/Kluge; s. u.). Mit den Werten für N, S und F, dem Abstand des Nullpunkts zur Objektivachse (D) und der genormten Größe Z (Zerstreuungskreis je Filmformat) ist der Keil zu berechnen (dazu N, S, F z. B. aus Striewisch/Kluge holen = [http://www.uni-giessen.de/~gk1030/div/Schaerfe.html Interaktiver Schärfentieferechner]; Z für Kleinbildkameras 0,03 mm, für Mittelformatkameras ca. 6 x 7 cm 0,05 mm, für Großformatkameras 9 x 12 cm 0,09 mm bis 0,1 mm und mehr je Bild- bzw. Aufnahmeformat). Wird der Schärfekeil in zwei Hälften gedacht, einmal der Teil vor und einmal der Teil hinter der Schärfeebene, können sich gering abweichende Winkel ergeben. Näherungsweise beträgt der Winkel des Keils vor der Schärfeebene, vom Nahpunkt zur Scharfstellung: : Winkel Altgrad = [ (90 - arctan D/(S - A)) - (90 - arctan D/(N - A)) ], wobei D = Distanz der Objektivachse zum Keilbeginn; S = Schärfeeinstellung auf Objektivachse; A = Kameraauszug; N = Nahpunkt der bestimmten Brennweite auf der Objektivachse. Vereinfacht kann dieser Winkel für den ganzen Schärfekeil verdoppelt werden. Die Distanz auf der Objektivachse vom Nahpunkt des Schärfebereichs zur Schärfeebene ist bei sehr dichter Entfernungseinstellung vor der Kamera etwa so groß wie die von der Schärfeebene zum Fernpunkt, wobei die Verhältnisse sich mit der jeweils länger eingestellten Entfernung ändern - der Abstand der Schärfeebene zum Fernpunkt wächst dann kontinuierlich gegenüber der Entfernung zum Nahpunkt an. Objektive sind Linsensysteme, die mit einer Blende (und oft einem Verschluss) kombiniert sind. Vom gleichen Standort aus, auf der gleichen optischen Achse zeichnen sie alle das gleiche Bild vom Motiv, zeichnen also gleiche Flächen und Winkel bei verschiedenen Bildausschnitten - wie beim Zoom-Objektiv, bei dem verschiedene Brennweiten fließend miteinander verbunden werden. Normalobjektive haben ungefähr die Bilddiagonale als Brennweite. Objektive mit weiterem Betrachtungswinkel (Weitwinkelobjektiv) zeichnen mehr vom Motiv kleiner auf. Objektive mit kleinerem Betrachtungswinkel (Fernobjektiv) zeichnen weniger vom Motiv größer auf. Entsprechend werden die Zerstreuungskreise bei letzteren vergrößert und der Schärfebereich wird kleiner (besonders klein bei Makroaufnahmen). Fernobjektive - mit kleinem Betrachtungswinkel - unterscheiden sich von Teleobjektiven dadurch, dass letztere innerhalb des Linsensystems ein Vergrößerungssystem (Tele-Konverter) enthalten und deshalb in ihrer Baulänge kürzer als ihre Brennweite sind. Bei der Unendlicheinstellung (∞) eines – in seinen Ebenen beweglichen – AF ist nominell der Abstand von F zu O gleich der Brennweite. Dieses Anlagemaß von F zu O ist bei Teleobjektiven kürzer und bei einigen Weitwinkeln etwa länger als die Brennweite. Für Berechnungen, z. B. des Abbildungsmaßstabes, gelten die nominellen Brennweiten. Dichtere Entfernungen zum Motiv als Unendlich scharfzustellen erfordert längere Auszüge der Kamera (für den Maßstab 1:1 ist die doppelte Brennweite nötig). Bei der Aufnahme des Motivs mit gleichem Maßstab kann bis zur Abbildungsgröße m 1:1 in der Praxis näherungsweise bei allen Objektiven bei gleicher Blendenöffnung (und gleichem Bildformat) von gleichen Schärfebereichen ausgegangen werden; bei größeren Maßstäben in den Makrobereich hinein gilt das nicht mehr. Zu berücksichtigen sind u. U. noch die normierten Zerstreuungskreise für die verschiedenen Bildformate (Z), wodurch sich unterschiedliche Blenden für verschiedene Formate ergeben. Da der AF als Balgen- oder Fachkamera keine Skalen für die eingestellte Entfernung hat, sind Abbildungsmaßstäbe, Auszugslängen (F zu O) und weitere Werte mehr in der Praxis zu berechnen. Die sog. Linsengleichung lautet: : 1/f = 1/a´ + 1/ a, dabei ist f = Brennweite; a´ = Kameraauszug; a = Entfernung Motiv zu Objektiv; daraus ergibt sich beispielsweise der Abbildungsmaßstab: : m = Auszugsverlängerung : Brennweite dabei ist die Auszugsverlängerung die Verlängerung des Balgens gegenüber dem Anlagemaß (= Auszug real für Unendlich); Brennweite = nomineller Wert für f.

