Co je to polarizace světla a její praktické využití

Polarizované světlo se od běžného světla liší svým šířením. Byl objeven již poměrně dávno a používá se jak pro fyzikální experimenty, tak v každodenním životě k provádění některých měření. Pochopení jevu polarizace není obtížné, pomáhá pochopit, jak fungují některá zařízení a proč se světlo za určitých podmínek nešíří tak, jak je obvyklé.

Porovnejte fotografii s polarizačním filtrem a bez něj, v druhém případě není téměř žádný odlesk.

Co je polarizace světla

Polarizace světla dokazuje, že světlo je příčné vlnění. To znamená, že hovoříme o polarizaci elektromagnetických vln obecně a světlo je jednou z odrůd, jejichž vlastnosti se řídí obecnými pravidly.

Polarizace je vlastnost příčných vln, jejichž vektor kmitání je vždy kolmý na směr šíření světla nebo něčeho jiného. To znamená, že pokud izolujete paprsky světla se stejným vektorem polarizace, jedná se o jev polarizace.

Nejčastěji kolem sebe vidíme nepolarizované světlo, které má vektor intenzity pohybující se všemi možnými směry. Aby se polarizovalo, prochází anizotropním prostředím, které odřízne všechny vibrace a ponechá pouze jednu.

Srovnání běžného a polarizovaného světla.

Kdo tento jev objevil a co to dokazuje

Tento pojem poprvé použil slavný britský vědec И. Newton v roce 1706.. Její podstatu však vysvětlil jiný badatel. James Maxwell.. V té době nebyla povaha světelných vln známa, ale jak se hromadila různá fakta a výsledky různých experimentů, objevovalo se stále více důkazů o příčné povaze elektromagnetických vln.

Prvním, kdo v této oblasti experimentoval, byl holandský badatel Huygens v roce 1690.. Procházel světlem přes desku islandského živce a díky tomu objevil příčnou anizotropii paprsku.

První důkaz polarizace světla ve fyzice získal francouzský badatel. Э. Malus. Použil dvě desky turmalínu a nakonec odvodil zákon, který je po něm pojmenován. Díky četným experimentům byla prokázána příčná povaha světelných vln, což pomohlo vysvětlit jejich povahu a vlastnosti šíření.

Odkud se bere polarizace světla a jak ji získat?

Většina světla, které vidíme, není polarizovaná. Ne, umělé světlo - Proud světla s vektorem kmitajícím v různých směrech se šíří všemi směry bez omezení.

Polarizované světlo se objeví po průchodu anizotropním prostředím, které může mít různé vlastnosti. Toto médium odstraňuje většinu vibrací a ponechává pouze jednu, která poskytuje požadovaný účinek.

Nejběžnějším polarizátorem jsou krystaly. Zatímco v minulosti se používaly převážně přírodní materiály (např. turmalín), dnes existuje mnoho umělých variant.

Polarizované světlo může vzniknout také odrazem od jakéhokoli dielektrika. Jde o to, že když světlo dopadá světelný tok na rozhraní obou médií se lomí. To lze snadno zjistit vložením tužky nebo trubičky do sklenice s vodou.

Tento princip se používá v polarizačních mikroskopech.

Při jevu lomu světla dochází k polarizaci části paprsků. Rozsah tohoto účinku závisí na poloze zdroj světla a úhel dopadu světla vzhledem k místu lomu.

Pokud jde o způsob výroby polarizovaného světla, používá se jedna ze tří variant bez ohledu na podmínky:

1. Nicolasův hranol. Pojmenována po skotském badateli Nicolasi Williamovi, který ji v roce 1828 vynalezl. Dlouho experimentoval a po 11 letech se mu podařilo vyrobit hotové zařízení, které se v nezměněné podobě používá dodnes.
2. Odraz od dielektrika. Zde je velmi důležité nalézt optimální úhel dopadu a zohlednit stupeň refrakce (Čím větší je rozdíl v propustnosti mezi oběma médii, tím více se paprsky lámou).
3. Použití anizotropního prostředí. K tomuto účelu se nejčastěji vybírají krystaly s vhodnými vlastnostmi. Pokud je na ně nasměrován světelný tok, lze na výstupu pozorovat paralelní oddělení.

Polarizace světla odrazem a lomem na rozhraní dvou dielektrik

Tento optický jev objevil skotský fyzik David Brewster v roce 1815.. Zákon, který odvodil, ukazuje korelaci indexů dvou dielektrik při určitém úhlu dopadu světla. Pokud jsou tyto podmínky zvoleny, paprsky odražené od rozhraní obou prostředí budou polarizovány v rovině kolmé k úhlu dopadu.

Ilustrace Brewsterova zákona.

