Cos'è la polarizzazione della luce e la sua applicazione pratica

La luce polarizzata differisce dalla luce standard nella sua propagazione. È stato scoperto molto tempo fa e viene utilizzato sia per esperimenti fisici che nella vita quotidiana per eseguire alcune misurazioni. Comprendere il fenomeno della polarizzazione non è difficile, aiuta a capire come funzionano certi dispositivi e perché la luce non si propaga come fa normalmente in certe condizioni.

Confrontate la foto con e senza filtro polarizzatore, in quest'ultimo caso non c'è quasi nessun riflesso.

Cos'è la polarizzazione della luce

La polarizzazione della luce dimostra che la luce è un'onda trasversale. Cioè, stiamo parlando della polarizzazione delle onde elettromagnetiche in generale, e la luce è una delle varietà le cui proprietà obbediscono a regole generali.

La polarizzazione è la proprietà delle onde trasversali il cui vettore di oscillazione è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione della luce o altro. Cioè, se si isolano i raggi di luce con lo stesso vettore di polarizzazione, questo sarebbe il fenomeno della polarizzazione.

Il più delle volte, vediamo intorno a noi una luce non polarizzata, perché ha un vettore d'intensità che si muove in tutte le direzioni possibili. Per renderla polarizzata, viene fatta passare attraverso un mezzo anisotropo, che taglia tutte le vibrazioni e ne lascia solo una.

Un confronto tra luce ordinaria e polarizzata.

Chi ha scoperto il fenomeno e cosa dimostra

Il concetto in questione fu usato per la prima volta dal famoso scienziato britannico И. Newton nel 1706.. Ma è stato un altro ricercatore a spiegarne la natura. James Maxwell.. All'epoca non si conosceva la natura delle onde luminose, ma man mano che si accumulavano vari fatti e i risultati di vari esperimenti, emergevano sempre più prove della natura trasversale delle onde elettromagnetiche.

Il primo a sperimentare in questo settore fu l'esploratore olandese Huygens, nel 1690.. Ha fatto passare la luce attraverso una lastra di longherone islandese e come risultato ha scoperto l'anisotropia trasversale del fascio.

La prima prova della polarizzazione della luce in fisica fu ottenuta dal ricercatore francese Э. Malus. Ha usato due piastre di tormalina e alla fine ha derivato la legge che porta il suo nome. Grazie a numerosi esperimenti, fu dimostrata la natura trasversale delle onde luminose, il che aiutò a spiegare la loro natura e le loro caratteristiche di propagazione.

Da dove viene la polarizzazione della luce e come ottenerla

La maggior parte della luce che vediamo non è polarizzata. Sole, luce artificiale - Un flusso di luce con un vettore che oscilla in diverse direzioni, si propaga in tutte le direzioni senza alcuna limitazione.

La luce polarizzata appare dopo che è passata attraverso un mezzo anisotropo, che può avere diverse proprietà. Questo mezzo rimuove la maggior parte delle vibrazioni, lasciandone solo una, che fornisce l'effetto desiderato.

Il polarizzatore più comune è il cristallo. Mentre in passato si usavano soprattutto materiali naturali (per esempio la tormalina), ora ci sono molte opzioni fatte dall'uomo.

La luce polarizzata può anche essere prodotta dalla riflessione di qualsiasi dielettrico. L'idea è che quando la luce colpisce flusso luminoso alla giunzione dei due mezzi, viene rifratta. Questo può essere facilmente visto mettendo una matita o un tubo in un bicchiere d'acqua.

Questo principio è utilizzato nei microscopi a polarizzazione.

Nel fenomeno della rifrazione della luce, una parte dei raggi è polarizzata. La portata di questo effetto dipende dalla posizione fonte di luce e l'angolo di incidenza della luce rispetto al luogo di rifrazione.

Per quanto riguarda il metodo di produzione della luce polarizzata, si utilizza una delle tre varianti, indipendentemente dalle condizioni:

1. Prisma Nicolas. Prende il nome dall'esploratore scozzese Nicolas William, che lo inventò nel 1828. Ha sperimentato a lungo e dopo 11 anni è stato in grado di produrre un dispositivo finito, che è ancora in uso oggi, invariato.
2. Riflessione da un dielettrico. Qui è molto importante trovare l'angolo di incidenza ottimale e considerare il grado di di rifrazione (Maggiore è la differenza di trasmittanza tra i due mezzi, più i raggi vengono rifratti).
3. Utilizzando un mezzo anisotropo. Il più delle volte vengono selezionati cristalli con proprietà adatte a questo scopo. Se il flusso di luce è diretto verso di loro, si può osservare una separazione parallela all'uscita.

Polarizzazione della luce per riflessione e rifrazione all'interfaccia di due dielettrici

Questo fenomeno ottico è stato scoperto dal fisico scozzese da David Brewster nel 1815.. La legge da lui derivata mostrava la correlazione degli indici di due dielettrici ad un certo angolo di incidenza della luce. Se le condizioni sono scelte, i raggi riflessi dalla giunzione dei due mezzi saranno polarizzati nel piano perpendicolare all'angolo di incidenza.

Un'illustrazione della legge di Brewster.

