Lichtleiter

Lichtleiter Übung

• Gib an, wann Licht total reflektiert wird.

  Tipps

  Der Grenzwinkel ändert sich mit den verwandten Medien.

  Das Licht wird im Glasstab an der Grenzschicht zur Luft gebrochen.

  Lösung

  Damit Licht total reflektiert wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein.

  Zunächst muss das Licht Licht aus dem optisch dichteren Medium kommen. In diesem Fall wird es an der Grenzschicht zum optisch dünneren Medium total reflektiert.

  Weiterhin muss der Einfallswinkel des Lichtes größer sein, als der spezielle Grenzwinkel der benachbarten Medien. Dieser Grenzwinkel ändert sich also mit den verwandten Medien.

  Stellen wir also einen Einfallswinkel ein, der größer ist als der Grenzwinkel für die Medien Luft und Glas, so wird das Licht im Glasstab an der Grenzschicht zur Luft (Grenzschicht der Medien) immer wieder gebrochen, und das Licht somit zick-zack-förmig geleitet

• Bezeichne das Glasfaserkabel.

  Tipps

  Das Glasfaserkabel besteht aus vielen einzelnen Glasfasern.

  Mit dem Glasfaserkabel wird die totale Reflexiondes Lichtes in einem optisch dichten Medium genutzt.

  Man kann es unter der Erde verlegen und als Telefon- oder Fernsehleitung nutzen.

  Lösung

  Das Glasfaserkabel ist eine technische Umsetzung der totalen Reflexion des Lichtes in einem optisch dichten Medium.

  Dieses besteht aus vielen einzelnen Glasfasern, die zu einem Glasfaserbündel vereinigt sind. Dabei besteht jede einzelne Glasfaser aus einem optisch dichten Glasfaserkern und einem weniger dichten Glasmantel. Zum Schutz wird das Faserbündel von einem Mantel umgeben.

  Das Glasfaserkabel hat heutzutage viele Einsatzmöglichkeiten. Da es biegsam ist, kann man es unter der Erde verlegen und als Telefonleitung oder Fernsehleitung nutzen. Außerdem ist die Glasfaser-Technik eine wichtige Hilfe für die Medizin. In einem Endoskop verbaut kann ein Arzt mit einer Kamera an zwei Glasfaserkabeln in das Innere des Körpers schauen, obwohl es dort eigentlich dunkel ist.

• Erkläre das Lichtleiter-Experiment.

  Tipps

  Um Licht zu leiten, sind mindestens zwei optisch verschiedene Medien notwendig.

  Die Flasche mit dem Milch-Wasser-Gemisch, auf die wir einen Laserpointer als Lichtquelle richten, funktioniert wunderbar als Lichtleiter.

  Totalreflexion tritt auf, wenn der Einfallswinkel des Lichtes größer ist als der Grenzwinkel der Medien.

  Lösung

  Die Flasche mit dem Milch-Wasser-Gemisch, auf die wir einen Laserpointer als Lichtquelle richten, funktioniert wunderbar als Lichtleiter. Das liegt daran, dass wir die Voraussetzungen, die an einen Lichtleiter zu stellen sind, erfüllen.

  Zunächst einmal haben wir zwei optisch verschieden dichte Medien. Diese sind durch eine Grenzschicht (Luft-Gemisch) getrennt. Wir richten den Laser (Lichtquelle) auf das Gemisch, also auf das optisch dichtere Medium. Der Lichtstrahl wird nun an der Grenzschicht zur Luft immer wieder gebrochen und das Licht so im zick-zack geleitet.

  Die Totalreflexion tritt dabei nur auf, wenn der Einfallswinkel des Lichtes größer ist als der Grenzwinkel der Medien.

  Probier es doch einmal selbst aus!

• Erkläre die Funktion des Endoskops.

  Tipps

  Das Endoskop selbst besteht im Wesentlichen aus zwei Glasfaserkabeln.

  Diese Kabel werden zusammengefügt und in das Körperinnere geschoben.

  Ein Kabel dient der Bildübertragung und funktioniert wie das Kabel einer normalen Videokamera.

