Reflexion (Physik)

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Von Reflexion (lat. reflectere: zurückbeugen, drehen) spricht man, wenn ein Lichtstrahl, eine elektromagnetische Welle, oder ganz allgemein, eine Welle (zum Beispiel Schall) von einer Oberfläche zurückgeworfen wird. Stellt man die Wellenausbreitung durch Strahlen senkrecht zur Wellenfront dar, so gehorchen diese Strahlen dabei dem Reflexionsgesetz, d. h. der Eintrittswinkel des einfallenden Strahls ist gleich dem Austrittswinkel und die Strahlen liegen in der gleichen Einfallsebene. Die beiden Winkel werden zum Einfallslot hin gemessen. Das ist eine Gerade, die im Auftreffpunkt des Strahls senkrecht auf der Oberfläche steht.

Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines 2 Reflexion in der Optik 2.1 Theoretische Berechnung eines Reflexionsspektrums 3 Reflexion in der Elektromechanik 4 Reflexion bei elektrischen Leitungen 5 Reflexion in der Akustik 5.1 Typen von Reflexionen 5.2 Raumakustisches Design 5.3 Zusammenhang Reflexion, Absorption, Transmission 6 Siehe auch 7 Weblinks 7.1 Optik 7.2 Akustik

[Bearbeiten] Allgemeines

Grenzschichten zwischen Medien

Besitzen zwei Medien stark unterschiedliche Wellenwiderstände, so kommt es an der Grenzschicht zu Reflexionen:

• Parallel zur Grenzschicht kann sich die Welle ohne allzu große Beeinflussung durch die Grenzschicht ausbreiten.
• Senkrecht zur Grenzschicht kann nur ein Bruchteil der Leistung der Welle sich in das andere Medium ausbreiten, der Rest wird reflektiert. Der reflektierte Anteil hängt hierbei vom Verhältnis der Wellenwiderstände ab. Bei stark unterschiedlichen Wellenwiderständen (z. B. an der Grenzschicht Luft/Metall bei elektromagnetischen Wellen) wird nahezu die gesamte senkrecht einfallende Leistung senkrecht zur Grenzschicht reflektiert. Da die Komponente des Wellenfeldes parallel zur Grenzschicht sich ungehindert ausbreitet, die Komponente senkrecht zur Grenzschicht aber ihre Richtung ändert, kommt es zum Reflexionsgesetz:
  Einfallswinkel = Ausfallswinkel(Reflexionswinkel).
• Breitet sich die Welle in das Medium jenseits der Grenzschicht aus, bleiben in beiden Medien die Komponenten der Welle parallel zur Grenzschicht in Phase. Da bei Medien mit unterschiedlichen Wellenwiderständen aber die Wellenlängen unterschiedlich sind, muss im Medium mit dem kleineren Wellenwiderstand (und der kleineren Wellenlänge) der Winkel zum Lot größer sein als im Medium mit dem größeren Wellenwiderstand (und der größeren Wellenlänge). Denn sonst wären die Phasen der Welle parallel zur Grenzschicht nicht in Phase (Brechung).
• Wird im Medium mit dem größeren Wellenwiderstand (und der größeren Wellenlänge) bei einer einfallenden Welle der Winkel zum Lot groß, kann es vorkommen, dass die Komponente dieser Welle parallel zur Grenzschicht eine größere Wellenlänge besitzt, als im anderen Medium überhaupt möglich wäre. Diese Welle kann dann die Grenzschicht nicht überschreiten, es kommt zur Totalreflexion.

Diffuse und gerichtete Reflexionen

Ob eine Reflexion diffus oder gerichtet ist, hängt im wesentlichen von der Rauigkeit der Oberfläche ab. Ist die Grenzschicht so eben, dass die Unebenheiten klein gegen die Wellenlänge sind, ist die Reflexion gerichtet. Andernfalls ist die Reflexion diffus.