Il ricercatore ha notato che il fascio rifratto è anche parzialmente polarizzato nel piano di incidenza. Questo non riflette tutta la luce, una parte di essa sfugge nel fascio rifratto. L'angolo di Brewster è l'angolo in cui luce riflessa è completamente polarizzato. I raggi riflessi e rifratti sono perpendicolari tra loro.

Per capire la ragione di questo fenomeno, bisogna sapere quanto segue:

1. In qualsiasi onda elettromagnetica, l'oscillazione del campo elettrico è sempre perpendicolare alla direzione del suo moto.
2. Il processo è diviso in due fasi. Nel primo, l'onda incidente causa una perturbazione delle molecole dielettriche, e nel secondo, ci sono onde rifratte e riflesse.

Se usiamo nell'esperimento una singola lastra di quarzo o un altro minerale adatto, l'intensità di luce polarizzata piana sarà piccola (dell'ordine del 4% dell'intensità totale). Ma se si usa una pila di piastre, si può ottenere un aumento significativo delle prestazioni.

A proposito! La legge di Brewster può anche essere derivata usando le formule di Fresnel.

Polarizzazione della luce da parte di un cristallo

I dielettrici convenzionali sono anisotropi e le caratteristiche della luce che li colpisce dipendono principalmente dall'angolo di incidenza. I cristalli hanno proprietà diverse, quando la luce li colpisce, si può osservare un effetto birifrangente. Questo si manifesta nel modo seguente: si formano due fasci rifratti quando passano attraverso la struttura; vanno in direzioni diverse e anche le loro velocità sono diverse.

I cristalli ad asse singolo sono usati più spesso negli esperimenti. Uno dei fasci di rifrazione obbedisce alle leggi standard ed è chiamato ordinario. Il secondo raggio è formato in modo diverso, è chiamato straordinario, perché le peculiarità della sua rifrazione non corrispondono ai canoni abituali.

Questo è l'aspetto della doppia rifrazione nel diagramma.

Se si ruota il cristallo, il raggio ordinario rimarrà invariato e il raggio straordinario si muoverà intorno alla circonferenza. La calcite o il feldspato islandese sono usati più spesso negli esperimenti, poiché sono adatti alla ricerca.

A proposito! Se si guarda l'ambiente circostante attraverso un cristallo, i contorni di tutti gli oggetti si biforcano.

Sulla base di esperimenti con i cristalli Etienne Louis Malus formulò una legge nel 1810 nel 1810, che porta il suo nome. Ha derivato una chiara dipendenza della luce polarizzata linearmente dopo che è passata attraverso un polarizzatore fatto di cristalli. L'intensità del fascio dopo aver attraversato il cristallo diminuisce in proporzione al quadrato del coseno dell'angolo formato tra il piano di polarizzazione del fascio in entrata e il filtro.

Video lezione: Polarizzazione della luce, fisica di grado 11.

Applicazioni pratiche della polarizzazione della luce

Il fenomeno in questione è usato nella vita quotidiana molto più spesso di quanto sembri. La conoscenza delle leggi della propagazione delle onde elettromagnetiche ha aiutato nella creazione di varie apparecchiature. Le opzioni principali sono le seguenti:

1. I filtri polarizzanti speciali per le macchine fotografiche permettono di sbarazzarsi dei riflessi quando si scattano le foto.
2. Gli occhiali con questo effetto sono spesso utilizzati dai conducenti, in quanto eliminano l'abbagliamento dei fari in arrivo. Di conseguenza, anche gli abbaglianti non possono abbagliare il conducente, aumentando la sicurezza.
   L'assenza di abbagliamento è dovuta all'effetto di polarizzazione.
3. L'attrezzatura utilizzata in geofisica permette di studiare le proprietà delle masse nuvolose. Viene anche usato per studiare i modelli di polarizzazione della luce solare quando passa attraverso le nuvole.
4. Un'attrezzatura speciale che fotografa le nebulose cosmiche in luce polarizzata aiuta a studiare le peculiarità dei campi magnetici che vi sorgono.
5. In ingegneria meccanica, si usa il cosiddetto metodo fotoelastico. Può essere usato per identificare chiaramente le sollecitazioni che si verificano nei componenti e negli assemblaggi.
6. L'attrezzatura è usato nelle produzioni teatrali e nelle decorazioni dei concerti. Un'altra applicazione è nelle vetrine e negli stand espositivi.
7. Dispositivi che determinano il livello di zucchero nel sangue di una persona. Funzionano determinando l'angolo di rotazione del piano di polarizzazione.
8. Molte imprese dell'industria alimentare usano l'attrezzatura in grado di determinare la concentrazione di una o un'altra soluzione. Ci sono anche dispositivi in grado di monitorare proteine, zuccheri e acidi organici attraverso l'applicazione delle proprietà di polarizzazione.
9. La cinematografia 3D funziona proprio attraverso l'uso del fenomeno discusso in questo articolo.

A proposito! Anche i familiari monitor a cristalli liquidi e i televisori funzionano sulla base del flusso polarizzato.

La conoscenza delle caratteristiche di base della polarizzazione aiuta a spiegare molti degli effetti riscontrati nel mondo. È anche un fenomeno ampiamente utilizzato nella scienza, nella tecnologia, nella medicina, nella fotografia, nel cinema e in molti altri campi.