Bauformen

Fotoapparate können anhand zahlreicher Kriterien unterschieden werden, wie z.B. nach Aufnahmeformat, optischem System, verwendetem Filmtyp oder Einsatzbereich. Eine ausführliche Darstellung aller gängigen Bezeichnungen findet sich in dem separaten Artikel Kamerabauform.

Literatur


- Ansel Adams: Die Kamera, München 2000 (Christian)
- Peter Bauernschmid (Hrsg.), Linhof Präzisions - Systemtechnik GmbH: Image Circle - Ein Lehr- und Bilderbuch für kreative Fachfotografie (München 2002); darin besonders die Texte von Walter E. Schön

Weblinks


- [http://www.uni-giessen.de/~gk1030/div/Schaerfe.html Tom Striewisch, Alexander Kluge: Interaktiver Schärfentieferechner] Kategorie:Fotopraxis Kategorie:Fototechnik ja:カメラ

Helium-Neon-Laser

Der Helium-Neon-Laser wurde 1961 als erster Dauerstrich- bzw. cw-Laser der Welt betrieben. Er besteht im wesentlichen aus einem dünnen Glasröhrchen (auch Kapillarrohr, Durchm. ca 1 mm, Länge ca. einige 10 cm) in welchem sich ein Helium-Neon-Gasgemisch befindet. Dieses Gasgemisch steht unter einem Druck von ca. 100 Pa, mit einem Verhältnis der Partialdrücke von Helium/Neon von ca. 10/1. An den Enden befinden sich sog. Brewster-Fenster. Dabei handelt es sich um planparallele Platten, die Licht mit einer bestimmten Polarisationsrichtung ohne Verluste durch Reflexion hindurchlassen. Licht mit dazu senkrechter Polarisation wird teilweise reflektiert, teilweise hindurchgelassen. Bei dem Brewster-Winkel erreicht man eine minimale Reflexion der Laserstrahlung ohne Antireflexbeschichtung der Fenster. Zusätzlich sorgt diese Anordnung für eine fast vollständige Polarisation des Laserlichtes. Dieser Aufbau befindet sich zwischen zwei Spiegeln, die den Resonator darstellen (siehe schematische Darstellung). Resonator Bei einem Helium-Neon-Laser ist das Helium das Pumpgas, und das Neon das Lasergas. In dem Glasröhrchen befinden sich außerdem noch zwei Elektroden, zwischen denen eine Gasentladung stattfindet. Diese Gasentladung bringt nun die Heliumatome in einen angeregten, langlebigen Zustand (ca. 10^ s). Die Heliumatome übertragen nun durch Stöße zweiter Art ihre Energie auf die Neonatome und erzeugen dort eine Inversion zwischen energetisch hohen Zuständen und niedrigen Zuständen. Auf Übergängen zwischen den energetischen Zuständen des Neons wird nun der Laserbetrieb, wie in folgenden Schema dargestellt, möglich. Energieschema des Helium-Neon-Lasers Die Zustände 2^1s und 2^3s des Heliums sind metastabil, d.h. es existieren keine optischen Übergänge in energieärmere Zustände. Die Emission von Photonen im Neon-Atom erfolgt durch stimulierte Emission; die Rückkehr in den Grundzustand durch spontane Emission und Rekombinationen an der Kapillarwand. Der Helium-Neon-Laser emittiert standardmäßig Licht der Wellenlängen 632.8 nm (am meisten bekannt), 1152.3 nm und 3392.2 nm (beide infrarot). Weitere Wellenlängen lassen sich durch Einbringung von Prismen und schmalbandigen Spiegeln in den Resonator erzeugen (z. B. im grünen Bereich bis ca. 543 nm). Welche Wellenlänge nun anschwingen soll kann man durch Filter bestimmen, die man in den Resonator bringt. Meist verwendet man eine Wellenlänge im Bereich von 633 nm (rot). Die Ausgangsleistung eines solchen Helium-Neon-Lasers liegt im Bereich von einigen mW, in seltenen Fällen bis hin zu ca. 100 mW. In der heutigen Zeit findet der Helium-Neon-Laser u.A. Anwendung in Labors. Die große Koherenzlänge erlaubt eine Anwendung in Interferometern oder die Kalibrierung von Spektrometern. Bei geringeren Anforderungen an die Laserstrahlung wird der Helium-Neon-Laser langsam durch preiswertere Diodenlaser abgelöst. Kategorie:Laser