Spiegelquellen

Das Wellenfeld an einer gerichtet reflektierenden Fläche lässt sich durch „Spiegelquellen“ beschreiben. Zu jeder Original-Quelle wird hierbei eine Spiegelquelle hinter der reflektierenden Fläche „angebracht“, mit dem gleichen Abstand zur reflektierenden Fläche wie die Original-Quelle. Das Wellenfeld ergibt sich dann durch Überlagerung der Wellenfelder von Original- und Spiegel-Quellen.

[Bearbeiten] Reflexion in der Optik

Man unterscheidet diffuse und gerichtete Reflexion.

Bei diffuser Reflexion wird das einfallende Licht mehr oder weniger gleichmäßig in den Halbraum vor der reflektierenden Fläche zurückgeworfen (im Idealfall folgt die Winkelabhängigkeit der Lambert-Verteilung). Die diffuse (ungerichtete) Strahlung ist also eine allseitige Streuung der Strahlung (ähnlich wie bei einem Milchglas oder einer Fensterscheibe). Hierbei bildet sich eine Mischfarbe in Abhängigkeit von der Eigenfarbe der reflektierenden Fläche und der spektralen Verteilung des einfallenden Lichtes.

Zur gerichteten Reflexion siehe den Hauptartikel Spiegel.

Anwendungen nicht ebener Spiegel sind beispielsweise konkav gekrümmte Hohlspiegel als Rasierspiegel oder bei optischen Teleskopen bestimmter Bauart, den Spiegelteleskopen. Konvex gekrümmte Spiegel dienen zum Beispiel als Außenspiegel an Fahrzeugen und zeigen größere Bereiche als gleich große Planspiegel. Eine weitere Anwendung sind die so genannten Reflektoren, die im Straßenverkehr (Scheinwerfer, Rückleuchte; das auf dem Tripelspiegel-Konzept basierende Katzenauge, Retroreflexion bei Verkehrsschildern und Fahrbahnmarkierungen), in der Fotografie (Blitzlicht), aber auch bei der Energiegewinnung (Sonnenkraftwerk) zum Einsatz kommen.

Bei einem gerichteten Lichtstrahl gilt das Reflexionsgesetz, demnach der Winkel des einfallenden Strahls zum Lot gleich dem Winkel des ausfallenden Strahles zum Lot ist. Wird ein Lichtbündel am Übergang zu einem anderen Medium (dielektrische Reflexion) reflektiert, kann in Abhängigkeit von Polarisationsrichtung und Einfallswinkel ein Phasensprung auftreten.

Der Reflexionsgrad wird durch die Brechzahlen der Materialien, resp. optischen Medien, festgelegt, welche zudem wellenlängenabhängig sind (Dispersion), s. u.

Beim Übergang von Materialien mit kleiner Brechzahl auf Materialien mit großer Brechzahl ist eine Reflexion niemals vollständig. Beim Übergang von Materialien mit großer Brechzahl auf Materialien mit kleiner Brechzahl kommt es dagegen ab bestimmten Einfallswinkeln zur Totalreflexion.

Zusätzlich kann die Reflexion auch durch eine Antireflexionsschicht für bestimmte Wellenlängen unterbunden werden. Diese Schicht muss genau so dünn sein, dass sich die Welle des reflektierten Strahles der Antireflexschicht mit der am Objekt reflektierten Welle auslöscht.

[Bearbeiten] Theoretische Berechnung eines Reflexionsspektrums

Wenn man ein bestimmtes Material vorliegen hat, kann man Messungen seines Reflexionsspektrums dazu verwenden, quantitative Aussagen über Details seiner Eigenschaften zu erarbeiten. Man geht dann typischerweise wie folgt vor:

1. Man ermittelt die im Material relevanten Mechanismen, die seine Permittivität beeinflussen können, wie Bandübergänge, Elektronendichten im Leitungsband usw.
2. Für jeden dieser Mechanismen summiert man (in Gestalt einer Formel) seinen Beitrag zur elektrischen Suszeptibilität auf. In diesen Formeln werden diverse Parameter enthalten sein, die die eigentlichen Materialeigenschaften darstellen. Damit die weiteren Rechnungen funktionieren, muss man typischerweise schon halbwegs gute Schätzwerte für diese Parameter angeben können, um einen vernünftigen Ansatz zu erreichen.
3. Mit den so ermittelten Formeln für die Permittivitätswerte kann man bei nichtmagnetischen Materialien () direkt Formeln für die Größen Brechzahl n und Absorptionskoeffizient k berechnen:
   
