Mikä on valon polarisaatio ja sen käytännön soveltaminen

Polarisoitunut valo eroaa tavallisesta valosta sen etenemisessä. Se löydettiin melko kauan sitten, ja sitä käytetään sekä fysikaalisissa kokeissa että jokapäiväisessä elämässä joidenkin mittausten suorittamiseen. Polarisaatioilmiön ymmärtäminen ei ole vaikeaa, ja se auttaa ymmärtämään, miten tietyt laitteet toimivat ja miksi valo ei etene tietyissä olosuhteissa normaalisti.

Vertaa valokuvaa polarisaatiosuodattimen kanssa ja ilman, jälkimmäisessä tapauksessa häikäisyä ei juuri ole.

Mikä on valon polarisaatio

Valon polarisaatio osoittaa, että valo on poikittaisaalto. Toisin sanoen puhumme sähkömagneettisten aaltojen polarisaatiosta yleensä, ja valo on yksi niistä lajeista, joiden ominaisuudet noudattavat yleisiä sääntöjä.

Polarisaatio on sellaisten poikittaisaaltojen ominaisuus, joiden värähtelyvektori on aina kohtisuorassa valon tai jonkin muun aineen etenemissuuntaan nähden. Eli jos eristät valonsäteet, joilla on sama polarisaatiovektori, kyseessä on polarisaatioilmiö.

Useimmiten näemme ympärillämme polarisoitumatonta valoa, sillä sen voimakkuusvektori liikkuu kaikkiin mahdollisiin suuntiin. Jotta se saadaan polarisoitua, se johdetaan anisotrooppisen väliaineen läpi, joka katkaisee kaikki värähtelyt ja jättää vain yhden.

Tavallisen ja polarisoidun valon vertailu.

Kuka löysi ilmiön ja mitä se todistaa

Kyseistä käsitettä käytti ensimmäisenä kuuluisa brittiläinen tiedemies И. Newton vuonna 1706.. Mutta toinen tutkija selitti sen luonteen. James Maxwell.. Tuolloin valoaaltojen luonnetta ei vielä tunnettu, mutta kun erilaisia tosiasioita ja kokeiden tuloksia kertyi, sähkömagneettisten aaltojen poikittaisluonteesta saatiin yhä enemmän todisteita.

Ensimmäisenä tällä alueella teki kokeita hollantilainen tutkimusmatkailija Huygens vuonna 1690.. Hän johdatti valoa islantilaisen sparrauslevyn läpi ja havaitsi sen seurauksena säteen poikittaisen anisotropian.

Ensimmäisen todisteen valon polarisaatiosta fysiikassa sai ranskalainen tutkija Э. Malus. Hän käytti kahta turmaliinilevyä ja johti lopulta hänen mukaansa nimettyyn lakiin. Lukuisten kokeiden ansiosta todistettiin valoaaltojen poikittaisluonne, mikä auttoi selittämään niiden luonteen ja etenemisominaisuudet.

Mistä valon polarisaatio tulee ja miten se saadaan itse aikaan

Suurin osa näkemästämme valosta ei ole polarisoitunutta. Sun, keinovaloa - Valovirta, jonka vektori värähtelee eri suuntiin, etenee kaikkiin suuntiin ilman rajoituksia.

Polarisoitunut valo näkyy, kun se on kulkenut anisotrooppisen väliaineen läpi, jolla voi olla erilaisia ominaisuuksia. Tämä väline poistaa suurimman osan värähtelyistä, jolloin jäljelle jää vain yksi, joka tuottaa halutun vaikutuksen.

Yleisin polarisaattori on kristalli. Aikaisemmin käytettiin lähinnä luonnonmateriaaleja (esim. turmaliinia), mutta nykyään on olemassa monia keinotekoisia vaihtoehtoja.

Polarisoitunutta valoa voidaan tuottaa myös heijastumalla mistä tahansa dielektrisestä aineesta. Ajatuksena on, että kun valo osuu valovirta kahden väliaineen yhtymäkohdassa se taittuu. Tämä voidaan helposti havaita asettamalla kynä tai putki vesilasiin.