Rayleigh-Streuung

Die Rayleigh-Streuung, benannt nach Lord Rayleigh, bezeichnet die Streuung elektromagnetischer Wellen an Teilchen, die einen im Vergleich zur Wellenlänge λ der gestreuten Wellen kleinen Durchmesser besitzen. Der (absolute) Streuquerschnitt σ der Rayleigh-Streuung ist proportional zu f4 ( also zur vierten Potenz der Frequenz f). Die Bedingung für Rayleigh-Streuung ist zum Beispiel erfüllt bei der Streuung von Licht an Gasen. Blaues Licht wird daher stärker gestreut als rotes. Dieser Effekt ist für die blaue Farbe des Himmels bei hohem Sonnenstand, sowie für die rote Farbe bei Sonnenaufgang (Morgenrot) und Sonnenuntergang (Abendrot) verantwortlich: Beim Durchgang des Lichtes der Sonne durch die Erdatmosphäre wird durch Rayleigh-Streuung ein Teil des Lichts isotrop (in alle Richtungen) gestreut. Das gestreute Licht ergibt einen diffusen Schimmer der Atmosphäre, der von der Erde aus gesehen als Himmelslicht erscheint. Bei hohem Sonnenstand ist die Strecke, die das Licht durch die Atmosphäre zurücklegen muß, zu kurz, um nennenswerte Lichtanteile im langwelligen Spektralbereich zu streuen, während unterhalb der Wellenlänge von blauem Licht eine wesentliche Streuung stattfindet. Daher erscheint das Streulicht (und damit der Himmel) blau. Bei niedrigem Sonnenstand ist die Strecke des Sonnenlichts durch die Erdatmosphäre so groß, dass der Großteil der hochfrequenten Lichtanteile schon gestreut, also gewissermaßen „verbraucht“ wurde. Dann treten die verbliebenen, da weniger stark gestreuten großen Wellenlängen, in Relation stärker zu Tage und der Farbeindruck verschiebt sich in Richtung rot. Bild:Sonnenuntergang-Bodensee.jpg|Sonnenuntergang Bild:Blue hour aka.jpg|Blaue Stunde Bild:Sonnenaufgang.jpg|Sonnenaufgang Siehe auch: Mie-Streuung Kategorie:Physik

Frequenzband

Das elektromagnetische Spektrum der zur technischen Kommunikation verwendeten elektromagnetischen Wellen wird gemäß ihrer Frequenz bzw. Wellenlänge in Frequenz-Bereiche (Frequenzbänder) aufgeteilt.

