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Physik

Glasfaser: Daten mit Licht übertragen

In Glasfasern laufen Lichtsignale über weite Strecken. Du erklärst, warum das Licht nicht hinauskommt, und stellst die Technik für andere verständlich vor.

  • ca. 12 Minuten
  • Klasse 10
  • Niveau: Standard

Das lernst du heute

  • Ich kann erklären, wie ein Lichtleiter funktioniert.
  • Ich kann den Grenzwinkel und Laufzeiten einordnen.
  • Ich kann die Bedeutung von Glasfasern adressatengerecht präsentieren.

Das brauchst du schon: Vielleicht hilft dir zuerst eine dieser Lektionen: Totalreflexion: Wenn Licht nicht hinauskommt, Lichtleiter: Glasfaser und Endoskop

Eine Glasfaser ist ein dünner Faden aus Glas, dünn wie ein Haar. Im Inneren liegt der Kern, außen der Mantel. Der Kern bricht Licht stärker als der Mantel. Trifft ein Lichtstrahl flach auf die Grenze, wird er total reflektiert und bleibt im Kern. So läuft das Licht durch die Faser, auch um Kurven. Totalreflexion gibt es nur, wenn der Winkel zum Lot größer ist als der Grenzwinkel. Für Glas gegen Luft liegt der Grenzwinkel bei etwa 42°. Zwischen Kern und Mantel ist er größer, weil sich die beiden Glassorten nur wenig unterscheiden. Zur Übertragung schaltet ein Sender das Licht sehr schnell an und aus. Das ergibt Bits: Licht an heißt 1, Licht aus heißt 0. In der Faser läuft das Licht mit etwa 200 000 km/s. Das ist etwa zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Glasfasern haben Vorteile: Das Signal verliert wenig Stärke, die Datenrate ist hoch, und elektrische Störungen wirken nicht. Für lange Strecken, auch unter dem Meer, sind sie wichtig. Wenn du die Technik jemandem erklärst, passe die Sprache an: Für Kinder mit einem Bild, für Fachleute mit Zahlen.

Kupferkabel und Glasfaser im Vergleich.
MerkmalKupferkabelGlasfaser
SignalelektrischLicht
Störungen durch andere Gerätemöglichnicht möglich
Dämpfung auf langen Streckenstärkergering
Datenratebegrenztsehr hoch

Laufzeit in der Faser

  1. Gegeben: Strecke 2000 km, Lichtgeschwindigkeit in der Faser 200 000 km/s.
  2. Zeit = 2000 : 200 000 s = 0,01 s.
  3. In Millisekunden: 0,01 s = 10 ms.
  4. Zum Vergleich: Im Vakuum wären es etwa 6,7 ms.
  5. Ergebnis: Die Reise durch die Faser ist schnell, aber nicht unendlich schnell.

Ich verstehe das noch nicht

Such dir aus, was dir hilft.

Noch einfacher erklärt

Das Licht prallt an der Wand der Faser ab.

Es bleibt im Glas.

So kommt es am anderen Ende an.

Ein Beispiel

Beispiel

Wirf einen Ball in einen langen Flur. Er prallt von Wand zu Wand und kommt am Ende an. So läuft das Licht in der Faser.

Schritt für Schritt

Du erklärst die Glasfaser in vier Schritten.

  1. Zeige Kern und Mantel.
  2. Erkläre die Totalreflexion an der Grenze.
  3. Erkläre Licht an und aus als 1 und 0.
  4. Nenne zwei Vorteile.

Mit einem Bild erklärt

TeilAufgabe
Kernführt das Licht
Mantelan seiner Grenze wird das Licht in den Kern zurückgeworfen
Senderschaltet Licht an und aus
Empfängermacht aus Licht wieder Bits

Zur Grundlage zurück

Ausprobieren

Jetzt zusammen

Wir lösen die Aufgabe gemeinsam. Nutze die Hilfen, wenn du sie brauchst.

Ein Lichtsignal läuft 2000 km durch eine Faser mit 200 000 km/s. Wie viele Millisekunden dauert das?

Zeig mir den ersten Schritt

Rechne 2000 : 200 000 in Sekunden und dann mal 1000.

Lösung ansehen

Lösung: 10

2000 : 200 000 = 0,01 s = 10 ms.

Üben

Jetzt du

Jetzt probierst du es allein.

Was bewirkt die Totalreflexion in der Faser?
Zeig mir den ersten Schritt

Was passiert mit dem Strahl an der Grenze?

Lösung ansehen

Lösung: Das Licht bleibt im Kern.

Tipp: Skizziere die Faser mit Kern und Mantel und zeichne den Strahl im Zickzack. Das Bild hilft beim Erklären.

Merksatz: Glasfaser: Kern und Mantel, Totalreflexion, Licht an/aus als Bits, wenig Dämpfung, hohe Datenrate. Grenzwinkel Glas–Luft etwa 42°.

Typischer Fehler: Viele denken, Licht in der Faser laufe geradeaus durch. Es wird immer wieder reflektiert. Auch in Kurven bleibt es im Kern, solange die Kurve nicht zu eng ist.

Prüfen

Mini-Quiz

4 kurze Fragen, ohne Noten. Bei jeder Frage kannst du dir die Lösung ansehen.

Frage 1 Wie werden in der Glasfaser Bits übertragen?
Lösung ansehen

Lösung: Licht an heißt 1, Licht aus heißt 0.

Frage 2 Elektrische Störungen beeinflussen Signale in der Glasfaser.
Lösung ansehen

Lösung: Stimmt nicht

Frage 3 Wofür steht der Wert 42° bei Glas gegen Luft?
Lösung ansehen

Lösung: Für den Grenzwinkel der Totalreflexion

Frage 4 Wie erklärst du die Glasfaser einem Kind am besten?
Lösung ansehen

Lösung: Mit einem Bild vom Ball im Flur.

Geschafft

Glasfasern übertragen Daten als Lichtsignale. Totalreflexion hält das Licht im Kern. Die Technik ist störungsfrei und schnell.

Zum Schluss

Kannst du das schon?

Hake ab, was du schon kannst. Was noch fehlt, schaust du dir einfach noch einmal an.

Zum Ausdrucken

Übungsheft Kommunikationstechnik und Datennetze

Kurz erklärt, 46 Aufgaben in drei Stufen und alle Lösungen. Kostenlos.

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