Kas yra šviesos poliarizacija ir jos praktinis pritaikymas

Poliarizuota šviesa skiriasi nuo standartinės šviesos savo sklidimu. Jis buvo atrastas gana seniai ir naudojamas tiek fizikiniuose eksperimentuose, tiek kasdieniame gyvenime atliekant tam tikrus matavimus. Suprasti poliarizacijos reiškinį nėra sunku, jis padeda suprasti, kaip veikia tam tikri prietaisai ir kodėl tam tikromis sąlygomis šviesa sklinda ne taip, kaip įprastai.

Palyginkite nuotrauką su poliarizaciniu filtru ir be jo - antruoju atveju beveik nėra atspindžių.

Kas yra šviesos poliarizacija

Šviesos poliarizacija įrodo, kad šviesa yra skersinė banga. Tai reiškia, kad kalbame apie elektromagnetinių bangų poliarizaciją apskritai, o šviesa yra viena iš atmainų, kurios savybės atitinka bendras taisykles.

Poliarizacija - tai skersinių bangų, kurių svyravimų vektorius visada statmenas šviesos ar ko nors kito sklidimo krypčiai, savybė. Tai reiškia, kad jei išskirsite šviesos spindulius su tuo pačiu poliarizacijos vektoriumi, tai ir bus poliarizacijos reiškinys.

Dažniausiai aplink save matome nepoliarizuotą šviesą, nes jos intensyvumo vektorius juda visomis įmanomomis kryptimis. Norint, kad jis būtų poliarizuotas, jis praleidžiamas per anizotropinę terpę, kuri nutraukia visus virpesius ir palieka tik vieną.

Paprastos ir poliarizuotos šviesos palyginimas.

Kas atrado šį reiškinį ir ką jis įrodo

Šią sąvoką pirmą kartą panaudojo garsus britų mokslininkas И. Niutonas 1706 m.. Tačiau jo prigimtį paaiškino kitas tyrėjas. Jamesas Maxwellas.. Tuo metu šviesos bangų prigimtis nebuvo žinoma, tačiau, kaupiantis įvairiems faktams ir įvairių eksperimentų rezultatams, atsirado vis daugiau įrodymų, kad elektromagnetinės bangos yra skersinės.

Pirmasis šioje srityje eksperimentavo olandų tyrinėtojas Huygensas 1690 m.. Jis praleido šviesą per Islandijos spyglių plokštelę ir nustatė skersinę spindulio anizotropiją.

Pirmąjį šviesos poliarizacijos įrodymą fizikoje pateikė prancūzų mokslininkas Э. Malus. Jis naudojo dvi turmalino plokšteles ir galiausiai išvedė jo vardu pavadintą dėsnį. Atlikus daugybę eksperimentų, buvo įrodytas šviesos bangų skersinis pobūdis, kuris padėjo paaiškinti jų sklidimo pobūdį ir savybes.

Iš kur atsiranda šviesos poliarizacija ir kaip ją gauti

Dauguma mūsų matomos šviesos nėra poliarizuota. Saulė, dirbtinė šviesa - Šviesos srautas, kurio vektorius svyruoja įvairiomis kryptimis, sklinda visomis kryptimis be jokių apribojimų.

Poliarizuota šviesa atsiranda perėjus per anizotropinę terpę, kuri gali turėti įvairių savybių. Ši terpė pašalina didžiąją dalį vibracijų, palikdama tik vieną, kuri suteikia norimą poveikį.

Labiausiai paplitęs poliarizatorius yra kristalai. Anksčiau dažniausiai buvo naudojamos natūralios medžiagos (pvz., turmalinas), o dabar yra daugybė dirbtinių medžiagų.

Poliarizuota šviesa taip pat gali atsirasti dėl atspindžio nuo bet kokio dielektriko. Idėja yra ta, kad kai šviesa patenka į šviesos srautas dviejų terpių sandūroje jis lūžta. Tai galima lengvai pastebėti įkišus pieštuką ar vamzdelį į stiklinę su vandeniu.

Šis principas naudojamas poliarizacijos mikroskopuose.

Lūžtant šviesai dalis spindulių yra poliarizuoti. Šio poveikio mastas priklauso nuo padėties šviesos šaltinis ir šviesos kritimo kampas lūžio vietos atžvilgiu.

Poliarizuotai šviesai gauti naudojamas vienas iš trijų variantų, nepriklausomai nuo sąlygų:

1. Nicolas prizmė. Pavadintas škotų tyrinėtojo Nicolaso Williamo, kuris 1828 m. jį išrado, vardu. Jis ilgai eksperimentavo ir po 11 metų pagamino galutinį prietaisą, kuris nepakeistas naudojamas iki šiol.
2. Atspindys nuo dielektriko. Šiuo atveju labai svarbu rasti optimalų kritimo kampą ir atsižvelgti į refrakcijos (Kuo didesnis dviejų terpių pralaidumo skirtumas, tuo labiau lūžta spinduliai).
3. Naudojant anizotropinę terpę. Šiam tikslui dažniausiai pasirenkami tinkamų savybių kristalai. Jei į juos nukreipiamas šviesos srautas, išėjime matomas lygiagretus atskyrimas.

Šviesos poliarizacija dėl atspindžio ir lūžio dviejų dielektrikų sąsajoje

Šį optinį reiškinį atrado škotų fizikas Davidas Brewsteris 1815 m.. Jo išvestas dėsnis parodė dviejų dielektrikų indeksų koreliaciją esant tam tikram šviesos kritimo kampui. Pasirinkus šias sąlygas, nuo dviejų terpių sandūros atsispindėję spinduliai bus poliarizuoti plokštumoje, statmenoje kritimo kampui.

