Kas ir gaismas polarizācija un tās praktiskais pielietojums

Polarizētā gaisma no standarta gaismas atšķiras ar tās izplatīšanos. Tas tika atklāts jau diezgan sen, un to izmanto gan fizikālos eksperimentos, gan ikdienā, lai veiktu dažus mērījumus. Izprast polarizācijas fenomenu nav sarežģīti, tas palīdz saprast, kā darbojas noteiktas ierīces un kāpēc gaisma noteiktos apstākļos neizplatās kā parasti.

Salīdziniet fotoattēlu ar polarizācijas filtru un bez tā, pēdējā gadījumā gandrīz nav atspīdumu.

Kas ir gaismas polarizācija

Gaismas polarizācija pierāda, ka gaisma ir šķērsvilnis. Tas nozīmē, ka mēs runājam par elektromagnētisko viļņu polarizāciju kopumā, un gaisma ir viens no veidiem, kura īpašības atbilst vispārīgiem likumiem.

Polarizācija ir šķērsviļņu īpašība, kuru svārstību vektors vienmēr ir perpendikulārs gaismas vai kaut kā cita izplatīšanās virzienam. Tas nozīmē, ka, ja jūs izolētu gaismas starus ar vienādu polarizācijas vektoru, tas būtu polarizācijas fenomens.

Visbiežāk mēs redzam nepolarizētu gaismu ap mums, jo tai ir intensitātes vektors, kas pārvietojas visos iespējamos virzienos. Lai to padarītu polarizētu, to izlaiž caur anizotropu vidi, kas nogriež visas vibrācijas un atstāj tikai vienu.

Parastās un polarizētās gaismas salīdzinājums.

Kas atklāja šo fenomenu un ko tas pierāda

Šo jēdzienu pirmo reizi izmantoja slavenais britu zinātnieks. И. Ņūtons 1706. gadā.. Taču tās būtību izskaidroja cits pētnieks. Džeimss Maksvels.. Tolaik gaismas viļņu daba nebija zināma, taču, uzkrājoties dažādiem faktiem un dažādu eksperimentu rezultātiem, parādījās arvien vairāk pierādījumu elektromagnētisko viļņu šķērsvirziena dabai.

Pirmais šajā jomā eksperimentēja holandiešu pētnieks. Hīgenss 1690. gadā.. Viņš caurlaida gaismu caur Islandes dzirnakmens plāksni un tā rezultātā atklāja staru kūļa šķērsvirziena anizotropiju.

Pirmo pierādījumu par gaismas polarizāciju fizikā ieguva franču pētnieks. Э. Malus. Viņš izmantoja divas turmalīna plāksnes un galu galā ieguva viņa vārdā nosaukto likumu. Pateicoties daudziem eksperimentiem, tika pierādīta gaismas viļņu šķērsvirziena daba, kas palīdzēja izskaidrot to būtību un izplatīšanās īpatnības.

No kurienes rodas gaismas polarizācija un kā to iegūt pašam?

Lielākā daļa redzamās gaismas nav polarizēta. Saule, mākslīgā gaisma - Gaismas plūsma, kuras vektors svārstās dažādos virzienos, izplatās visos virzienos bez ierobežojumiem.

Polarizēta gaisma parādās pēc tam, kad tā ir izgājusi cauri anizotropai videi, kurai var būt dažādas īpašības. Šī vide noņem lielāko daļu vibrāciju, atstājot tikai vienu, kas nodrošina vēlamo efektu.

Visizplatītākais polarizators ir kristāli. Agrāk pārsvarā tika izmantoti dabīgi materiāli (piemēram, turmalīns), taču tagad ir daudz mākslīgu materiālu.

Polarizētu gaismu var radīt arī atstarojums no jebkura dielektrika. Ideja ir tāda, ka, kad gaisma gaismas plūsma abu mediju krustpunktā tas tiek lauzts. To var viegli redzēt, ievietojot zīmuli vai caurulīti glāzē ar ūdeni.

Šo principu izmanto polarizācijas mikroskopos.

Gaismas refrakcijas parādībā daļa staru ir polarizēti. Šīs ietekmes apjoms ir atkarīgs no stāvokļa gaismas avots un gaismas krišanas leņķis attiecībā pret refrakcijas vietu.

Attiecībā uz polarizētas gaismas iegūšanas metodi neatkarīgi no apstākļiem tiek izmantots viens no trim variantiem:

1. Nicolas prizma. Nosaukts skotu pētnieka Nikolasa Viljama vārdā, kurš to izgudroja 1828. gadā. Viņš ilgu laiku eksperimentēja un pēc 11 gadiem spēja izgatavot gatavu ierīci, kas nemainītā veidā tiek izmantota vēl šodien.
2. Atstarošanās no dielektriķa. Šajā gadījumā ir ļoti svarīgi atrast optimālo krišanas leņķi un ņemt vērā to, cik lielā mērā refrakcijas (Jo lielāka ir caurlaidības starpība starp abām vidēm, jo vairāk staru tiek lauzti).
3. Izmantojot anizotropu vidi. Šim nolūkam visbiežāk tiek izvēlēti kristāli ar piemērotām īpašībām. Ja uz tiem tiek vērsta gaismas plūsma, izejā var novērot paralēlu atdalīšanu.

