Was ist Lichtpolarisation und ihre praktische Anwendung?

Polarisiertes Licht unterscheidet sich in seiner Ausbreitung von normalem Licht. Es wurde schon vor langer Zeit entdeckt und wird sowohl für physikalische Experimente als auch im Alltag für Messungen verwendet. Das Phänomen der Polarisation zu verstehen, ist nicht schwer. Es hilft zu verstehen, wie einige Geräte funktionieren und warum sich das Licht unter bestimmten Bedingungen nicht so ausbreitet, wie es normalerweise der Fall ist.

Vergleichen Sie das Foto mit und ohne Polarisationsfilter, im letzteren Fall gibt es kaum Blendung.

Was ist Lichtpolarisation?

Die Polarisation des Lichts beweist, dass das Licht eine Transversalwelle ist. Das heißt, es geht um die Polarisation elektromagnetischer Wellen im Allgemeinen, und das Licht ist eine der Arten, deren Eigenschaften allgemeinen Regeln gehorchen.

Die Polarisation ist die Eigenschaft von Transversalwellen, deren Schwingungsvektor immer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts oder einer anderen Sache steht. Das heißt, wenn man Lichtstrahlen mit dem gleichen Polarisationsvektor isoliert, ist das das Phänomen der Polarisation.

Meistens sehen wir um uns herum unpolarisiertes Licht, da es einen Vektor der Intensität hat, der sich in alle möglichen Richtungen bewegt. Um es zu polarisieren, wird es durch ein anisotropes Medium geleitet, das alle Schwingungen abschneidet und nur eine übrig lässt.

Ein Vergleich von normalem und polarisiertem Licht.

Wer das Phänomen entdeckt hat und was es beweist

Das fragliche Konzept wurde erstmals von dem berühmten britischen Wissenschaftler И. Newton im Jahr 1706.. Aber es war ein anderer Forscher, der seine Natur erklärte. James Maxwell.. Damals war die Natur der Lichtwellen noch nicht bekannt, aber mit der Anhäufung verschiedener Fakten und der Ergebnisse verschiedener Experimente wurden immer mehr Beweise für die transversale Natur der elektromagnetischen Wellen gefunden.

Der erste, der in diesem Bereich experimentierte, war der niederländische Entdecker Huygens, im Jahr 1690.. Er leitete Licht durch eine Platte aus isländischem Spat und entdeckte dabei die transversale Anisotropie des Strahls.

Der erste Nachweis der Polarisation des Lichts in der Physik wurde von dem französischen Forscher Э. Malus. Er verwendete zwei Turmalinplatten und leitete schließlich das nach ihm benannte Gesetz ab. Dank zahlreicher Experimente konnte die transversale Natur der Lichtwellen nachgewiesen werden, was dazu beitrug, ihre Natur und ihre Ausbreitungseigenschaften zu erklären.

Woher kommt die Polarisation des Lichts und wie kann man sie selbst erzeugen?

Das meiste Licht, das wir sehen, ist nicht polarisiert. Sonne, Kunstlicht - Ein Lichtstrahl, dessen Vektor in verschiedene Richtungen schwingt, breitet sich ohne jede Einschränkung in alle Richtungen aus.

Polarisiertes Licht erscheint, nachdem es ein anisotropes Medium durchquert hat, das unterschiedliche Eigenschaften haben kann. Dieses Medium beseitigt die meisten Schwingungen, so dass nur eine übrig bleibt, die die gewünschte Wirkung erzielt.

Der gebräuchlichste Polarisator sind Kristalle. Während in der Vergangenheit hauptsächlich natürliche Materialien (z. B. Turmalin) verwendet wurden, gibt es heute viele künstlich hergestellte Optionen.

Polarisiertes Licht kann auch durch Reflexion an einem beliebigen Dielektrikum erzeugt werden. Die Idee ist, dass das Licht auf die Lichtstrom An der Schnittstelle der beiden Medien wird es gebrochen. Dies lässt sich leicht feststellen, indem man einen Bleistift oder ein Rohr in ein Glas Wasser legt.