Tabelle

Elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen unter 1 mm nennt man Infrarotstrahlung, im Bereich 380 nm bis 780 nm sichtbares Licht, anschließend ultraviolettes Licht (siehe Elektromagnetisches Spektrum). Bemerkungen:
- Elektrische Leitungen, die mit niederfrequenten technischen Wechselströmen beschickt werden, sind auf Grund ihrer im Vergleich zur Wellenlänge (mehrere 1000 km!) geringen Länge sehr schlechte Strahler.
- Der Übergang von Hertzschen Wellen zur Infrarotstrahlung wird u.a. von der Art der Detektion geprägt. Hertzsche Wellen werden durch Antennen detektiert, die eine Hochfrequenz liefern. Infrarot (und höhere Frequenzen) werden durch ihre Wärmewirkung bzw. durch Ionisierung von Molekülen und Atomen detektiert.

FM-Rundfunk

Im Folgenden sind Frequenzbänder aufgeführt, auf denen Fernsehen und frequenzmodulierter Hörfunk ausgestrahlt werden. Siehe auch: Radiofrequenzband, Sonderkanal

Radar und Satellit

Im Zweiten Weltkrieg wurden Hochfrequenzen im GHz-Bereich, die für Radar-Ortung eingesetzt wurden, zur Geheimhaltung Buchstaben zugeordnet. Das IEEE versucht, die Bezeichnungen zu vereinheitlichen, was nicht immer gelingt. Beispiele: Neue, aber ungebräuchliche Bezeichnungen.

Weitere Frequenzbänder


- Amateurfunkbänder
- Kurzwellenrundfunkbänder
- Tropenband
- ISM-Band
- CB-Funk

Siehe auch


- Frequenzen der Fernsehkanäle, Liste interessanter Frequenzen

Weblinks


- [http://bundesrecht.juris.de/bundesrecht/freqbzpv/inhalt.html Frequenzbereichszuweisungsplanverordnung (FreqBZPV) mit Nutzungsbestimmungen]
- [http://www.regtp.de/reg_tele/start/fs_05.html Portalseite über die Frequenzordnung bei der "Regulierungsbehörde für Telekomunikation und Post" (RegTP)]
- [http://www.bundesnetzagentur.de/media/archive/1820.pdf Frequenznutzungsplan der Bundesnetzagentur Ausdruck oder Textentnahme ist nicht möglich.]
- [http://www.sbc-online.de Satelliten Beobachter Club] Kategorie:Nachrichtentechnik Frequenzband Kategorie:Rundfunk

Broadcasting Satellite Services

Broadcasting Satellite Services, Abkürzung BSS, heißt übersetzt etwa: Rundfunkdienste via Satellit. Es ist ein Frequenzbereich des Ku-Bandes. Die Sendefrequenzen im BSS Band wurden während der Funkverwaltungskonferenz WARC 77 im Jahre 1977 für Hochleistungs DBS Rundfunksatelliten vergeben. Diese sollten mit Sendeleistungen von bis zu 260 Watt pro Kanal direkt vom Zuschauer empfangen werden können. Jedes Land bekam dabei für seine Rundfunksatelliten 5 Kanäle zugeteilt. Die Frequenzen des BSS Bandes waren: Downlink: 11,7 - 12,5 GHz und Uplink: 17,3 - 18,1 GHz. Als Polarisationsrichtungen wurden vorgeschrieben: links- und rechtsdrehend. Die wenigen Ende der 1980er verwirklichten Rundfunksatelliten floppten dann u.a. wegen der zu niedrigen Kanal- (Programm)zahl in der Zuschauergunst. Siehe TV-SAT Das BSS Band wurde deshalb inzwischen für andere Geostationäre Satelliten freigegeben. Dort senden nun u.a. Astra Satelliten mit Sendeleistungen von etwa 100 Watt pro Kanal und den konventionellen horizontalen und vertikalen Polarisationsrichtungen.