Výzkumník si všiml, že lomený paprsek je v rovině dopadu také částečně polarizovaný. Ten neodráží všechno světlo, část ho uniká do lomeného paprsku. Brewsterův úhel pohledu je úhel, pod kterým odražené světlo je zcela polarizovaný. Odražené a lomené paprsky jsou na sebe kolmé.

Abychom pochopili příčinu tohoto jevu, musíme znát následující skutečnosti:

1. U každé elektromagnetické vlny je kmitání elektrického pole vždy kolmé na směr jeho pohybu.
2. Proces je rozdělen do dvou fází. V prvním případě způsobuje dopadající vlna rozrušení molekul dielektrika a ve druhém případě dochází k lomu a odrazu vln.

Použijeme-li při pokusu jednu destičku křemene nebo jiného vhodného minerálu, intenzita rovinně polarizovaného světla bude malá (řádově 4 % celkové intenzity). Pokud však použijete hromadu desek, můžete dosáhnout výrazného zvýšení výkonu.

Mimochodem! Brewsterův zákon lze také odvodit pomocí Fresnelových vzorců.

Polarizace světla krystalem

Normální dielektrika jsou anizotropní a vlastnosti světla, které na ně dopadá, závisí především na úhlu dopadu. Krystaly mají různé vlastnosti, při dopadu světla na ně lze pozorovat dvojlomný efekt. To se projevuje následujícím způsobem: při průchodu strukturou vznikají dva lomené paprsky, které jdou různými směry a jejich rychlosti jsou také různé.

Při experimentech se nejčastěji používají jednoosé krystaly. Jeden z paprsků lomu se řídí standardními zákony a nazývá se obyčejný. Druhý paprsek je tvořen jinak, nazývá se mimořádný, protože zvláštnosti jeho lomu neodpovídají obvyklým kánonům.

Takto vypadá dvojitá refrakce na obrázku.

Pokud krystalem otáčíte, obyčejný paprsek zůstane nezměněn, zatímco mimořádný paprsek se bude pohybovat po obvodu. Při pokusech se nejčastěji používá kalcit nebo islandský živec, které jsou vhodné pro výzkum.

Mimochodem! Pokud se na své okolí díváte skrze krystal, obrysy všech objektů se rozdvojí.

Na základě experimentů s krystaly Etienne Louis Malus formuloval v roce 1810 zákon. v roce 1810, který je po něm pojmenován. Odvodil jasnou závislost lineárně polarizovaného světla po průchodu polarizátorem z krystalů. Intenzita paprsku po průchodu krystalem klesá úměrně kvadrátu kosinu úhlu mezi rovinou polarizace vstupujícího paprsku a filtrem.

Video lekce: Polarizace světla, fyzika pro 11. třídu.

Praktické aplikace polarizace světla

Daný jev se v každodenním životě používá mnohem častěji, než se zdá. Znalost zákonů šíření elektromagnetických vln pomohla při vytváření různých zařízení. Hlavní možnosti jsou následující:

1. Speciální polarizační filtry pro fotoaparáty umožňují zbavit se odlesků při fotografování.
2. Brýle s tímto efektem často používají řidiči, protože odstraňují oslnění od protijedoucích světel. Díky tomu nemohou řidiče oslňovat ani dálková světla, což zvyšuje bezpečnost.
   Absence oslnění je způsobena polarizačním efektem.
3. Zařízení používané v geofyzice umožňuje studovat vlastnosti oblačných mas. Používá se také ke studiu polarizace slunečního světla při průchodu mraky.
4. Speciální zařízení, které pořizuje snímky kosmických mlhovin v polarizovaném světle, pomáhá studovat zvláštnosti magnetických polí, která v nich vznikají.
5. Ve strojírenství se používá tzv. fotoelastická metoda. Lze ji použít k jasné identifikaci napětí, která se vyskytují v součástech a sestavách.
6. Zařízení se používá v divadelních představeních i koncertních dekoracích. Další využití je ve vitrínách a výstavních stáncích.
7. Přístroje, které určují hladinu cukru v krvi. Fungují tak, že určují úhel natočení polarizační roviny.
8. Mnoho podniků potravinářského průmyslu používá zařízení, která jsou schopna stanovit koncentraci toho či onoho roztoku. Existují také zařízení, která jsou schopna monitorovat proteiny, cukry a organické kyseliny pomocí polarizačních vlastností.
9. 3D kinematografie funguje právě díky využití fenoménu, o kterém pojednává tento článek.

Mimochodem! Na základě polarizovaného toku fungují i známé monitory z tekutých krystalů a televizory.

Znalost základních rysů polarizace pomáhá vysvětlit mnoho jevů, které se vyskytují po celém světě. Je to také fenomén hojně využívaný ve vědě, technice, medicíně, fotografii, kinematografii a mnoha dalších oborech.