Dieses Prinzip wird in Polarisationsmikroskopen verwendet.

Beim Phänomen der Lichtbrechung wird ein Teil der Strahlen polarisiert. Das Ausmaß dieses Effekts hängt von der Position Lichtquelle und der Einfallswinkel des Lichts in Bezug auf den Brechungsort.

Was die Art der Erzeugung von polarisiertem Licht angeht, so wird unabhängig von den Bedingungen eine von drei Varianten verwendet:

1. Nikolausprisma. Benannt nach dem schottischen Entdecker Nicolas William, der sie 1828 erfand. Er experimentierte lange und war nach 11 Jahren in der Lage, ein fertiges Gerät herzustellen, das heute noch unverändert in Gebrauch ist.
2. Reflexion an einem Dielektrikum. Hier ist es sehr wichtig, den optimalen Einfallswinkel zu finden und den Grad der der Brechung (Je größer der Unterschied im Transmissionsgrad zwischen den beiden Medien ist, desto stärker werden die Strahlen gebrochen).
3. Verwendung eines anisotropen Mediums. Meistens werden zu diesem Zweck Kristalle mit geeigneten Eigenschaften ausgewählt. Richtet man einen Lichtstrom auf sie, so kann man am Ausgang eine parallele Trennung beobachten.

Polarisation von Licht durch Reflexion und Brechung an der Grenzfläche zweier Dielektrika

Dieses optische Phänomen wurde von einem schottischen Physiker entdeckt von David Brewster im Jahr 1815.. Das von ihm abgeleitete Gesetz zeigte die Korrelation der Indizes zweier Dielektrika bei einem bestimmten Lichteinfallswinkel. Unter diesen Bedingungen werden die Strahlen, die von der Verbindungsstelle der beiden Medien reflektiert werden, in der Ebene senkrecht zum Einfallswinkel polarisiert.

Eine Illustration des Brewsterschen Gesetzes.

Der Forscher stellte fest, dass der gebrochene Strahl auch in der Einfallsebene teilweise polarisiert ist. Dadurch wird nicht das gesamte Licht reflektiert, sondern ein Teil des Lichts entweicht in den gebrochenen Strahl. Der Brewster-Winkel ist der Winkel, unter dem reflektiertes Licht ist vollständig polarisiert. Die reflektierten und gebrochenen Strahlen stehen senkrecht zueinander.

Um den Grund für dieses Phänomen zu verstehen, muss man Folgendes wissen:

1. Bei jeder elektromagnetischen Welle steht die Schwingung des elektrischen Feldes immer senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle.
2. Das Verfahren ist in zwei Phasen unterteilt. Im ersten Fall verursacht die einfallende Welle eine Störung der dielektrischen Moleküle, im zweiten Fall kommt es zu gebrochenen und reflektierten Wellen.

Wenn wir im Experiment eine einzelne Platte aus Quarz oder einem anderen geeigneten Mineral verwenden, die Intensität von planar polarisiertem Licht wird gering sein (in der Größenordnung von 4 % der Gesamtintensität). Wenn Sie jedoch einen Stapel von Platten verwenden, können Sie eine erhebliche Leistungssteigerung erzielen.

Apropos! Das Brewstersche Gesetz kann auch mit Hilfe der Fresnelschen Formeln abgeleitet werden.

Polarisation von Licht durch einen Kristall

Herkömmliche Dielektrika sind anisotrop und die Eigenschaften des Lichts, das auf sie trifft, hängen hauptsächlich vom Einfallswinkel ab. Kristalle haben unterschiedliche Eigenschaften, wenn Licht auf sie trifft, kann ein doppelbrechender Effekt beobachtet werden. Dies äußert sich folgendermaßen: Aus der Struktur treten zwei gebrochene Strahlen aus, die in unterschiedliche Richtungen gehen und deren Geschwindigkeiten ebenfalls unterschiedlich sind.