Siehe auch


- Fixed Satellite Services
- SMS-Band Kategorie:Satellitenfernsehen

Merkur (Planet)

Merkur ist der sonnennächste Planet unseres Sonnensystems. Aufgrund seiner Größe und seiner chemischen Zusammensetzung zählt er zu den erdähnlichen (terrestrischen) Planeten. Wegen seiner Sonnennähe ist er nicht ganz einfach zu beobachten. Das Zeichen des Planeten Merkur bezieht sich in stilisierter Form auf die geflügelte Kopfbedeckung des gleichnamigen römischen Götterboten: Zeichen

Aufbau

Zeichen Merkur reiht sich rein äußerlich in die Reihe der Planeten klein und unauffällig ein und wirkt für einen erdähnlichen Planeten auf den ersten Blick eher uninteressant. Es stellt sich jedoch heraus, dass die verschiedenen Aspekte seines inneren Aufbaus widersprüchlicher Natur sind, und der Merkur gibt der Forschung eine harte Nuss zu knacken: Äußerlich gleicht er dem planetologisch inaktiven Erdmond, aber sein Inneres entspricht anscheinend viel mehr dem der geologisch dynamischen Erde.

Atmosphäre

Die Atmosphäre des Merkur wird nur von Physikern als solche bezeichnet. Sie ist dünner als ein labortechnisch erreichbares Vakuum und bietet die gleiche freie Sicht wie die Atmosphäre des Mondes. Die Bestandteile Wasserstoff und Helium stammen sehr wahrscheinlich aus dem Sonnenwind. Der Anteil an Sauerstoff, Natrium und Kalium wurde von ihm vermutlich aus dem Material der Oberfläche freigesetzt. Der Druck der Gashülle beträgt am Boden nur etwa anderthalb Milliardstel Millibar. Aufgrund der großen Hitze und der geringen Anziehungskraft von Merkur entweichen die Gasmoleküle stets bald ins All, deshalb müsste man statt von einer Atmosphäre eigentlich von der Exosphäre reden, der Austauschzone zum interplanetaren Raum. Eine ursprüngliche Atmosphäre als Entgasungsprodukt des Planeteninnern ist dem Merkur demnach längst verloren gegangen; daher gibt es auf ihm auch keine Spuren einer früheren Erosion durch Wind und Wasser. Das Fehlen einer richtigen Gashülle, welche für einen gewissen Ausgleich der Oberflächentemperaturen sorgen würde, bedingt in dieser Sonnennähe besonders extreme Temperaturschwankungen zwischen der Tag- und der Nachtseite. Die Temperatur auf der Sonnenseite steigt bis auf 427 °C und fällt während der Nacht bis auf –173 °C.

