POLARISATION

Polarisation

 

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 1) Elektrizitätslehre und Magnetismus: 1) di|elektrische Polarisation, durch ein äußeres elektrisches Feld hervorgerufene Verschiebung der zuvor zusammenfallenden Schwerpunkte der negativen und positiven elektrischen Ladungen (d. h. die Erzeugung elektrischer Dipolmomente in einer dielektrischen Substanz) durch Deformation der Elektronenhüllen oder Verschiebung geladener Atome oder Atomgruppen in Kristallen (temperaturunabhängige Elektronenpolarisation beziehungsweise Atompolarisation); 2) par|elektrische Polarisation, die Verstärkung und Ausrichtung vorhandener permanenter elektrischer Dipolmomente in parelektrischen Substanzen (wodurch ein makroskopisches elektrisches Dipolmoment entsteht) durch Vergrößerung des Abstands der Ladungsschwerpunkte polarer Moleküle (temperaturunabhängige Atompolarisation) oder Ausrichtung der vorher regellos orientierten Dipolmomente (temperaturabhängige Orientierungspolarisation); als quantitatives Maß für die Erscheinungen der dielektrischen und der parelektrischen Polarisation wird die elektrische Polarisation verwendet; 3) magnetische Polarisation, Magnetisierung.

 

 2) Elektrochemie: elektrochemische Polarisation, galvanische Polarisation, elektrolytische Polarisation. Stört man das Gleichgewicht eines elektrochemischen Elements, indem man es Arbeit leisten lässt oder ihm solche zuführt, so müssen zur Aufrechterhaltung des elektrischen Stroms an den Elektroden chemische Reaktionen ablaufen. Ist dieser Stoffumsatz zu langsam im Vergleich zur Belastung der Zelle, kommt es zu Veränderungen gegenüber dem Gleichgewichtspotenzial, die man Polarisation nennt. Sie entsteht durch chemische Veränderungen an den Elektroden während des Stromflusses und die dadurch bedingten Überspannungen oder durch die bei der Elektrolyse erzwungenen Konzentrationsänderungen im Elektrolyten.

 

 3) Elektrodynamik und Optik: Eigenschaft aller elektromagnetischen Strahlung, besonders des Lichts (Polarisation des Lichts), unter bestimmten Bedingungen eine innere Ausrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zu zeigen. Sie erklärt sich aus dem transversalen Charakter der elektromagnetischen Wellen: In einer ebenen Welle schwingen die elektrische und die magnetische Feldstärke senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Dabei definiert man die durch den elektrischen Vektor der Lichtwelle und die Ausbreitungsrichtung aufgespannte Ebene als Schwingungsebene, die zu ihr senkrechte Ebene, in der die magnetische Feldstärke schwingt, als Polarisationsebene. In natürlichem Licht kommen im zeitlichen Mittel alle Schwingungsrichtungen senkrecht zum Strahl gleich häufig vor; alle Lichtquellen mit Ausnahme des Lasers emittieren aufgrund der statistischen Natur des Emissionsprozesses unpolarisiertes Licht. - Beim Durchgang des Lichts durch eine besondere optische Vorrichtung, den Polarisator, werden jedoch nur noch bestimmte Richtungen als Schwingungsrichtungen zugelassen. Bei linearer Polarisation bleibt die Schwingungsrichtung zeitlich konstant; bei zirkularer Polarisation läuft der Endpunkt des elektrischen Vektors mit bestimmter Geschwindigkeit auf einem Kreis um, bei elliptischer Polarisation auf einer Ellipse. Man unterscheidet links- und rechtszirkular (beziehungsweise links- und rechtselliptisch) polarisiertes Licht, je nachdem, ob der Vektor der elektrischen Feldstärke links- oder rechtsherum läuft, wenn man gegen die Ausbreitungsrichtung blickt. Das aus dem Polarisator kommende Licht wird von einer zweiten Vorrichtung der gleichen Art, dem Analysator, nur dann voll durchgelassen, wenn deren Vorzugsrichtung zur ersten parallel steht (Parallelstellung). Im anderen Fall wird es je nach dem Winkel der Verdrehung des Analysators gegen den Polarisator geschwächt und in der 90º-Stellung ausgelöscht (gekreuzte Stellung). Mit dem Analysator kann man daher die Polarisation nachweisen und die Polarisationsrichtung ermitteln. Natürliches Licht kann in zwei senkrecht zueinander linear polarisierte Wellen zerlegt werden. Der Polarisationsgrad P ist ein Maß für den linear polarisierten Anteil an der Gesamtintensität einer Strahlung. Sind I und I_|| die Intensitäten in zwei zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen, so gilt P = (I — I_||) / (I + I_||).