Brovsterio dėsnio iliustracija.

Mokslininkas pastebėjo, kad lūžęs spindulys taip pat yra iš dalies poliarizuotas kritimo plokštumoje. Tai atspindi ne visą šviesą, dalis jos patenka į lūžusį spindulį. "Brewster" kampas yra kampas, kuriuo atspindėta šviesa yra visiškai poliarizuotas. Atsispindėję ir lūžę spinduliai yra statmeni vienas kitam.

Norint suprasti šio reiškinio priežastį, reikia žinoti šiuos dalykus:

1. Bet kurios elektromagnetinės bangos elektrinio lauko virpesiai visada yra statmeni jos judėjimo krypčiai.
2. Procesą sudaro du etapai. Pirmuoju atveju krintanti banga sutrikdo dielektriko molekules, o antruoju - lūžusios ir atsispindėjusios bangos.

Jei eksperimente naudosime vieną kvarco ar kito tinkamo mineralo plokštelę, intensyvumas plokštuminės poliarizuotos šviesos bus nedidelė (apie 4 % viso intensyvumo). Tačiau jei naudosite plokštelių krūvą, galite gerokai padidinti našumą.

Beje! Brewsterio dėsnį taip pat galima išvesti naudojant Fresnelio formules.

Šviesos poliarizacija kristale

Normalieji dielektrikai yra anizotropiniai, todėl į juos krintančios šviesos savybės daugiausia priklauso nuo kritimo kampo. Kristalai pasižymi skirtingomis savybėmis, kai į juos patenka šviesa, galima pastebėti dvilypumo efektą. Tai pasireiškia taip: per konstrukciją einantys du lūžtantys spinduliai susidaro du; jie sklinda skirtingomis kryptimis ir jų greičiai taip pat skiriasi.

Eksperimentuose dažniausiai naudojami vienos ašies kristalai. Vienas iš lūžio spindulių paklūsta standartiniams dėsniams ir vadinamas paprastuoju. Antrasis spindulys susidaro kitaip, jis vadinamas ypatinguoju, nes jo lūžio ypatumai neatitinka įprastų kanonų.

Štai kaip atrodo dviguba refrakcija diagramoje.

Jei pasuksite kristalą, paprastasis spindulys išliks nepakitęs, o ypatingasis spindulys judės aplink perimetrą. Eksperimentams dažniausiai naudojamas kalcitas arba islandiškasis feldšpatas, nes jie puikiai tinka tyrimams.

Beje! Jei į aplinką žiūrėsite pro kristalą, visų objektų kontūrai išsišakos.

Remiantis eksperimentais su kristalais 1810 m. Etienne'as Louis Malusas suformulavo įstatymą 1810 m., kuris pavadintas jo vardu. Jis nustatė aiškią tiesiškai poliarizuotos šviesos priklausomybę po to, kai ji perėjo per iš kristalų pagamintą poliarizatorių. Spindulio intensyvumas perėjus per kristalą mažėja proporcingai kampo, susidariusio tarp įeinančio spindulio poliarizacijos plokštumos ir filtro, kosinuso kvadratui.

Vaizdo pamoka: šviesos poliarizacija, 11 klasės fizika.

Praktinis šviesos poliarizacijos taikymas

Aptariamas reiškinys kasdieniame gyvenime naudojamas daug dažniau, nei atrodo. Elektromagnetinių bangų sklidimo dėsnių išmanymas padėjo sukurti įvairią įrangą. Pagrindinės parinktys yra šios:

1. Naudodami specialius fotoaparatams skirtus poliarizavimo filtrus galite atsikratyti atspindžių fotografuodami.
2. Tokį efektą turinčius akinius dažnai naudoja vairuotojai, nes jie pašalina priešpriešiais atvažiuojančių žibintų atspindžius. Todėl net tolimosios šviesos negali akinti vairuotojo, o tai padidina saugumą.
   Akinimo nėra dėl poliarizacijos efekto.
3. Geofizikoje naudojama įranga leidžia tirti debesų masių savybes. Jis taip pat naudojamas saulės šviesos poliarizacijai tirti, kai ji sklinda pro debesis.
4. Speciali įranga, kuria poliarizuotoje šviesoje fotografuojamos kosminės migliados, padeda tirti jose susidarančių magnetinių laukų ypatumus.
5. Mechanikos inžinerijoje naudojamas vadinamasis fotoelastinis metodas. Jį galima naudoti norint aiškiai nustatyti komponentų ir mazgų įtempius.
6. Įranga naudojamas teatro spektakliuose ir koncertinėse dekoracijose. Kitas pritaikymas - vitrinose ir parodų stenduose.
7. Prietaisai, kuriais nustatomas cukraus kiekis žmogaus kraujyje. Jie veikia nustatydami poliarizacijos plokštumos posūkio kampą.
8. Daugelyje maisto pramonės įmonių naudojama įranga, kuria galima nustatyti vieno ar kito tirpalo koncentraciją. Taip pat yra prietaisų, kuriais galima stebėti baltymus, cukrų ir organines rūgštis taikant poliarizacijos savybes.
9. 3D kinematografija veikia būtent dėl šiame straipsnyje aptariamo reiškinio.

Beje! Žinomi skystųjų kristalų monitoriai ir televizoriai taip pat veikia pagal poliarizuotą srautą.

Žinios apie pagrindines poliarizacijos ypatybes padeda paaiškinti daugelį visame pasaulyje aptinkamų reiškinių. Šis reiškinys taip pat plačiai naudojamas moksle, technologijose, medicinoje, fotografijoje, kine ir daugelyje kitų sričių.