Co to jest polaryzacja światła i jej praktyczne zastosowanie

Światło spolaryzowane różni się od światła standardowego swoim rozsyłem. Został odkryty dawno temu i służy zarówno do eksperymentów fizycznych, jak i w życiu codziennym do wykonywania niektórych pomiarów. Zrozumienie zjawiska polaryzacji nie jest trudne, pozwoli to zrozumieć zasadę działania niektórych urządzeń i dowiedzieć się, dlaczego w określonych warunkach światło nie rozchodzi się jak zwykle.

Porównanie zdjęć bez filtra polaryzacyjnego iz nim, w drugim przypadku prawie nie widać odblasków.

Co to jest polaryzacja światła?

Polaryzacja światła dowodzi, że światło jest falą poprzeczną. Oznacza to, że mówimy ogólnie o polaryzacji fal elektromagnetycznych, a światło jest jedną z odmian, której właściwości podlegają ogólnym zasadom.

Polaryzacja jest właściwością fal poprzecznych, których wektor drgań jest zawsze prostopadły do ​​kierunku propagacji światła lub czegoś innego.To znaczy, jeśli wybierzesz spośród promieni świetlnych o tej samej polaryzacji wektora, to będzie to zjawisko polaryzacji.

Najczęściej widzimy wokół nas niespolaryzowane światło, ponieważ jego wektor natężenia porusza się we wszystkich możliwych kierunkach. Aby go spolaryzować, przepuszczany jest przez ośrodek anizotropowy, który odcina wszystkie oscylacje i pozostawia tylko jedną.

Porównanie światła zwykłego i spolaryzowanego.

Kto odkrył to zjawisko i czego to dowodzi

Rozważana koncepcja została po raz pierwszy w historii zastosowana przez znanego brytyjskiego naukowca I. Newtona w 1706 r.. Ale inny badacz wyjaśnił jego naturę - James Maxwell. Wtedy natura fal świetlnych nie była znana, ale wraz z nagromadzeniem różnych faktów i wynikami różnych eksperymentów pojawiało się coraz więcej dowodów na poprzeczność fal elektromagnetycznych.

Jako pierwszy eksperymenty w tym zakresie przeprowadził holenderski badacz Huygens, stało się to w 1690. Przepuszczał światło przez płytę islandzkiego drzewca, w wyniku czego odkrył poprzeczną anizotropię belki.

Pierwszy dowód polaryzacji światła w fizyce uzyskał francuski badacz E. Malus. Użył dwóch talerzy turmalinu i ostatecznie wymyślił prawo nazwane jego imieniem. Dzięki licznym eksperymentom udowodniono poprzeczność fal świetlnych, co pomogło wyjaśnić ich naturę i cechy propagacyjne.

Skąd bierze się polaryzacja światła i jak ją zdobyć?

Większość światła, które widzimy, nie jest spolaryzowane. Słońce, Sztuczne oświetlenie - strumień świetlny z wektorem oscylującym w różnych kierunkach, rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach bez ograniczeń.

Światło spolaryzowane pojawia się po przejściu przez ośrodek anizotropowy, który może mieć różne właściwości. To środowisko usuwa większość wahań, pozostawiając tylko to, co zapewnia pożądany efekt.

Najczęściej jako polaryzator działają kryształy. Jeśli wcześniej używano głównie naturalnych materiałów (na przykład turmalinu), teraz istnieje wiele opcji sztucznego pochodzenia.

Światło spolaryzowane można również uzyskać poprzez odbicie od dowolnego dielektryka. Najważniejsze jest to, że kiedy Strumień świetlny jest załamany na styku dwóch mediów. Łatwo to zobaczyć, umieszczając ołówek lub rurkę w szklance wody.

Ta zasada jest stosowana w mikroskopach polaryzacyjnych.

Podczas zjawiska załamania światła część promieni ulega polaryzacji. Stopień manifestacji tego efektu zależy od lokalizacji źródło światła oraz kąt jego padania w stosunku do punktu załamania.

Jeśli chodzi o metody uzyskiwania światła spolaryzowanego, niezależnie od warunków stosowana jest jedna z trzech opcji:

1. Pryzmat Mikołaja. Jego nazwa pochodzi od szkockiego odkrywcy Nicolasa Williama, który wynalazł go w 1828 roku. Prowadził eksperymenty przez długi czas i po 11 latach udało mu się uzyskać gotowe urządzenie, które nadal jest używane w niezmienionej formie.
2. Odbicie od dielektryka. Tutaj bardzo ważne jest, aby wybrać optymalny kąt padania i wziąć pod uwagę stopień refrakcja (im większa różnica w przepuszczalności światła dwóch mediów, tym bardziej promienie są załamywane).
3. Korzystanie ze środowiska anizotropowego. Najczęściej wybiera się do tego kryształy o odpowiednich właściwościach. Jeśli skierujesz na nie strumień świetlny, możesz zaobserwować jego równoległą separację na wyjściu.

Polaryzacja światła po odbiciu i załamaniu na granicy dwóch dielektryków

To zjawisko optyczne zostało odkryte przez fizyka ze Szkocji David Brewster w 1815 r.. Wyprowadzone przez niego prawo wykazało związek między wskaźnikami dwóch dielektryków pod pewnym kątem padania światła. Jeśli wybierzemy warunki, to promienie odbite od granicy dwóch ośrodków będą spolaryzowane w płaszczyźnie prostopadłej do kąta padania.

Ilustracja prawa Brewstera.