  Lösung

  Das Endoskop ist ein Instrument, welches in der Medizin angewendet wird. Es wird eingesetzt, wenn man mit einem kleinen Eingriff in das Innere des Körpers sehen will, etwa um festzustellen, welche Erkrankung vorliegt.

  Das Endoskop selbst besteht aus zwei Glasfaserkabeln. Dabei befinden sich zwei einzelne Enden außerhalb des Körpers. Diese Kabel werden zusammengefügt und in das Körperinnere geschoben.

  Eines der äußeren beiden Enden dient dabei als reiner Lichtleiter. Es ist mit einer Lichtquelle verbunden und beleuchtet so das Innere des Körpers. Das zweite Kabel dient der Bildübertragung und funktioniert im Wesentlichen wie das Kabel einer normalen Videokamera. Mit Hilfe der Glasfasertechnik ist es also möglich, auch in sehr beengten und dunklen Orten Kameraaufnahmen zu machen.

• Nenne typische Einsatzbereiche des Glasfaserkabels.

  Tipps

  Licht unterirdisch zu leiten ist sehr praktikabel.

  Das Glasfaserkabel ist ein Lichtleiter.

  Elektrischer Stromfluss setzt eine gerichtete Bewegung von Elektronen voraus.

  Lösung

  Das Glasfaserkabel findet in vielen Bereichen Anwendung. Das liegt daran, dass seine Eigenschaft, Licht auch um die Ecke oder unterirdisch zu leiten, in vielen Fällen sehr hilfreich ist.

  So kann der Arzt (in der Medizin) etwa mit einem Endoskop, welches mit Glasfasertechnik funktioniert, seine Operationen besser vorbereiten und überwachen. Auch in der Informationstechnik (Telefon und Fernsehen) hat das Glasfaserkabel eine große Bedeutung.

  Beim Telefon etwa werden die gesprochenen Worte am einen Ende der Leitung in Lichtsignale und am anderen Ende wieder in Worte zurückübersetzt.

  Das Glasfaserkabel wird hingegen nicht genutzt, um elektrischen Strom zu leiten. Der Unterschied besteht darin, dass ein elektrischer Strom eine gerichtete Bewegung von Elektronen voraussetzt. Das Glasfaserkabel leitet hingegen (fast) nur das Licht.

• Analysiere die Eigenschaften von Glasfaserkabeln.

  Tipps

  Glasfaserkabel sind aus der heutigen Information-Infrastruktur kaum mehr wegzudenken.

  Ein Glasfaserkabel besteht aus vielen einzelnen winzigen Glasfasern.

  Glasfaserkabel können Licht um die Ecke leiten.

  Lösung

  Glasfaserkabel sind aus der heutigen Information-Infrastruktur kaum mehr wegzudenken. Das liegt an ihren vielen guten und technisch einsetzbaren Eigenschaften.

  Sie sind zunächst einmal biegsam und belastbar (nicht brüchig) und können so einfach unter der Erde verlegt werden; auch um die Ecke. Jedoch treten bei der Biegung des Kabels Verluste auf. Das liegt daran, dass der Einfallswinkel des Lichtes sich relativ zur Grenzschicht ändert und so keine totale sondern nur eine teilweise Reflexion stattfindet. Dabei ist der Kerndurchmesser einer einzelnen Glasfaser sehr gering: Gängig ist ein Wert zwischen $d_{k,1} = 5 nm$ bis $d_{k,2} = 50.000 nm$ . Die Durchmesser sind also sehr viel kleiner als $ 5 mm $.

  Neben den werkstofftechnischen Eigenschaften sind die Vorteile des Glasfaserkabels aber vor allem die sehr schnelle Leitung von Informationen (Licht). Diese breiten sich in annähernder Lichtgeschwindigkeit aus. Deshalb können sehr große Datenmengen in kurzer Zeit übertragen werden.

  Nicht zuletzt aus diesem Grund wirbt die Internetbranche stets mit dem neuen Glasfaserkabelnetz, welches sehr gute Verbindungsgeschwindigkeiten ermöglicht.