Was ist eine Totalreflexion und wann wendet man sie an?
1 Antwort
Hallo AnxnymXXX,
Totalreflexion ist, wie der Name schon sagt, vollständige Reflexion, vorzugsweise von Licht, an einer Grenzfläche.
Wenn ein Lichtstrahl bzw. eine Lichtwellenfront auf eine Grenzfläche zwischen zwei (transparenten) 'Medien'*) trifft, ändert sich seine Phasengeschwindigkeit, weil verschiedene Formen von Materie mit ihrem jeweils unterschiedlichen Aufbau aus elektrisch geladenen Teilchen das Licht unterschiedlich stark aufhalten. Genauer gesagt ist
(1) c₁/c₂ = n₂/n₁,
wobei die nᵢ die Brechungsindizes und die cᵢ die Phasengeschwindigkeiten sind. Der Index i=1 steht dafür, woher das Licht kommt, i=2 dafür, wohin es geht.
Dadurch ändert sich auch die Richtung des Lichtstrahls, und er wird zum Teil reflektiert. Das reflektierte Licht ist oft polarisiert, sodass Du sie etwa mit einer Polfilterbrille aus Deinem Blickfeld entfernen kannst, etwa um bei nasser Straße nicht geblendet zu werden.
Die Winkel θᵢ, die der jeweilige Lichtstrahl mit dem Lot (der zur Grenzfläche senkrechten Gerade) bildet (und die Wellenfront mit der Grenzfläche) stehen mit den Brechungsindizes in der Beziehung
(2) sin(θ₁)/sin(θ₂) = n₂/n₁.
Wann bzw. wo wird total reflektiert?Falls n₁<n₂ ist, wird der Winkel zum Lot kleiner, und es bleibt bei teilweiser Reflexion einerseits und Brechung andererseits. Ist jedoch umgekehrt n₁>n₂, dann wird er größer, nämlich so, dass
(3) sin(θ₂) = n₁·sin(θ₁)/n₂
ist. Bei
(4) sin(θ₁) ≥ n₂/n₁
müsste rein rechnerisch sin(θ₂) ≥ 1 werde, und das ist bei einem reellwertigen Winkel θ₂ schon mathematisch unmöglich. Das Licht geht dann gar nicht mehr in das optisch dichtere ‘Medium’*) über, sondern wird total reflektiert.
Wo ist Totalreflexion von Nutzen?Genau dies will man bei Glasfasern haben. Licht, das durch sie hindurch geleitet werden soll, soll ja gar nicht in die umgebende Luft übergehen, sondern weitergeleitet werden, ob bei Lampen oder Glausfaserkabeln.
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*) Das Wort 'Medium', 'Mittel', ist eigentlich in Frage zu stellen, denn anders als Schall leitet Materie Licht nicht, sondern lässt es lediglich durch.