 

Zur Erzeugung von polarisiertem Licht aus natürlichem Licht gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die einfachste Polarisationsvorrichtung erhält man durch Reflexionspolarisation: Fällt natürliches Licht unter dem Polarisations- oder Brewster-Winkel α_p (brewstersches Gesetz) auf eine ebene Glasplatte (für das übliche Kronglas mit der Brechzahl n = 1,53 ist das ein Einfallswinkel von α_p ≈ 57º), so ist das reflektierte Licht vollständig linear polarisiert, wobei der elektrische Vektor senkrecht zur Einfallsebene schwingt. Das durchgehende Licht besteht aus einem Gemisch von natürlichem und (senkrecht zum reflektierten Licht) linear polarisiertem Licht. Weitere Methoden zur Erzeugung polarisierten Lichts nutzen die Doppelbrechung (u. a. beim Polarisationsprisma) oder die verschiedene Absorbierbarkeit der beiden senkrecht zueinander linear polarisierten Anteile des natürlichen Lichtes in gefärbten doppelbrechenden Kristallen (Pleochroismus) wie Turmalin aus. Einige durchsichtige polymere Kunststoffe werden, etwa durch Strecken in einer Richtung, dichroitisch; solche Polarisationsfilter oder Polarisationsfolien (Polaroidfolien) werden zunehmend angewendet. Durch Reflexion an Metallschichten entsteht elliptisch polarisiertes Licht, bei Beugung teilweise polarisiertes Licht. Auch bei der Streuung an Teilchen, die klein gegenüber der Wellenlänge sind (Rayleigh-Streuung), wird das gestreute Licht teilweise polarisiert (Himmelsstrahlung). Eine Drehung der Polarisationsrichtung um die Fortpflanzungsrichtung als Achse bewirken Stoffe, die eine schraubenartige Struktur haben, wie Kristalle (Quarz), Moleküle und Lösungen (Zucker). Je nach dem Drehsinn dieses optischen Drehvermögens unterscheidet man links- und rechtsdrehende Stoffe, z. B. Links- und Rechtsquarz (optische Aktivität).

 

Künstlich erzeugte elektromagnetische Wellen (Radio-, Funkwellen) sind immer linear polarisiert. Die Polarisationsrichtung ist vertikal bei Lang-, Mittel- und Kurzwellen und horizontal bei den Ultrakurzwellen des Funkverkehrs (wegen geringen Störungseinflusses). - Die Polarisation des Lichts wurde 1808 durch E. L. Malus entdeckt.

 

 4) Quantenelektrodynamik: Polarisation des Vakuums, Vakuumpolarisation, eine der dielektrischen Polarisation der Materie analoge Eigenschaft des Vakuums; sie beruht auf der vorübergehenden virtuellen, d. h. nicht direkt beobachtbaren Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren (virtueller Zustand) durch ein elektromagnetisches Feld (v. a. in starken Feldern in der Nähe von Ladungen). Die Polarisation des Vakuums bewirkt u. a. eine geringfügige Abschirmung eines Elektrons und hat zur Folge, dass die elektrische Feldstärke und die elektrische Flussdichte auch im Vakuum voneinander abweichen, sodass die maxwellschen Gleichungen nur näherungsweise gelten. Sie liefert ferner einen Beitrag zur Lamb-Shift und führt zur Renormierung der elektrischen Ladung.

 

 5) Quantenmechanik: Materiewellen (Teilchenstrahlen) werden als polarisiert bezeichnet, wenn die Spins der Elementarteilchen, z. B. Elektronen und Protonen, parallel ausgerichtet sind. In einem unpolarisierten Strahl von Teilchen mit Spin S sind die 2S + 1 möglichen Spinzustände gleichmäßig besetzt. Durch Anlegen eines Magnetfeldes, Einstrahlung polarisierten Lichts oder durch Streuung an polarisierter Materie wird eine Vorzugsrichtung im Raum festgelegt, in der der Teilchenstrahl polarisiert wird. Die der Vorzugsrichtung entsprechende Spineinstellung ist dann vorwiegend (teilweise Polarisation) oder ausschließlich besetzt (vollständige Polarisation). Bei Teilchen mit Spin ½ können im polarisierten Strahl die Spins parallel zur Vorzugsrichtung (Teilchenanzahl N₊) oder antiparallel dazu stehen (Teilchenanzahl N_—). Der Polarisationsgrad P eines solchen Strahls lässt sich über P = (N₊ — N_—) / (N₊ + N_—) definieren. - Die Polarisation des Spins eines einzelnen Teilchens bezüglich seiner Bewegungsrichtung ist die Helizität. In diesem Sinne versteht sich die Polarisation von Licht als Polarisation der Photonen (Spin 1), deren Helizitätswerte +1 und —1 rechts- beziehungsweise linkszirkular polarisiertem Licht entsprechen.