sciencetalk

Das een mooi plaatje geworden inderdaad

Met een stuk glas dat dergelijke kleuren vertoont zou het interessant zijn om eens te kijken wat de reflectiepatronen voor diverse golflengtes zijn, en dat lukt ook wel onder een hoek die tegen normaal aan zit. Als ik bijvoorbeeld de reflecties kan meten op pakweg 650, 532, 445 en 405 nm kan dat uitsluitsel geven of er eventueel een dielectrische coating in het spel is - die werken vaak uitstekend voor 1 golflengte, en heel slecht voor alle andere. Coatings van MgF2 'werken' over een wat bredere bandbreedte, al zit er wel altijd een optimum aan.

3) kleurloze vlekkenpatronen, die alleen zichtbaar zijn met polaroidbril. Alleen zichtbaar bij gehard glas, zoals de achterruit van auto's en de voorruit van treinen. Onafhankelijk van verschijnsel 1. Eigenlijk een transmissieverschijnsel in het glas, geen reflectieverschijnsel.

Vanwege de noodzaak van een polaroidbril is het vlekkenpatroon van gehard glas geen verklaring voor de kleuren van de voorruit van de trein. Maar uit nieuwsgierigheid wilde ik zien of het reflectievlekkenpatroon van de voorruit lijkt op het transmissievlekkenpatroon. Dat is het geval. Ter illustratie: de machinist opende de deur toevallig naast de lcd-schermen die 100% gepolariseerd licht uitzenden. De animatie toont het beeld met een polarisatiefilter op de camera (drie beelden: polarisatiefilter-as op 0°, 45° en 90°). Het polarisatieafhankelijke vlekkenpatroon is zichtbaar door de voorruit van de trein heen. Het is kleurloos.
Het vlekkenpatroon betekent dat de voorruit van treinen gehard glas bevat (wat na een aanrijding zichtbaar is: [1]). Dat is verrassend als je het vergelijkt met de voorruit van auto's, daar is gehard glas tegenwoordig verdrongen door gelaagd glas dat geen gehard glas bevat. Misschien omdat een automobilist door de ruit moet kunnen zien bij een noodstop met gebroken ruit, en een machinist niet.

Bij de achterruit van een auto zie je hetzelfde effect als je een laptop op de hoedenplank zet, met het beeldscherm naar buiten gericht, en van buitenaf naar het beeldscherm kijkt door een polaroidbril. Het vlekkenpatroon is veel sterker dan bij reflectie van de hemel, omdat het licht van het beeldscherm 100% gepolariseerd is. Het vlekkenpatroon is kleurloos. De achterruit is van gehard glas.
Laptop-beeldscherm gezien door achterruit van auto. Animatie van twee foto's, met polarisatiefilter op 0° en 90°.
Kleurloos reflectiepatroon op achterruit van auto. Patroon afhankelijk van stand van polarisatiefilter (0° en 90°). De lichtbron, een bewolkte hemel, is ongepolariseerd.

2) gekleurde strepenpatronen, alleen zichtbaar met polaroidbril. Bijvoorbeeld bij het plastic deksel van een cd-doosje. Niet bij glas. Eigenlijk een transmissieverschijnsel in het plastic, geen reflectieverschijnsel.

Vanwege de noodzaak van een polaroidbril is het gekleurde strepenpatroon van plastic geen verklaring voor de kleuren van de voorruit van de trein. Maar uit nieuwsgierigheid wilde ik zien of het reflectiekleurenpatroon lijkt op het transmissiekleurenpatroon bij het deksel van een cd-doosje. Dat blijkt het geval. Links een animatie van de transmissiekleuren, rechts van de reflectiekleuren. In beide gevallen is de lichtbron een 100% gepolariseerd lcd-scherm. Het rode getal rechtsonder is de hoek van de polarisatiefilter-as, waarbij 0° de orientatie is waarbij het licht van het lcd-scherm volledig uitdooft (zichtbaar bij de markering *, buiten de rand van het deksel).
. . .

Dunnelaaginterferentie is de enig overgebleven verklaring voor de voorruitkleuren, omdat het ongepolariseerd is. Nu is een schatting van de laagdikte mogelijk aan de hand van de kleuren. De hoek met de normaal is constant omdat lichtbron en waarnemer ver weg zijn. De kleurcontouren zijn dus diktecontouren van de laag. De kleurenvolgorde moet hetzelfde zijn als bij een zeepbel. De letters R1, R2, R3 markeren de interferentiemaxima voor rood licht (orde m = 1, 2, 3,..). De kleurenvolgorde laat zien waar de dunne en de dikke kant van de interferentielaag zich kennelijk bevinden (bij R1 en R3).
. . . De laagdikte bij het m-de orde reflectiemaximum is d = (m-½) λ / (2 n cos β), dus ongeveer 0,1 µm voor R1 en 0,5 µm voor R3.[1]

Ik zag dat de beschrijving van de Airbuscockpitfoto vandaag is aangepast in wikipedia. Het kleurenpatroon wordt niet meer verklaard met stress induced birefringence, maar met dunnelaaginterferentie. De fabrikant van de ruit geeft de elektrisch geleidende laag opzettelijk een niet-uniforme dikte omdat dat noodzakelijk is voor het bereiken van een uniforme verwarming.