Badacz zauważył, że załamana wiązka jest częściowo spolaryzowana w płaszczyźnie padania. W tym przypadku nie całe światło jest odbijane, jego część trafia do załamanej wiązki. Kąt Brewstera jest kątem, pod którym odbite światło całkowicie spolaryzowane. W tym przypadku promienie odbite i załamane są do siebie prostopadłe.

Aby zrozumieć przyczynę tego zjawiska, musisz wiedzieć, co następuje:

1. W każdej fali elektromagnetycznej oscylacje pola elektrycznego są zawsze prostopadłe do kierunku jego ruchu.
2. Proces podzielony jest na dwa etapy. W pierwszej fala padająca powoduje wzbudzenie cząsteczek dielektryka, w drugiej pojawiają się fale załamane i odbite.

Jeżeli w eksperymencie zostanie użyty jeden plastik kwarcu lub innego odpowiedniego minerału, intensywność płaskie światło spolaryzowane będzie niewielka (około 4% całkowitej intensywności). Ale jeśli użyjesz stosu talerzy, możesz osiągnąć znaczny wzrost wydajności.

Tak poza tym! Prawo Brewstera można również wyprowadzić za pomocą wzorów Fresnela.

Polaryzacja światła przez kryształ

Zwykłe dielektryki są anizotropowe, a charakterystyka padającego na nie światła zależy głównie od kąta padania. Właściwości kryształów są inne, gdy pada na nie światło, można zaobserwować efekt podwójnego załamania promieni.Przejawia się to w następujący sposób: podczas przechodzenia przez konstrukcję powstają dwie załamane wiązki, które biegną w różnych kierunkach, różnią się również ich prędkościami.

Najczęściej w eksperymentach stosuje się kryształy jednoosiowe. W nich jedna z wiązek refrakcji jest zgodna ze standardowymi prawami i nazywana jest zwykłą. Drugi jest uformowany inaczej, nazywa się go nadzwyczajnym, ponieważ cechy jego załamania nie odpowiadają zwykłym kanonom.

Tak wygląda podwójne załamanie na schemacie.

Jeśli obrócisz kryształ, zwykła wiązka pozostanie niezmieniona, a niezwykła będzie poruszać się po okręgu. Najczęściej w eksperymentach używa się kalcytu lub szpatu islandzkiego, ponieważ dobrze nadają się do badań.

Tak poza tym! Jeśli spojrzysz na otoczenie przez kryształ, wtedy kontury wszystkich obiektów rozdzielą się na dwie części.

Na podstawie eksperymentów z kryształami Étienne Louis Malus sformułował ustawę w 1810 r. rok, w którym otrzymał jego imię. Wydedukował wyraźną zależność światła spolaryzowanego liniowo po jego przejściu przez polaryzator wykonany na bazie kryształów. Natężenie wiązki po przejściu przez kryształ maleje proporcjonalnie do kwadratu cosinusa kąta utworzonego między płaszczyzną polaryzacji wiązki wchodzącej a filtrem.

Lekcja wideo: Polaryzacja światła, fizyka Klasa 11.

Praktyczne zastosowanie polaryzacji światła

Rozważane zjawisko jest wykorzystywane w życiu codziennym znacznie częściej niż się wydaje. Znajomość praw propagacji fal elektromagnetycznych pomogła w tworzeniu różnych urządzeń. Główne opcje to:

1. Specjalne filtry polaryzacyjne do aparatów pozwalają pozbyć się odblasków podczas robienia zdjęć.
2. Okulary z tym efektem są często używane przez kierowców, ponieważ usuwają odblaski z reflektorów nadjeżdżających pojazdów.Dzięki temu nawet światła drogowe nie oślepiają kierowcy, co poprawia bezpieczeństwo.
   Brak odblasków wynika z efektu polaryzacji.
3. Aparatura stosowana w geofizyce umożliwia badanie właściwości mas chmur. Służy również do badania cech polaryzacji światła słonecznego podczas przechodzenia przez chmury.
4. Specjalne instalacje fotografujące kosmiczne mgławice w świetle spolaryzowanym pomagają w badaniu właściwości powstających tam pól magnetycznych.
5. W przemyśle inżynieryjnym stosowana jest tzw. metoda fotoelastyczna. Dzięki niemu można jednoznacznie określić parametry naprężeń, które występują w węzłach i częściach.
6. Ekwipunek używany przy tworzeniu scenografii teatralnej, a także przy projektowaniu koncertów. Kolejnym obszarem zastosowania są gabloty i stoiska wystawiennicze.
7. Urządzenia mierzące poziom cukru we krwi osoby. Działają poprzez określenie kąta obrotu płaszczyzny polaryzacji.
8. Wiele przedsiębiorstw przemysłu spożywczego korzysta ze sprzętu zdolnego do określenia stężenia konkretnego roztworu. Istnieją również urządzenia, które mogą kontrolować zawartość białek, cukrów i kwasów organicznych poprzez wykorzystanie właściwości polaryzacyjnych.
9. Kinematografia 3D działa właśnie poprzez wykorzystanie zjawiska rozważanego w artykule.

Tak poza tym! Znane wszystkim monitory ciekłokrystaliczne i telewizory działają również w oparciu o spolaryzowany strumień.

Znajomość podstawowych cech polaryzacji pozwala wyjaśnić wiele efektów, które zachodzą wokół. Zjawisko to jest również szeroko stosowane w nauce, technologii, medycynie, fotografii, kinie i wielu innych dziedzinach.