Какво представлява поляризацията на светлината и нейното практическо приложение

Поляризираната светлина се различава от стандартната по своето разпространение. Той е открит доста отдавна и се използва както за физически експерименти, така и в ежедневието за извършване на някои измервания. Разбирането на явлението поляризация не е трудно, то помага да се разбере как работят някои устройства и защо светлината не се разпространява както обикновено при определени условия.

Сравнете снимката със и без поляризиращ филтър, като във втория случай почти няма отблясъци.

Какво е поляризация на светлината

Поляризацията на светлината доказва, че тя е напречна вълна. Тоест става дума за поляризацията на електромагнитните вълни като цяло, а светлината е една от разновидностите, чиито свойства се подчиняват на общи правила.

Поляризацията е свойство на напречните вълни, чийто вектор на трептене е винаги перпендикулярен на посоката на разпространение на светлината или на нещо друго. Тоест, ако изолирате светлинни лъчи с един и същ вектор на поляризация, това е явлението поляризация.

Най-често виждаме неполяризирана светлина около нас, тъй като тя има вектор на интензитета, който се движи във всички възможни посоки. За да се поляризира, то се прекарва през анизотропна среда, която прекъсва всички вибрации и оставя само една.

Сравнение на обикновена и поляризирана светлина.

Кой е открил явлението и какво доказва то

Въпросната концепция е използвана за първи път от известния британски учен И. Нютон през 1706 г.. Но друг изследовател обясни нейната същност. Джеймс Максуел.. По онова време природата на светлинните вълни не е била известна, но с натрупването на различни факти и резултати от различни експерименти се появяват все повече доказателства за напречната природа на електромагнитните вълни.

Първият, който експериментира в тази област, е холандският изследовател Хюйгенс през 1690 г.. Той пропуска светлина през плоча от исландски шперплат и в резултат открива напречната анизотропия на лъча.

Първото доказателство за поляризацията на светлината във физиката е получено от френския изследовател Э. Malus. Той използва две пластини от турмалин и в крайна сметка получава закона, наречен на негово име. Благодарение на многобройни експерименти е доказана напречната природа на светлинните вълни, което помага да се обяснят тяхната същност и характеристики на разпространение.

Откъде идва поляризацията на светлината и как да я получите сами

По-голямата част от светлината, която виждаме, не е поляризирана. Слънце, изкуствена светлина - Светлинен поток с вектор, осцилиращ в различни посоки, се разпространява във всички посоки без ограничение.

Поляризираната светлина се появява, след като е преминала през анизотропна среда, която може да има различни свойства. Тази среда премахва повечето вибрации, като оставя само една, която осигурява желания ефект.

Най-разпространеният поляризатор е кристалният. Докато в миналото са се използвали предимно естествени материали (напр. турмалин), сега има много изкуствени варианти.

Поляризирана светлина може да се получи и чрез отражение от всеки диелектрик. Идеята е, че когато светлината попада върху светлинен поток на границата между двете среди тя се пречупва. Това може лесно да се види, като поставите молив или тръбичка в чаша с вода.

Този принцип се използва в поляризационните микроскопи.

При явлението пречупване на светлината част от лъчите се поляризират. Степента на този ефект зависи от позицията на източник на светлина и ъгълът на падане на светлината спрямо мястото на пречупване.

Що се отнася до метода за получаване на поляризирана светлина, независимо от условията се използва един от трите варианта:

1. Призма Nicolas. Наречен е на шотландския изследовател Николас Уилям, който го изобретява през 1828 г. Той експериментира дълго време и след 11 години успява да създаде готово устройство, което се използва и до днес в непроменен вид.
2. Отражение от диелектрик. Тук е много важно да се намери оптималният ъгъл на падане и да се вземе предвид степента на на пречупване (Колкото по-голяма е разликата в коефициента на пропускане между двете среди, толкова повече се пречупват лъчите).
3. Използване на анизотропна среда. За тази цел най-често се избират кристали с подходящи свойства. Ако към тях се насочи светлинен поток, на изхода може да се наблюдава паралелно разделяне.

Поляризация на светлината чрез отражение и пречупване на границата между два диелектрика

Този оптичен феномен е открит от шотландския физик от Дейвид Брустър през 1815 г.. Изведеният от него закон показва корелацията на индексите на два диелектрика при определен ъгъл на падане на светлината. Ако условията са избрани, лъчите, отразени от връзката на двете среди, ще бъдат поляризирани в равнината, перпендикулярна на ъгъла на падане.

Илюстрация на закона на Брустър.