Op grond van dat idee en de kleuren zou ik bij de cockpitruit de stroombaan en de (onbekende) elektrodes als volgt schetsen:
Volgens de kleuren is de elektrisch geleidende laag bij de sterretjes het dikst, en de stroomweerstand het laagst. Dat verhoogt de stroomsterkte en warmteafgifte langs de randen van het raam. (P=V²/R voor elke stroombaan)
 
De treinruit is minder begrijpelijk. De plaats van de aansluitelektrodes is bekend: twee verticale strips in de linker- en rechterrand van de ruit. Volgens de kleuren zit de verdikking in het midden van de ruit, dus daar worden de stroomdichtheid en de warmteproductie groter. Het lijkt me dat die warmteconcentratie ten koste gaat van flankerende 'eilanden' boven en onder het midden van de ruit, die juist kouder worden.

Het lijkt me logischer aan te nemen dat de verwarming groter is op plaatsen waar de geleidende laag dunner is - je hebt op die plaats de meeste weerstand en dus spanningsval/vermogen, zeker met de constructie met 2 strips aan weerszijden van de glasplaat.

Er is wel wat te zeggen voor minder verwarming van het midden van de ruit en meer aan de randen, die verliezen natuurlijk ook warmte aan het frame waar de ruit in zit. Door in het midden minder hard te stoken zou de temperatuur daardoor uniformer kunnen zijn en vooral uniformer veranderen wat weer scheelt in stress in het glas.

Bij voorruiten van vliegtuigen is het overigens sowieso van belang om de ruiten warm te houden, ook al is condensatie even geen probleem: door koude wordt het glas broser en is de kans op een breuk groter als er een vogel oid tegenop klapt.

Bij sommige auto's heeft de voorruit een opvallende paarse metallic kleur, gezien door een polaroidbril. Zou die kleur betekenen dat de voorruit elektrisch verwarmd is, of is dit soort getint glas puur kosmetisch? Ik zag geen elektrische aansluiting.

 
De elektrische capaciteit, gemeten zoals eerder in dit topic, was 110 pF, dus er zit een elektrisch geleidende laag op 1.3 mm diepte.

Zou dat een ontspiegeling kunnen zijn?

Toevallig net -onbewust- een ontspiegelde leesbril gekocht, en toen ik er eenmaal mee binnen een keer in mijn handen stond schrok ik me wild omdat ik hoekige groen weerspiegelde lichtvlekken zag; buitenlicht dat door de ramen scheen.

Navraag bij de opticien leerde dat dat de ontspiegellaag was, en dat die een paar jaar geleden nog veelal blauwpaars van kleur was. Die kleur zie je dan dus als er fel licht op weerkaatst wordt.
het raam (met witte vitrage) weerspiegeld in mijn ontspiegelde bril

Zou dat een ontspiegeling kunnen zijn?

Wat daartegen pleit is dat de capaciteitsmeter een geleidende laag in de autoruit detecteerde. Een gewone ontspiegellaag van brillenglas, meestal magnesiumfluoride, geleidt geen elektriciteit. Als proef op de som: de capaciteitsmeter detecteert de ontspiegellaag van mijn brillenglazen niet. Wel de spiegellaag van metallic zonnebrilglazen.

Misschien is het zoiets als Climacoat-glas. 's Winters wordt de geleidende laag (zilver) gebruikt als elektrische ruitverwarming (dan moet er wel een elektrische aansluiting zijn). 's Zomers houdt hij de auto koel doordat hij warmtestraling (infrarood) van de zon reflecteert.

Navraag bij de opticien leerde dat dat de ontspiegellaag was

Mijn opticien corrigeert je als je zegt dat de ontspiegellaag groen is. De laag is onzichtbaar, het groene mag geen naam hebben, hooguit restkleur. Daar heb je voor betaald.

Als je de bril afspoelt onder de kraan verandert de groene kleur, klik.

Dat je de aansluitpunten niet ziet zegt niet zoveel - bij een conventioneel verwarmde voorruit zie je wel de dunne verticale draadje is het glas als je goed kijkt, maar het aansluitpunt ervan zit verborgen achter het plastic frame rond de ruit.

Gezien de laag 1.3mm in het glas zit zou het degelijk een IR spiegelende laag kunnen zijn, die is opgedampt, bijvoorbeeld tegen de binnenkant van het buitenste glas van het laminaat.