Tätä periaatetta käytetään polarisaatiomikroskoopeissa.

Valon taittumisilmiössä osa säteistä polarisoituu. Tämän vaikutuksen laajuus riippuu sijainnista valonlähde ja valon tulokulma suhteessa taitekohtaan.

Polarisoidun valon tuottamiseen käytetään olosuhteista riippumatta yhtä kolmesta vaihtoehdosta:

1. Nicolas prisma. Nimetty skotlantilaisen tutkimusmatkailija Nicolas Williamin mukaan, joka keksi sen vuonna 1828. Hän kokeili pitkään ja pystyi 11 vuoden kuluttua valmistamaan valmiin laitteen, joka on edelleen käytössä muuttumattomana.
2. Heijastuminen dielektrisestä aineesta. Tässä yhteydessä on erittäin tärkeää löytää optimaalinen kohtauskulma ja ottaa huomioon, kuinka paljon taittuminen (Mitä suurempi on näiden kahden väliaineen välinen läpäisykyvyn ero, sitä enemmän säteet taittuvat).
3. Anisotrooppisen väliaineen käyttö. Tähän tarkoitukseen valitaan useimmiten kiteet, joilla on sopivia ominaisuuksia. Jos niihin kohdistetaan valovirta, ulostulossa voidaan havaita samansuuntainen erottuminen.

Valon polarisaatio heijastuksen ja taittumisen avulla kahden dielektrisen aineen rajapinnassa

Tämän optisen ilmiön löysi skotlantilainen fyysikko David Brewster vuonna 1815.. Hänen johtamansa laki osoitti kahden dielektrisen aineen indeksien korrelaation tietyssä valon tulokulmassa. Jos olosuhteet on valittu, kahden väliaineen liitoskohdasta heijastuvat säteet polarisoituvat tasossa, joka on kohtisuorassa osumakulmaan nähden.

Havainnollistus Brewsterin laista.

Tutkija totesi, että taittunut säde on myös osittain polarisoitunut osumistasossa. Tämä ei heijasta kaikkea valoa, vaan osa siitä karkaa taittuneeseen säteen. Brewsterin näkökulma on kulma, jossa heijastunut valo on täysin polarisoitunut. Heijastuneet ja taittuneet säteet ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan.

Ymmärtääkseen tämän ilmiön syyn on tiedettävä seuraavat asiat:

1. Kaikissa sähkömagneettisissa aalloissa sähkökentän värähtely on aina kohtisuorassa sen liikesuuntaan nähden.
2. Prosessi on jaettu kahteen vaiheeseen. Ensimmäisessä aalto aiheuttaa häiriöitä dielektrisissä molekyyleissä, ja toisessa aallot taittuvat ja heijastuvat.

Jos käytämme kokeessa yhtä kvartsilevyä tai muuta sopivaa mineraalia, intensiteetti tasopolaroidun valon on pieni (noin 4 % kokonaisintensiteetistä). Mutta jos käytät levypinoa, voit lisätä suorituskykyä merkittävästi.

Muuten! Brewsterin laki voidaan johtaa myös Fresnelin kaavojen avulla.

Valon polarisaatio kiteen avulla

Normaalit dielektriset aineet ovat anisotrooppisia, ja niihin osuvan valon ominaisuudet riippuvat pääasiassa osumakulmasta. Kiteillä on erilaisia ominaisuuksia, ja kun valo osuu niihin, voidaan havaita kaksoishäiritsevä vaikutus. Tämä ilmenee seuraavalla tavalla: rakenteen läpi kulkiessaan muodostuu kaksi taittunutta sädettä, jotka kulkevat eri suuntiin ja joiden nopeudet ovat myös erilaiset.

