Der Regensensor

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Anforderungs-
niveau
Durch-
führungs-
niveau
Vorlauf
Vorbereitung
Durchführung
S1
Optik
Brechung
Reflexion
Totalreflexion
l l
l
---
ca. 10 Min.
ca. 15 Min.
Am Modell eines Regensensors soll die technische Nutzung der Totalreflexion bei der Steuerung eines Scheibenwischers gezeigt werden.
Materialien:
  • Magnettafel
  • Lampe
  • Halbkreiskörper
  • Solarzelle (BPY 47) oder Phototransistor SFH300-III
  • Netzgerät 0 ... 12 V
  • Spannungsmessgerät
  • Kabel
  • Spritze oder Pipette und Wasser

Vorbereitung
Der Halbkreiskörper wird so an der Magnettafel angebracht, dass die flache Seiter waagrecht liegt, so dass bei der Versuchsdurchführung hier das Wasser aufgebracht werden kann, ohne gleich abzulaufen. Anschließend wird die Lampe so an der Tafel befestigt, dass das von ihr ausgesendete Lichtbündel gerade unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion auftrifft. Zum Schluss wird die Solarzelle zur Bestimmung der Lichtintensität des reflektierten Bündels z.B. mit doppelseitigem Klebeband an der Tafel befestigt und an ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Zum Auftragen des Wassers eignet sich eine Plastikspritze oder eine Pipette.
Abb. 1
Versuchsaufbau

Durchführung / Ergebnis
Für die Versuchsdurchführung wird der Raum abgedunkelt, damit die Solarzelle im wesentlichen die Intensität des reflektierten Lichtbündels empfängt. Die Lampe wird angeschaltet und die Spannung, die das Lichtbündel an der Solarzelle hervorruft, abgelesen. Anschließend werden an der Stelle des auftreffenden Lichtbündels einige Wassertropfen auf den Halbkreiskörper geträufelt, und man beobachtet dabei die Spannungsanzeige. Mit zunehmender Wassermenge stellt man eine Abnahme der Spannung fest. Hat man die minimale Spannung erreicht, lässt sich durch Aufsaugen des Wassers mit einem Küchentuch die Umkehrung, das stetige Anwachsen der Spannung bei Abnahme der Wassermenge demonstrieren.

Funktionsweise
Solange sich kein Wasser auf dem Halbkreiskörper befindet, findet am Übergang Glas – Luft Totalreflexion statt, und somit trifft die gesamte Lichtintensität auf die Solarzelle, was eine maximale Spannung hervorruft. Da der Grenzwinkel der Totalreflexion vom Medienübergang abhängig ist, erhält man bei aufgetropftem Wasser keine Totalreflexion, sondern eine Aufspaltung in ein reflektiertes und ein gebrochenes Bündel. Da nur die Intensität des reflektierten Lichtbündels detektiert wird und diese nur noch ein Teil der Gesamtintensität ist, sinkt die Spannung. Das schrittweise Absinken der Spannung erklärt sich durch die Breite des Lichtbündels. Erst wenn das Bündel mit der gesamten Breite auf das Wasser trifft, ist das Minimum der reflektierten Intensität erreicht.
Der reale Regensensor wird innen an der Frontscheibe befestigt und arbeitet nach folgendem optoelektronischen Prinzip: Das Licht einer Leuchtdiode (Senderdiode) wird über ein Prisma in die Scheibe eingekoppelt, darin weitergeleitet und über eine optische Ankoppelung in eine Photodiode (Empfängerdiode) geführt. Die empfangene Lichtmenge hängt von der Regenintensität ab, weil Regentropfen die Totalreflexion an der Glasoberfläche zum Teil aufheben (Änderung des Brechungsindex). Ein Elektronikmodul erzeugt aus der Veränderung der Lichtmenge ein Signal zur Steuerung des Wischerbetriebs. Um Fehlinterpretationen durch Kondensationsfeuchte vorzubeugen, hält eine integrierte Heizung den Messbereich von innen trocken.

Varianten
Eine Verdeutlichung des physikalischen Hintergrunds erreicht man durch das Hervorheben des Strahlengangs. Durch Drehen des Halbkreiskörpers demonstriert man zunächst den übergang von der Strahlaufspaltung zur Totalreflexion. Bei eingestelltem Grenzwinkel der Totalreflexion erkennt man das einfallende und reflektierte Lichtbündel. Wird nun Wasser aufgetropft, erscheint an der Tafel das gebrochene Bündel und die Intensität des reflektierten Bündels wird geringer. Abb. 4 zeigt eine Variante, bei der ein lichtabhängiger Widerstand zur Steuerung eines kleinen Solar-Motors genutzt wird.

Hinweis
Um an der Stelle, an der das Licht reflektiert wird, einen großen und gleichmäßigen Wassertropfen zu erhalten, klebt man links und rechts von dieser Stelle je einen Klebestreifen auf den Halbkreiskörper auf. Das Wasser wird nun in den so entstandenen Kanal getropft. Auf Grund der Begrenzung wird ein Auseinanderlaufen des Wassers verhindert und es entsteht ein dicker, gleichmäßiger Tropfen.

Methodischer Einsatz
Der dargestellte Versuch ist vorwiegend als Lehrerexperiment vorgesehen. Unter Verwendung von Optik-Schülerübungskästen kann das physikalische Phänomen qualitätiv durch die Schüler und schülerinnen selbst erarbeitet werden. Die Materialien werden dabei nicht an einer Magnettafel befestigt, sondern flach auf den Tisch gelegt. Da man nun kein Wasser auf den Halbkreiskörper aufbringen kann, verwendet man ein plankonvexe Linse, die ihrer Form nach einen Wassertropfen simuliert. Um einen optischen Kontakt herzustellen, wird eine dünne Wasserschicht zwischen Linse und Halbkreiskörper gebracht. Eine quantitative Bestimmung der Lichtintensität in Abhängigkeit von der aufgebrachten Wassermenge lässt sich mit dem Schülerexperiment jedoch nicht durchführen.

LITERATUR:
  1. Mot, Heft Nr. 7, 1996, S. 15-16
  2. Claus Peter Hübel
    Low-Cost High-Tech Freihandversuche unter Berücksichtigung neuer Techniken und der Motivationsförderung durch Alltagsbezug, Wissenschaftliche Prüfungsarbeit für das Lehramt an Gymnasien, Universität Kaiserslautern, 1998
  3. Werksinfo der Daimler-Chrysler Corporate

Adressen zur Informationsbeschaffung:
  1. Daimler-Chrysler Corporate Communications, D-70322 Stuttgart, Tel. (0711) 17-0, Fax (0711) 17-22244
  2. Volkswagen AG, D-38436 Wolfsburg, Tel. (05361) 9-26820, Fax (05362) 9-28340

 

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