Изследователят отбелязва, че пречупеният лъч също е частично поляризиран в равнината на падане. При това не се отразява цялата светлина, а част от нея се отделя в пречупения лъч. Ъгълът на Брюстър е ъгълът, под който отразена светлина е напълно поляризиран. Отразените и пречупените лъчи са перпендикулярни един на друг.

За да се разбере причината за това явление, трябва да се знае следното:

1. При всяка електромагнитна вълна трептенията на електрическото поле са винаги перпендикулярни на посоката на движението му.
2. Процесът е разделен на два етапа. В първия случай падащата вълна предизвиква смущение на диелектричните молекули, а във втория има пречупени и отразени вълни.

Ако използваме в експеримента една плочка от кварц или друг подходящ минерал, интензивността на плоско поляризирана светлина ще бъде малък (от порядъка на 4% от общия интензитет). Но ако използвате купчина плочи, можете да постигнете значително увеличение на производителността.

Между другото! Законът на Брюстър може да бъде изведен и чрез формулите на Френел.

Поляризация на светлината от кристал

Нормалните диелектрици са анизотропни и характеристиките на светлината, която попада върху тях, зависят главно от ъгъла на падане. Кристалите имат различни свойства, а когато светлината попадне върху тях, може да се наблюдава двулъчев ефект. Това се проявява по следния начин: при преминаване през структурата се образуват два пречупени лъча, които се движат в различни посоки и скоростите им също са различни.

Най-често в експериментите се използват едноосни кристали. Един от лъчите на пречупване се подчинява на стандартните закони и се нарича обикновен. Вторият лъч се формира по различен начин, нарича се извънреден, защото особеностите на неговото пречупване не съответстват на обичайните канони.

Така изглежда двойната рефракция на диаграмата.

Ако завъртите кристала, обикновеният лъч ще остане непроменен, а необикновеният ще се движи по окръжността му. Калцитът или исландският фелдшпат се използват най-често при експерименти, тъй като са подходящи за изследвания.

Между другото! Ако погледнете заобикалящата ви среда през кристал, очертанията на всички обекти ще се раздвояват.

Въз основа на експерименти с кристали Етиен Луи Малус формулира закон през 1810 г. през 1810 г., който е кръстен на него. Той извежда ясна зависимост на линейно поляризираната светлина, след като е преминала през поляризатор, изработен от кристали. Интензитетът на лъча след преминаването му през кристала намалява пропорционално на квадрата на косинуса на ъгъла, образуван между поляризационната равнина на входящия лъч и филтъра.

Видео урок: Поляризация на светлината, физика за 11. клас.

Практически приложения на поляризацията на светлината

Въпросното явление се използва в ежедневието много по-често, отколкото изглежда. Познаването на законите за разпространение на електромагнитните вълни е помогнало за създаването на различни съоръжения. Основните опции са следните:

1. Специалните поляризиращи филтри за фотоапарати ви позволяват да се отървете от отблясъците при снимане.
2. Очилата с този ефект често се използват от шофьорите, тъй като премахват отблясъците от фаровете на насрещно движещите се автомобили. В резултат на това дори дългите светлини не заслепяват водача, което повишава безопасността.
   Липсата на отблясъци се дължи на ефекта на поляризация.
3. Оборудването, използвано в геофизиката, позволява да се изследват свойствата на облачните маси. Използва се и за изследване на поляризацията на слънчевата светлина при преминаването ѝ през облаци.
4. Специално оборудване, което прави снимки на космически мъглявини в поляризирана светлина, помага за изучаване на особеностите на магнитните полета, които възникват там.
5. В машиностроенето се използва така нареченият фотоеластичен метод. Той може да се използва за ясно определяне на напреженията, възникващи в компонентите и възлите.
6. Оборудването се използва в театрални постановки, както и в концертни декори. Друго приложение е във витрини и изложбени щандове.
7. Устройства, които определят нивото на кръвната захар на човека. Те работят, като определят ъгъла на завъртане на поляризационната равнина.
8. Много предприятия от хранително-вкусовата промишленост използват оборудване за определяне на концентрацията на един или друг разтвор. Съществуват и устройства, които могат да наблюдават протеини, захари и органични киселини чрез прилагане на поляризационни свойства.
9. 3D кинематографията работи именно чрез използването на феномена, разгледан в тази статия.

Между другото! Познатите течнокристални монитори и телевизори също работят на базата на поляризиран поток.

Познаването на основните характеристики на поляризацията помага да се обяснят много от ефектите, които се наблюдават по света. Това е и феномен, който намира широко приложение в науката, технологиите, медицината, фотографията, киното и много други области.