Kokeissa käytetään useimmiten yksiakselisia kiteitä. Yksi taitekeiloista noudattaa vakiolakeja, ja sitä kutsutaan tavalliseksi. Toinen säde muodostuu eri tavalla, sitä kutsutaan poikkeukselliseksi, koska sen taittumisen erityispiirteet eivät vastaa tavanomaisia kaanoneita.

Kaksoisrefraktio näyttää kaavion mukaan tältä.

Jos käännät kristallia, tavallinen säde pysyy ennallaan ja poikkeuksellinen säde liikkuu kehän ympäri. Kokeissa käytetään useimmiten kalsiittia tai islantilaista maasälpää, koska ne soveltuvat hyvin tutkimukseen.

Muuten! Jos katsot ympäristöäsi kristallin läpi, kaikkien esineiden ääriviivat haarautuvat.

Kiteillä tehtyjen kokeiden perusteella Etienne Louis Malus muotoili vuonna 1810 lain, jossa säädetään vuonna 1810, joka on nimetty hänen mukaansa. Hän sai selvän riippuvuuden lineaarisesti polarisoidusta valosta sen jälkeen, kun se oli kulkenut kiteistä valmistetun polarisaattorin läpi. Kiteen läpi kulkevan säteen intensiteetti pienenee suhteessa saapuvan säteen polarisaatiotason ja suodattimen välisen kulman kosinuksen neliöön.

Videotunti: Valon polarisaatio, 11. luokan fysiikka.

Valon polarisaation käytännön sovellukset

Kyseistä ilmiötä käytetään jokapäiväisessä elämässä paljon useammin kuin miltä näyttää. Sähkömagneettisten aaltojen etenemisen lakien tuntemus on auttanut erilaisten laitteiden luomisessa. Tärkeimmät vaihtoehdot ovat seuraavat:

1. Kameroiden erityisten polarisoivien suodattimien avulla pääset eroon häikäisystä kuvia ottaessasi.
2. Kuljettajat käyttävät usein tämän vaikutuksen omaavia laseja, sillä ne poistavat vastaantulevien ajovalojen häikäisyn. Tämän ansiosta kaukovalotkaan eivät häikäise kuljettajaa, mikä parantaa turvallisuutta.
   Häikäisyn puuttuminen johtuu polarisaatiovaikutuksesta.
3. Geofysiikassa käytettävien laitteiden avulla voidaan tutkia pilvimassojen ominaisuuksia. Sitä käytetään myös tutkimaan auringonvalon polarisaatiokuvioita sen kulkiessa pilvien läpi.
4. Erikoislaitteet, jotka ottavat kuvia kosmisista tähtisumuista polarisoidussa valossa, auttavat tutkimaan niissä syntyvien magneettikenttien erityispiirteitä.
5. Konetekniikassa käytetään niin sanottua fotoelastista menetelmää. Sen avulla voidaan selvästi tunnistaa komponenteissa ja kokoonpanoissa esiintyvät jännitykset.
6. Laitteet käytetään teatteriesityksissä sekä konserttikoristeluissa. Toinen käyttökohde ovat vitriinit ja näyttelytelineet.
7. Laitteet, joilla määritetään henkilön verensokeritaso. Ne toimivat määrittämällä polarisaatiotason kiertokulman.
8. Monet elintarviketeollisuuden yritykset käyttävät laitteita, joilla voidaan määrittää jonkin liuoksen pitoisuus. On myös laitteita, joilla voidaan seurata proteiineja, sokereita ja orgaanisia happoja käyttämällä polarisaatio-ominaisuuksia.
9. 3D-elokuvanteko toimii juuri tässä artikkelissa käsitellyn ilmiön avulla.

Muuten! Myös tutut nestekidenäytöt ja televisiovastaanottimet toimivat polarisoidun valon perusteella.

Polarisoitumisen peruspiirteiden tunteminen auttaa selittämään monia eri puolilla maailmaa havaittuja vaikutuksia. Se on myös ilmiö, jota käytetään laajalti tieteessä, tekniikassa, lääketieteessä, valokuvauksessa, elokuvissa ja monilla muilla aloilla.