Oberfläche

Bis heute sind lediglich etwa 45 Prozent der Oberfläche des Merkur kartiert. Wegen der schwierigen Erreichbarkeit auf der sonnennahen Umlaufbahn und der damit verbundenen Gefahr durch den intensiveren Sonnenwind, hat bislang erst eine Raumsonde, Mariner 10, den Planeten besucht. Die mondähnliche, von Kratern durchsetzte Oberfläche aus rauem, porösem, dunklem Gestein reflektiert das Sonnenlicht nur schwach. Die mittlere sphärische Albedo beträgt 0,06; das heißt, die Oberfläche streut im Durchschnitt 6 % des von der Sonne praktisch parallel eintreffenden Lichtes zurück. Damit ist der Merkur im Mittel noch etwas dunkler als der Mond (0,07). Die Oberfläche des Merkur ist mit Kratern übersät; die Verteilung der Einschlagstrukturen ist somit ziemlich gleichmäßig. Mit ein Grund für die hohe Kraterdichte ist die äußerst dünne Atmosphäre, die das Eindringen von Meteoroiden gestattet, ohne dass sie dabei großteils verglühen. Die große Anzahl der Krater je Fläche – ein Maß für das Alter der Kruste – spricht für eine sehr alte, das heißt seit der Bildung und Verfestigung des Merkur von vor etwa 4,5 bis vor ungefähr 4 Milliarden Jahren sonst wenig veränderte Oberfläche. Anhand der zerstörerischen Beeinträchtigung der Oberflächenstrukturen untereinander ist, wie auch bei Mond und Mars, eine Rekonstruktion der zeitlichen Reihenfolge der prägenden Ereignisse möglich. Es gibt auf der abgelichteten Seite des Planeten keine Anzeichen für Plattentektonik, aktiven Vulkanismus oder andere heute noch andauernde endogene Prozesse. endogene Prozesse]] Nördlich des Äquators liegt Caloris Planitia, ein riesiges, wahrscheinlich kreisförmiges, aber ziemlich flaches Becken mit einem errechneten Durchmesser von etwa 1.340 km. Es ist damit das größte Gebilde auf der bekannten Seite von Merkur und wurde vermutlich von einem über 100 km großen Einschlagkörper erzeugt. Der Impakt war so heftig, dass durch die seismischen Schwingungen um den Ort des Einschlags mehrere konzentrische Ringwälle aufgeworfen wurden und aus dem Innern des Planeten Lava austrat. Das Innere des Beckens ist von dem Magma aus der Tiefe anscheinend aufgefüllt worden, ähnlich wie die Marebecken des Mondes. Den Boden des Beckens prägen viele konzentrische Furchen und Grate, die an eine Zielscheibe erinnern und ihm Ähnlichkeit mit dem annähernd vergleichbar großen Multiringsystem auf dem Mond geben, in dessen Beckenzentrum das Mare Orientale liegt. Das ziemlich flache Caloris-Becken wird von den Caloris Montes begrenzt, einem unregelmäßigen Kettengebirge, dessen Gipfelhöhen lediglich etwa 1 km erreichen. Auch andere flache Tiefebenen ähneln den Maria des Mondes. Mare (Mehrzahl: Maria, deutsch 'Meere') ist in der Selenologie – der „Geologie“ des Erdtrabanten – die lateinische Gattungsbezeichnung für die glatten und dunklen Basaltflächen, die zahlreiche Krater und Becken des Mondes infolge von aus Bodenspalten emporgestiegener und erstarrter Lava ausfüllen. Die glatten Ebenen des Merkur sind aber nicht dunkel wie die „Mondmeere“. Insgesamt sind sie anscheinend auch kleiner und weniger zahlreich. Sie liegen alle auf der Nordhalbkugel im Umkreis des Caloris-Beckens. Ihre Gattungsbezeichnung ist Planitia, lateinisch für Tiefebene. Dass sich die mareähnlichen Ebenen auf dem Merkur nicht mit einer dunkleren Farbe von der Umgebung abheben, wie die Maria des Mondes, wird mit einem geringeren Gehalt an Eisen und Titan erklärt. Damit ergibt sich jedoch ein gewisser Widerspruch zu der hohen mittleren Dichte des Planeten, die für einen verhältnismäßig sehr großen Metallkern spricht. Zwei Formationen findet man ausschließlich auf der Merkuroberfläche:
- Erstens ein eigentümlich chaotisch wirkendes Gelände unregelmäßig geformter, bis etwa 1 km hoher Hügel, das von Tälern zerschnitten ist, befindet sich dem Caloris-Becken genau gegenüber. Als Ursache wird eine Fokussierung der seismischen Schwingungen des großen Einschlages angenommen, durch die das ursprüngliche Relief des Antipodengebietes zerstört wurde. Das betroffene Gebiet ist etwa fünf mal so groß wie Deutschland und ist demnach mindestens von gleicher Größe wie das nur zu rund einem Drittel erkundete Caloris-Becken. Deutschland Deutschland
