Lichtleiter, Endoskop und Glasfaser
Wenn du zu Hause einen Film streamst, kommen die Daten oft als winzige Lichtblitze durch ein Kabel aus Glas bei dir an. Und beim Arzt kann eine dünne Kamera in den Magen schauen, ohne dass jemand aufschneiden muss. Wie kann Licht durch ein gebogenes Stück Glas laufen, obwohl Licht sich doch geradeaus ausbreitet?
Totalreflexion – das Prinzip dahinter
Du kennst schon: Trifft Licht von innen auf die Grenzfläche zwischen Glas und Luft, wird es teilweise gebrochen und teilweise reflektiert. Ist der Einfallswinkel (zum Lot gemessen) größer als der Grenzwinkel, wird das Licht vollständig reflektiert. Das nennt man Totalreflexion. Es geht dann kein Licht mehr nach außen.
Eine Glasfaser nutzt das aus: Das Licht fällt immer wieder sehr flach auf die Wand der Faser und wird dort reflektiert, bis es am anderen Ende austritt.
Erkläre in zwei Sätzen, wie Licht in einer Glasfaser weitergeleitet wird.
Erkläre in zwei Sätzen, wie Licht in einer Glasfaser weitergeleitet wird.
Warum kann Licht in einer gebogenen Glasfaser „um die Kurve“ gelangen? Nenne den zugrunde liegenden Effekt.
Warum kann Licht in einer gebogenen Glasfaser „um die Kurve“ gelangen? Nenne den zugrunde liegenden Effekt.
Aufbau einer Glasfaser
Eine Glasfaser ist dünner als ein Haar. Sie besteht aus zwei Schichten:
-
dem Kern, in dem das Licht läuft, und
-
dem Mantel aus Glas. Der Mantel hat eine kleinere Brechzahl (ist optisch dünner), der Kern ist optisch dichter.
Der Mantel sorgt dafür, dass an der Grenzfläche Kern–Mantel immer ein Übergang „dicht → dünn“ vorliegt. Nur so ist Totalreflexion möglich. Außerdem schützt er die Oberfläche des Kerns vor Kratzern und Schmutz. Ohne Mantel würde Luft den Kern umgeben, und Kratzer oder Schmutz auf dem Kern würden Licht austreten lassen.
Eine Glasfaser besteht aus einem Kern und einem Mantel aus Glas. a) Erkläre, warum der Mantel für die Totalreflexion wichtig ist. b) Was passiert, wenn die Faser so…
Eine Glasfaser besteht aus einem Kern und einem Mantel aus Glas.
- a) Erkläre, warum der Mantel für die Totalreflexion wichtig ist.
- b) Was passiert, wenn die Faser so stark geknickt wird, dass der Einfallswinkel an der Grenzfläche kleiner als der Grenzwinkel wird?
Ein Lichtstrahl trifft am Ende einer Glasfaser auf die Stirnfläche. Der Grenzwinkel Kern–Mantel beträgt $80^\circ$ (zum Lot der Grenzfläche). a) Erkläre, welchen Winkel…
Ein Lichtstrahl trifft am Ende einer Glasfaser auf die Stirnfläche. Der Grenzwinkel Kern–Mantel beträgt $80^\circ$ (zum Lot der Grenzfläche).
- a) Erkläre, welchen Winkel der Strahl in der Faser zur Faserachse höchstens haben darf, damit Totalreflexion eintritt.
- b) Erkläre, warum bei zu großem Einfallswinkel an der Stirnfläche Licht verloren geht.
Endoskop und Glasfaserkabel
Endoskop (Medizin). Mit einem Endoskop untersuchen Ärztinnen und Ärzte Magen, Darm oder Gelenke. Es enthält zwei Faserbündel:
-
Ein Bündel führt Licht hinein, denn im Körper ist es dunkel.
-
Das andere Bündel führt das Bild heraus zum Auge oder zur Kamera. Jede Faser überträgt einen Bildpunkt.
Der Schnitt ist nur winzig oder gar nicht nötig. Das ist schonender als eine Operation: weniger Schmerzen, kleinere Wunden, schnellere Heilung.
Glasfaserkabel (Datenübertragung). Telefon und Internet werden als kurze Lichtsignale durch Glasfasern geschickt. Auch für Beleuchtung und Sensoren werden Lichtleiter eingesetzt.
Nenne zwei Anwendungen von Lichtleitern.
Nenne zwei Anwendungen von Lichtleitern.
Bei einer Magenspiegelung im Krankenhaus wird ein Endoskop eingeführt. a) Erkläre, wozu das Endoskop zwei Bündel von Glasfasern benötigt. b) Warum sind Endoskope für…
Bei einer Magenspiegelung im Krankenhaus wird ein Endoskop eingeführt.
- a) Erkläre, wozu das Endoskop zwei Bündel von Glasfasern benötigt.
- b) Warum sind Endoskope für Patienten schonender als eine Operation?
Ein Glasfaserkabel verbindet zwei Orte in Köln und Düsseldorf. Die Entfernung beträgt 40 km. Licht legt im Glas etwa $200.000\ \frac{\text{km}}{\text{s}}$ zurück. a)…
Ein Glasfaserkabel verbindet zwei Orte in Köln und Düsseldorf. Die Entfernung beträgt 40 km. Licht legt im Glas etwa $200.000\ \frac{\text{km}}{\text{s}}$ zurück.
- a) Berechne die Laufzeit eines Lichtsignals.
- b) Gib das Ergebnis in Millisekunden an.
Glasfaser oder Kupferkabel?
Daten lassen sich auch als elektrische Signale durch Kupferkabel schicken. Vergleiche nach Kriterien:
| Kriterium | Kupferkabel | Glasfaser |
|---|---|---|
| Signal | elektrisch | Licht |
| Datenmenge pro Sekunde | geringer | sehr hoch |
| Störungen durch elektrische Felder | möglich | keine |
| Signalverlust auf langer Strecke | größer | gering |
| Gewicht und Dicke | schwerer | leichter, dünn |
| Abhörsicherheit | leichter anzuzapfen | schwerer anzuzapfen |
Deshalb wird in Deutschland das Glasfasernetz ausgebaut: Immer mehr Menschen streamen, telefonieren per Video und arbeiten im Homeoffice. Das braucht schnelle und stabile Verbindungen.
Vergleiche die Datenübertragung per Kupferkabel (elektrische Signale) mit der per Glasfaser (Lichtsignale). Nenne mindestens drei Kriterien und bewerte, warum Glasfasern…
Vergleiche die Datenübertragung per Kupferkabel (elektrische Signale) mit der per Glasfaser (Lichtsignale). Nenne mindestens drei Kriterien und bewerte, warum Glasfasern für das Internet in Deutschland ausgebaut werden.
Ein Schüler möchte mit einer Wasserstrahl-Demonstration (Laserpointer durch einen Wasserstrahl aus einer Plastikflasche) Lichtleitung zeigen. a) Beschreibe, wie der…
Ein Schüler möchte mit einer Wasserstrahl-Demonstration (Laserpointer durch einen Wasserstrahl aus einer Plastikflasche) Lichtleitung zeigen.
- a) Beschreibe, wie der Laserstrahl dem gebogenen Wasserstrahl folgt.
- b) Nenne zwei Sicherheitsregeln für den Umgang mit dem Laserpointer.
- c) Erkläre, warum der Versuch im abgedunkelten Raum besser sichtbar ist.
Zurück zum Anfang: Das Licht wird in der Faser immer wieder an der Wand total reflektiert, deshalb folgt es auch einer Kurve. So kommen Streaming-Daten und Endoskop-Bilder an.