   
   
   
   
4. Und damit kann direkt der Reflexionsgrad R ausgerechnet werden:
   
   
   
5. Dies alles ggf. für alle Frequenzen im interessierenden Teil des Spektrums durchführen und das Ergebnis mit der Messkurve vergleichen.
6. Durch eine Ausgleichungsrechnung zwischen Theorie- und Messkurve können konkrete Werte für Parameter ermittelt werden, wie sie in Schritt 2 eingeführt wurden.

[Bearbeiten] Reflexion in der Elektromechanik

Bei Antennen wird die Sendeleistung durch Spiegel gebündelt und eine Richtwirkung erreicht, zum Beispiel bei Parabolspiegeln für Satellitenantennen.

Wird ein Teil elektromagnetischer Strahlung reflektiert bzw. transmittiert und ein Teil absorbiert, so spricht man von Remission (Optik).

[Bearbeiten] Reflexion bei elektrischen Leitungen

Wenn eine elektrische Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen ist, dann wird ein an der Leitung entlang laufendes Signal vollständig am Abschlusswiderstand absorbiert, es kommt zu keiner Reflexion am Abschluss. Weicht die Impedanz des Abschlusses Z_L jedoch vom Wellenwiderstand der Leitung Z₀ ab, so kommt es zu mehr oder weniger starker Reflexion der Welle. Der prozentuale Anteil der reflektierten Welle lässt sich dabei mit der Formel

berechnen.

Der sogenannte Reflexionsfaktor r kann dabei Werte zwischen + 1 und − 1 annehmen. Bei Lastimpedanzen mit negativem Realteil kann der Betrag auch größer als 1 werden, d.h. die reflektierte Welle hat dann eine größere Amplitude als die einfallende.

• Ein r vom Wert 0 bedeutet dann, dass die Welle gar nicht reflektiert wird (Fall: angepasste Leitung).
• Ein r vom Wert 1 bedeutet dann, dass die Welle 100% reflektiert wird (Fall: offenes Ende = Spannungsverdopplung durch Überlagerung der vorlaufenden und reflektierten Welle).
• Ein r = − 1 bedeutet dann, dass die Welle 100% reflektiert, aber invertiert wird (Fall: Kurzschluss; Spannung = 0 am Leitungsende durch Überlagerung der vorlaufenden und reflektierten Welle).

Die sich auf der Leitung befindenden vorlaufenden und reflektierten Wellen überlagern sich und führen zu einer ortsabhängigen Verteilung von Strom und Spannung (stehende Wellen).

[Bearbeiten] Reflexion in der Akustik

[Bearbeiten] Typen von Reflexionen

In der Akustik ist die Schallreflexion gemeint, also der Rückwurf von Schall. Ebene, schallharte, nicht absorbierende Oberflächen reflektieren gut die Schallwellen. Beim Erkennen dieser Schallreflexionen spielt die Echowahrnehmungsschwelle eine bedeutende Rolle. Je nach Anordnung und Anzahl der reflektierenden Flächen und Art der Beschallung ergibt sich ein unterschiedlicher Höreindruck:

Echos (z. B. Felswand in größerem Abstand)

Flatterecho (z. B. 2 parallele reflektierende Wände)

Nachhall (z. B. große Räume mit harten Wänden, wie z. B. Kirchen)

hohe Räumlichkeit (z. B. akustisches Raumempfinden in Konzertsälen)

trockener Klang (z. B. in Räumen mit wenig reflektierenden Flächen)

Für den akustischen Eindruck wichtig sind:

• Anteil des Direktschalls am Gesamt-Schallpegel
• Zeitverzögerung und Richtung von frühen Reflexionen, sowie deren Anteil am Gesamt-Schallpegel
• Einsatzverzögerung und räumliche Verteilung des Nachhalls, sowie dessen Anteil am Gesamt-Schallpegel und dessen zeitlicher Verlauf (Nachhallzeit)