Einachsige Kristalle werden am häufigsten für Experimente verwendet. Einer der Strahlen der Brechung gehorcht den Standardgesetzen und wird als gewöhnlich bezeichnet. Das zweite Strahlenbündel ist anders geformt, es wird außerordentlich genannt, weil die Eigenheiten seiner Brechung nicht den üblichen Kanonen entsprechen.

So sieht die Doppelbrechung im Diagramm aus.

Wenn Sie den Kristall drehen, bleibt der gewöhnliche Strahl unverändert und der außergewöhnliche Strahl bewegt sich um den Umfang. Calcit oder Isländischer Feldspat werden am häufigsten für Experimente verwendet, da sie sich gut für die Forschung eignen.

Übrigens! Wenn Sie Ihre Umgebung durch einen Kristall betrachten, verzweigen sich die Umrisse aller Objekte.

Auf der Grundlage von Experimenten mit Kristallen Etienne Louis Malus formulierte im Jahr 1810 ein Gesetz im Jahr 1810, die nach ihm benannt ist. Er leitete eine deutliche Abhängigkeit von linear polarisiertem Licht ab, nachdem es einen Polarisator aus Kristallen durchlaufen hatte. Die Intensität des Strahls nimmt nach dem Durchgang durch den Kristall proportional zum Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen der Polarisationsebene des einfallenden Strahls und dem Filter ab.

Videolektion: Polarisation des Lichts, 11. Klasse Physik.

Praktische Anwendungen der Lichtpolarisation

Das fragliche Phänomen kommt im Alltag viel häufiger vor, als es scheint. Die Kenntnis der Gesetze der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen hat zur Entwicklung verschiedener Geräte beigetragen. Die wichtigsten Optionen sind folgende:

1. Mit speziellen Polarisationsfiltern für Kameras können Sie die Blendung beim Fotografieren beseitigen.
2. Brillen mit diesem Effekt werden häufig von Autofahrern verwendet, da sie die Blendung durch entgegenkommende Scheinwerfer verhindern. So kann auch das Fernlicht den Fahrer nicht blenden, was die Sicherheit erhöht.
   Das Fehlen von Blendung ist auf den Polarisationseffekt zurückzuführen.
3. Die in der Geophysik verwendeten Geräte ermöglichen es, die Eigenschaften von Wolkenmassen zu untersuchen. Es wird auch verwendet, um die Polarisationsmuster des Sonnenlichts beim Durchgang durch Wolken zu untersuchen.
4. Spezielle Geräte, die Bilder von kosmischen Nebeln in polarisiertem Licht aufnehmen, helfen bei der Untersuchung der Besonderheiten der dort entstehenden Magnetfelder.
5. Im Maschinenbau wird die so genannte photoelastische Methode verwendet. Mit ihr lassen sich die in Bauteilen und Baugruppen auftretenden Spannungen eindeutig identifizieren.
6. Die Ausrüstung verwendet wird in Theaterproduktionen sowie in Konzertdekorationen. Eine weitere Anwendung ist der Einsatz in Vitrinen und Ausstellungsständen.
7. Geräte zur Bestimmung des Blutzuckerspiegels einer Person. Sie funktionieren durch die Bestimmung des Drehwinkels der Polarisationsebene.
8. Viele Unternehmen der Lebensmittelindustrie verwenden Geräte, die die Konzentration der einen oder anderen Lösung bestimmen können. Es gibt auch Geräte, die Proteine, Zucker und organische Säuren durch die Anwendung von Polarisationseigenschaften überwachen können.
9. Die 3D-Kinematografie funktioniert genau durch die Nutzung des in diesem Artikel beschriebenen Phänomens.

Übrigens! Auch die bekannten Flüssigkristallmonitore und Fernsehgeräte funktionieren auf der Grundlage des polarisierten Flusses.

Die Kenntnis der grundlegenden Merkmale der Polarisation hilft, viele der weltweit festgestellten Effekte zu erklären. Es ist auch ein Phänomen, das in Wissenschaft, Technik, Medizin, Fotografie, Kino und vielen anderen Bereichen weit verbreitet ist.