Op zich vind ik het geen onlogisch compromis: een daadwerkelijk verwarmbare laag is complexer en duurder, terwijl je die alleen in de winter echt nodig hebt. Het koelen van een auto in de zomer is lastiger dan verwarmen in de winter (airco kost vermogen, stoken is restwarmte).

Mijn opticien corrigeert je als je zegt dat de ontspiegellaag groen is. De laag is onzichtbaar, het groene mag geen naam hebben, hooguit restkleur. Daar heb je voor betaald.

Tja, mooie marketing... het is een laag die ontspiegelend werk en vrijwel onzichtbaar is voor licht dat er onder een normale hoek op valt. Onder een hoek is de reflectie zo goed dat je dat brillenglas praktisch als een dichro kunt gebruiken om 2 laserstralen samen te voegen

Auto's met paars reflecterende voorruiten, gezien door een polaroidbril, zijn niet heel zeldzaam. Bij geparkeerde auto's schat ik het aantal op een paar procent. Meestal zijn het de Franse automerken Renault, Citroen, Peugeot; en af en toe een Ford. De capaciteitsmeter (zoals in #17) liet zien dat alle paarse ruiten een betrekkelijk hoge capaciteit hebben, tussen 100 en 200 pF. Volgens internet is de paarse of blauwe kleur een kenmerk van warmtereflecterende voorruiten (ook bekend als athermische of comfort-voorruit). Steeds meer auto's worden voorzien van zo een warmtereflecterende laag. De glasfabrikanten streven naar kleurloze ruiten, maar dat is bij de paarse ruiten niet gelukt (zie reflectiespectrum in [1]). Van de warmtereflecterende voorruiten is bekend dat ze gps-signalen en het signaal van tolwegpoorten belemmeren.[2] Dat bevestigt dat de reflectielaag elektrisch geleidend is.

Geldt omgekeerd dat voorruiten zonder paarse kleur geen geleidende laag bevatten? Nee, een flink percentage van de ongekleurde ruiten bleek toch ook een tamelijk hoge capaciteit te hebben, wat wijst op een elektrisch geleidende laag. 10% van de ongekleurde voorruiten had een verhoogde capaciteit tussen 50 en 100 pF. De capaciteit is iets lager dan bij paarse ruiten, kennelijk is de buitenste glaslaag iets dikker dan bij paarse ruiten. Wellicht verzwakt de dikkere buitenste glaslaag de paarse kleur van de reflectie doordat de transmissiekleur van autovoorruiten een beetje groen is.

De paars reflecterende voorruit bevat bij de achteruitkijkspiegel een gestippeld vak dat tevens een radiovenster is (zo noem ik het, het schijnt geen naam te hebben). Het radiovenster, een uitsparing in de geleidende laag, dient voor het doorlaten van GHz-radiogolven t.b.v. een tolweg-transponder in de auto. Vandaag heb ik bij een aantal geparkeerde auto's met paarse voorruit gemeten dat de capaciteitswaarde in het gestippelde vak ongeveer nul is (kleiner dan 20 pF), wat bevestigt dat daar geen geleidende laag is.

Niet alleen auto's met paars reflecterende voorruiten hebben een gestippeld vak bij de achteruitkijkspiegel. Het zijn er veel meer, ik schat de helft van alle auto's. De fabrikant maakt dat vak niet voor niets, dus misschien bevatten al die voorruiten een elektrische geleidende laag die radiosignalen tegenhoudt. Het aantal ruiten met een geleidende laag zou dan groter zijn dan wat ik vond door middel van capaciteitsmeting, in het vorige bericht.
Ik kwam trouwens auto's tegen met een regenboogbandenpatroon in de reflectie op de voorruit, gezien door een polaroidbril. Hoe zou dat komen?

Mogelijk door de vorm van de ruit - het ziet er relatief bol uit dus kijk je steeds onder een andere hoek tegen de reflecterende laag aan.

Btw, wat die capaciteitsmetingen betreft: wat meet je op een auto met voorruitverwarming? Als je in de buurt van utrecht zit mag je de mijne meten, maar de meeste luxe ford mondeo's en focussen hebben dat aan boort, en je zit de draadjes wel lopen als je heel goed kijkt.

Hier in de buurt is de capaciteit van de voorruiten van Ford Mondeo's en Focussen 70 pF (behalve eentje waar het 7 pF was, misschien een oud model zonder geleidende laag). De capaciteit is dus niet bijzonder hoog, maar dat hoeft ook niet, de capaciteit zegt alleen hoe diep de geleidende laag onder het oppervlak ligt.

Met het blote oog zag ik bij deze auto's in de voorruit niets dat op draadjes leek. Kun je het laten zien op een foto?