[Bearbeiten] Raumakustisches Design

Bei Räumen sind je nach Nutzung andere raumakustische Eigenschaften und damit jeweils ein anderes Reflexionsverhalten der Wände sinnvoll:

• Bis zu einer gewissen Grenze reflexionsarme Räume bei Tonstudios (also keine schalltoten Räume), damit der akustische Charakter des Aufnahmeraums möglichst geringen Einfluss auf die Aufnahme bekommt.
• Räume mit mäßig reflektierenden Wänden für Unterrichtsräume. Einerseits soll die Stimme des Lehrers durch frühe Reflexionen bis 15 ms unterstützt werden, andererseits darf die Sprachverständlichkeit aber nicht durch zu starke späte Reflexionen und zu hohe Nachhallzeit vermindert werden. Die günstige Nachhallzeit für Normalhörende nach DIN 18041 "Hörsamkeit in kleinen bis mittelgroßen Räumen" liegt abhängig vom Raumvolumen zwischen 0,3 und 0,8 Sekunden. In Klassenzimmer mit einem Volumen von 125 - 250 m³ ist eine Nachhallzeit von 0.4 bist 0.6 s optimal. Für Hörbehinderte sollten Nachhallzeiten um 0,3 Sekunden angestrebt werden.
• Räume mit stark reflektierenden Wänden und einem ausgewogenen Verhältnis von Direktschall, frühen Reflexionen und Nachhall für Konzertsäle. Hier ist es das Ziel, durch frühe Wandreflexionen welche seitlich auf die Ohren einfallen ein möglichst "räumliches" Musikerlebnis zu erzielen. Auch eine hohe Diffusität, also Streuung des Schalls ist wichtig. Günstige Nachhallzeit liegt bei 1,5 bis 2 Sekunden.

Eine ganz besondere Bedeutung bei der räumlichen Raumerkennung hat die Anfangszeitlücke (ITDG).

[Bearbeiten] Zusammenhang Reflexion, Absorption, Transmission

Folgende Größen spielen bei Schallreflexionen eine Rolle:

• Der Schallreflexionsgrad ρ oder R ist ein Maß für die reflektierte Schallintensität.
• Der Schallabsorptionsgrad α oder A ist ein Maß für die absorbierte Schallintensität.
• Der Schalltransmissionsgrad τ oder T ist ein Maß für die durchgelassenen Schallintensität.
• Der Schalldissipationsgrad δ oder D ist ein Maß für die "verlorengegangene" Schallintensität.

Bei Auftreffen auf Begrenzungsflächen wird die eintreffende Schallintensität entweder an der Begrenzungsfläche reflektiert oder von der Begrenzungsfläche absorbiert. Es gilt somit:

ρ + α = 1

Der absorbierte Anteil der Schallintensität wird hierbei entweder von der Begrenzungsfläche durchgelassen (transmittiert) oder in den Materialien der Begrenzungsfläche in Wärme umgewandelt (dissipiert). Es gilt somit:

α = τ + δ

Somit gilt insgesamt:

ρ + τ + δ = 1

In der Akustik gehören folgende Wörter zur gestörten Schallausbreitung:

• Schallabsorption
• Schallreflexion
• Schalltransmission
• Schalldissipation.

[Bearbeiten] Siehe auch

• | Absorption (Physik) | Transmission (Physik) | Dissipation (Physik) | Absorptionsgrad | Reflexionsgrad | Transmissionsgrad | Dissipationsgrad | Dissipative Struktur | Beschallungsanlage | Emission (Physik) | Fresnelsche Formeln |
• Reflexion (Wasserwellen)

[Bearbeiten] Weblinks

[Bearbeiten] Optik

• Strahlenoptik und Reflexion Ausführliche Erklärung der Reflexion von Lichtstrahlen am ebenen Spiegel, Hohlspiegel und Wölbspiegel
• Animation zur Streuung - Reflexion an Oberflächen

[Bearbeiten] Akustik

• Frühe Reflexionen unter 15 ms sind bei Stereo-Aufnahmen unerwünscht
• Über die Rauminformation in der Stereofonie - Anwendungsbeispiel für Reflexionen