- Zweitens bis mehrere hundert Kilometer lange und bis zu 2 km hohe, gelappte Böschungen, die damit die größten Höhenunterschiede auf dem Merkur aufweisen. Diese Strukturen ähnlich einer Verwerfung haben die Gattungsbezeichnung Rupes (lat. Böschung, Steilwand) mit den Individualnamen nach Schiffen von Entdeckern und wissenschaftlichen Expeditionen bekommen. Sie ziehen sich in sanften Windungen quer durch Ebenen und Krater. Die durch sie in der Höhe versetzten Kraterteile sind auch horizontal gegeneinander verschoben. Es handelt sich um Überschiebungen der Kruste, die vermutlich durch ein Schrumpfen des gesamten Planeten entstanden sind. Der in der Planetengeologie profilierte amerikanische Geologe Robert G. Strom hat die Schrumpfung der Merkuroberfläche auf etwa 100.000 km² abgeschätzt. Das entspricht einer Verringerung des Planetenradius um bis zu etwa 2 km. Als Ursache der Kontraktion wird die Abkühlung des Planeten im Anschluss an eine heiße Phase seiner Entstehung gesehen, in der er ähnlich wie die Erde und der Mond von vielen großen Asteroideneinschlägen bis zur Glutflüssigkeit aufgeheizt worden sein soll. Dieses schwere Bombardement nahm demnach erst vor zirka 3,8 Milliarden Jahren ein Ende. Einige der gelappten Böschungen sind offenbar durch ein ziemlich starkes Bombardement teilweise zerstört. Das bedeutet, dass sie früher entstanden sind als die dadurch entstandenen Krater. Nach dem Grad der Erosion dieser Krater durch viele kleinere, nachfolgende Meteoriteneinschläge wird die Schrumpfung der Kruste vor ungefähr 4 Milliarden Jahren angenommen, also während der Entstehung der mareähnlichen Ebenen. Laut einer alternativen Hypothese sind die tektonischen Aktivitäten während der Kontraktionsphase auf die Gezeitenkräfte der Sonne zurückzuführen, durch deren Einfluss die Eigendrehung des Merkur von einer ungebundenen, schnellen Geschwindigkeit auf die heutige Rotationsperiode heruntergebremst wurde. Dafür spricht, dass sich diese Strukturen wie auch eine ganze Reihe von Rinnen und Bergrücken mehr in meridionale als in Ost-West-Richtung erstrecken. Nach der Kontraktion und der dementsprechenden Verfestigung des Planeten entstanden kleine Risse auf der Oberfläche, die sich mit anderen Strukturen, wie Kratern und den flachen Tiefebenen überlagerten, – ein klares Indiz dafür, dass die Risse im Vergleich zu den anderen Strukturen jüngeren Ursprungs sind. Die Zeit des Vulkanismus auf dem Merkur endete, als die Kompression der Hülle sich einstellte, so dass dadurch die Ausgänge der Lava an der Oberfläche verschlossen wurden. Vermutlich passierte das während einer Periode, die man zwischen die ersten 700 bis 800 Millionen Jahre der Geschichte des Merkur einordnet. Seither gab es nur noch vereinzelte Einschläge von Kometen und Asteroiden. Asteroid Eine weitere Besonderheit gegenüber dem Relief des Mondes sind auf dem Merkur die sogenannten Zwischenkraterebenen. Im Unterschied zu der auch mit großen Kratern gesättigten Oberfläche des Mondes kommen auf dem Merkur zwischen den größeren Kratern auch relativ glatte Ebenen mit Hochlandcharakter vor, die nur von kleinen Kratern geprägt sind. Manche Forscher sehen darin die ursprüngliche, verhältnismäßig unveränderte Merkuroberfläche. Andere glauben an einen sehr frühen und großräumigen Vulkanismus, der die Regionen einst geglättet hat. Es gibt Anzeichen dafür, dass sich in diesen Ebenen die Reste größerer und auch vieler doppelter Ringwälle gleich solchen des Mondes noch schwach abzeichnen. Asteroid Wie auch beim Mond zeigen die Krater des Merkur ein weiteres Charakteristikum, das für eine Einschlagstruktur als typisch gilt: Das hinausgeschleuderte und zurückgefallene Material, das sich um den Krater herum anhäuft; manchmal in Form von radialen Strahlen, wie man sie auch als Strahlensysteme auf dem Mond kennt. Sowohl diese speichenartigen Strahlen als auch die Zentralkrater, von denen sie jeweils ausgehen, sind aufgrund des relativ geringen Alters heller als die Umgebung. Die ersten Beobachtungen der Strahlen des Merkur machte man mit den Radioteleskopen Arecibo und Goldstone und mithilfe des Very Large Array (VLA) des nationalen Radioobservatoriums der Vereinigten Staaten (siehe auch Astrogeologie). Der erste Krater, der durch die Raumsonde Mariner 10 während ihrer ersten Annäherung erkannt wurde, war der 40 km breite, aber sehr helle Strahlenkrater Kuiper (siehe Bild rechts). Der Krater wurde nach dem niederländisch-US-amerikanischen Mond- und Planetenforscher