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Dispersion

Allgemeines

Der Begriff der Dispersion wird in den naturwissenschaftlichen Fachdisziplinen entsprechend der lateinischen Wortherkunft (lat.: dispergere – verteilen, ausbreiten und zerstreuen) zu vielfältigen Bedeutungserklärungen herangezogen.

Im Lexikon „Kunststoffprüfung und Diagnostik“ sind die Begriffe

enthalten, wo mit der Dispersion die Art der Verteilung von Füllstoffpartikeln in einer Kautschukmatrix [1] bzw. in einem polymeren Nanokomposit [2] beschrieben wird. Sehr häufig wird der Begriff der Dispersion auch im Zusammenhang mit der Ausbreitung des Lichts

und der Ausbreitung von Schallwellen

verwendet, wobei hier speziell die Frequenzdispersion gemeint ist.

Die Dispersion des Lichts

Als Dispersion des Lichts bezeichnet man die Abhängigkeit der Brechzahl eines Materials von der Frequenz f des Lichtes oder der Wellenlänge λ. Die Dispersion wird als normale Dispersion bezeichnet, wenn die Brechzahl oder der Brechungsindex mit erhöhter Frequenz zunimmt bzw. mit ansteigender Wellenlänge abnimmt. Im entgegengesetzten Fall, also der Zunahme der Brechzahl mit erhöhter Wellenlänge, bezeichnet man die Dispersion als anormal.
In anisotropen Werkstoffen ist die Brechzahl n und alle mit dieser zusammenhängenden optischen Kennwerte (z. B. die Doppelbrechung oder der optische Achsenwinkel) von der Wellenlänge λ des eingestrahlten Lichtes abhängig. Bei Kunststoffen und anorganischen Gläsern nimmt die Brechzahl mit steigender Wellenlänge und damit sinkender Frequenz des Lichtes ab. Beim Durchgang weißen Lichtes durch ein Dispersionsprisma erfolgt eine Reflexion als auch eine Aufspaltung in die einzelnen Wellenlängen bzw. Farben des Spektrums (Bild 1). Die unterschiedlichen Medien unterscheiden sich durch die Größe des Ablenkwinkels für die einzelnen Farben.

Dispersion-1.JPG

Bild 1: Dispersion von weißem Licht durch ein Prisma: (a) Frequenzdispersion und (b) Wellenlängen des Farbspektrums

Zur Charakterisierung wird die Grunddispersion GD nach der Gl. (1) für den mittleren Teil des Spektrums bestimmt, wobei die Brechzahlen nF und nC messtechnisch erfasst werden.

(1)

Die ausgewählten Wellenlängen der Fraunhoferschen Linien F (λF = 486 nm), C (λC = 656 nm) und D (λD = 589 nm) werden am einfachsten mit Metallinterferenzfiltern der entsprechenden Wellenlängen oder mit optischen Monochromatoren eingestellt. Damit lässt sich die ABBE’sche Zahl ν im Mikroskop nach Gl. (2) leicht bestimmen.

(2)

Die Dispersion kann mit Hilfe eines ABBE-Refraktometers ermittelt werden. Eine große ABBE’sche Zahl bedeutet bei normaler Dispersion eine geringe Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl und umgekehrt [3].

Die Dispersion des Ultraschalls

Die räumliche und zeitliche Ausbreitung mechanischer Wellen in elastischen Medien in einem Frequenzbereich von 1,6·104 Hz bis ca. 1012 Hz wird als Ultraschall bezeichnet. Zur Erzeugung von Ultraschall benutzt man mechanische oder elektromechanische Schallquellen, von denen die piezoelektrischen Schwinger die größte Verbreitung gefunden haben.
Die Phänomene der Ultraschallausbreitung, Reflexion, Brechung und Doppelbrechung, sind denen der Lichtausbreitung vergleichbar und unterliegen den physikalischen Gesetzen der geometrischen Optik.


Literaturhinweise

[1] Reincke, K.: Elastomere Werkstoffe – Zusammenhang zwischen Mischungsrezeptur, Struktur und mechanischen Eigenschaften sowie dem Deformations- und Bruchverhalten. Habilitation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Shaker Verlag, Herzogenrath (2016), (ISBN 978-3-8440-4637-3; siehe AMK-Büchersammlung unter B 2-2)
[2] Monami, A.: Struktur, Exfolierungszustand und Eigenschaften von PA/OMMT-Verbundwerkstoffen. Dissertation, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Mensch & Buch Verlag, Berlin (2014), (ISBN 978-3-86387-402-5; siehe AMK-Büchersammlung unter B 1-26)
[3] Trempler, J.: Optische Eigenschaften. In: Grellmann, W., Seidler, S. (Hrsg.): Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag, München (2015) 3. Auflage, S. 329, (ISBN 978-3-446-44350-1; siehe AMK-Büchersammlung unter A 18)