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Was versteht man unter Totalreflexion? - Eine einfache Erklärung aus der Physik

Den Begriff der Totalreflexion versteht man nur, wenn man Grundwissen in Lichtbrechung hat. Bei der Totalreflexion handelt es sich um ein interessantes optisches Phänomen, das bei Lichtleitern Anwendung findet.

Glasfaserkabel funktionieren mit Totalreflexion.
Glasfaserkabel funktionieren mit Totalreflexion.

Lichtbrechung - dieses Vorwissen benötigen Sie

Licht breitet sich, wenn ihm "nichts in den Weg gestellt wird" geradlinig aus. Bestes Beispiel hierfür sind nicht nur Laserstrahlen, sondern auch die Strahlen der Sonne durch einen Blätterwald.

  • Gelangt jedoch Licht in ein anderes  (durchsichtiges) Medium, sei es Wasser, Glas oder Diamant, ändert sich die Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahles.
  • Den dazugehörigen Schulversuch, bei dem ein Lichtstrahl beim Übergang von Luft in Glas oder Wasser "nach unten abgeknickt" wurde, kennen Sie sicher alle. Und das Phänomen haben Sie sicher im flachen Wasser auch an Ihren Beinen schon einmal beobachtet.
  • Der physikalische Grund für diese Lichtbrechung liegt übrigens in der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in den unterschiedlichen Stoffen. So ist es in Wasser (und den meisten Gläsern) langsamer als in Luft oder dem Vakuum.
  • Beim Abknicken des Lichtstrahls wird übrigens der Winkel zum Einfallslot kleiner - in dieser Form versteht man das (mathematisch formulierbare) Brechungsgesetz wohl am besten.

Totalreflexion - das versteht man darunter

  • Drehen Sie nun den Lichtweg vor Ihrem geistigen Auge um: Der Lichtstrahl soll aus dem Wasser in Luft gelangen, beispielsweise von einer Beleuchtung im Aquarium oder Swimmingpool.
  • Als Umkehrung zum beschriebenen Brechungsgesetz vergrößert sich dabei der "Knickwinkel".
  • Nun vergrößern Sie fortlaufend den Winkel, mit dem das Licht aus dem Wasser kommt.
  • Irgendwann erreichen Sie einen markanten Grenzfall: Der Lichtstrahl geht nicht in die angrenzende Luft über, sondern streift an der Wasseroberfläche entlang.
  • Wählen Sie einen noch schrägeren Lichtstrahl, so kann dieser das Wasser nicht mehr verlassen und wird an der Grenzfläche reflektiert. Genau diesen Fall versteht man unter dem Begriff der "Totalreflexion".
  • Eine Totalreflexion ist also nur dann möglich, wenn Licht von einem (optisch) dichteren Material wie Wasser oder Glas in ein (optisch) dünneres Material wie Luft oder andere Gase übergehen will. Ab einem bestimmten Grenzwinkel ist dies nicht mehr möglich, Totalreflexion an der Grenzfläche tritt ein.
  • Eine der wichtigsten Anwendungen für die Totalreflexion finden Sie in Lichtleitern bzw. Glasfaserkabeln. In derartigen Kabeln lassen sich Informationen mit Laserlicht über große Strecken übermitteln, da das Licht den Leiter durch Totalreflexion nicht (oder kaum) verlassen kann. Ein Einsatzgebiet sind auch Endoskope in der Medizin.
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