Gaismas polarizācija ar atstarošanu un laušanu divu dielektriķu saskarnē

Šo optisko parādību atklāja skotu fiziķis Dāvids Brūsters 1815. gadā.. Viņa iegūtais likums parādīja divu dielektriķu indeksu korelāciju pie noteikta gaismas krišanas leņķa. Ja tiek izvēlēti šādi nosacījumi, tad stari, kas atstaroti no abu barotņu krustpunkta, būs polarizēti plaknē, kas perpendikulāra krišanas leņķim.

Brūstera likuma ilustrācija.

Pētnieks atzīmēja, ka arī refraktētais stars ir daļēji polarizēts krišanas plaknē. Tas neatspoguļo visu gaismu, daļa no tās izplūst refraktētajā staru kūlī. Brūstera leņķis ir leņķis, kurā atstarotā gaisma ir pilnībā polarizēts. Atstarotie un atstarotie stari ir viens otram perpendikulāri.

Lai saprastu šīs parādības iemeslu, ir jāzina:

1. Jebkurā elektromagnētiskajā vilnī elektriskā lauka svārstības vienmēr ir perpendikulāras tā kustības virzienam.
2. Process ir sadalīts divos posmos. Pirmajā gadījumā krītošais vilnis izraisa dielektrisko molekulu traucējumus, bet otrajā gadījumā ir refraktētie un atstarotie viļņi.

Ja eksperimentā izmantojam vienu plāksnīti no kvarca vai cita piemērota minerāla, intensitāte plakani polarizētas gaismas būs neliels (aptuveni 4% no kopējās intensitātes). Taču, ja izmantojat šķīvju kaudzi, varat ievērojami palielināt veiktspēju.

Starp citu! Brūstera likumu var iegūt arī, izmantojot Freneļa formulas.

Gaismas polarizācija ar kristālu

Normālie dielektriķi ir anizotropi, un uz tiem krītošās gaismas īpašības galvenokārt ir atkarīgas no krišanas leņķa. Kristāliem ir dažādas īpašības, un, gaismai uz tiem krītot, var novērot divslīpuma efektu. Tas izpaužas šādi: šķērsojot struktūru, veidojas divi lūzumi, kas iet dažādos virzienos, un arī to ātrumi ir atšķirīgi.

Eksperimentos visbiežāk izmanto vienas ass kristālus. Viens no refrakcijas stariem atbilst standarta likumiem un tiek saukts par parasto. Otrais staru kūlis veidojas citādi, to sauc par ārkārtas, jo tā refrakcijas īpatnības neatbilst parastajiem kanoniem.

Šādi diagrammā izskatās dubultā refrakcija.

Ja pagriežat kristālu, parastais stars paliks nemainīgs, bet neparastais stars pārvietosies pa perimetru. Eksperimentos visbiežāk izmanto kalcītu vai Islandes laukšpatu, jo tie ir labi piemēroti pētījumiem.

Starp citu! Ja uz apkārtni skatās caur kristālu, visu objektu aprises sadalās.

Pamatojoties uz eksperimentiem ar kristāliem Etjēns Luijs Maluss 1810. gadā formulēja likumu. 1810. gadā, kas nosaukta viņa vārdā. Viņš ieguva skaidru lineāri polarizētas gaismas atkarību pēc tam, kad tā ir izgājusi caur polarizatoru, kas izgatavots no kristāliem. Stara staru intensitāte pēc iziešanas caur kristālu samazinās proporcionāli leņķa, kas veidojas starp ienākošā staru kūļa polarizācijas plakni un filtru, kosinusa kvadrātam.

Videolekcija: Gaismas polarizācija, 11. klase, fizika.

Gaismas polarizācijas praktiskie lietojumi

Minētā parādība ikdienā tiek izmantota daudz biežāk, nekā šķiet. Zināšanas par elektromagnētisko viļņu izplatīšanās likumiem ir palīdzējušas radīt dažādas iekārtas. Galvenie varianti ir šādi:

1. Īpaši polarizācijas filtri kamerām ļauj atbrīvoties no atspīdumiem, fotografējot.
2. Autovadītāji bieži izmanto brilles ar šādu efektu, jo tās novērš pretī braucošo lukturu atspīdumu. Tādējādi pat tālās gaismas neapžilbina autovadītāju, tādējādi uzlabojot drošību.
   Apžilbināšanas neesamība ir saistīta ar polarizācijas efektu.
3. Ģeofizikā izmantotais aprīkojums ļauj pētīt mākoņu masu īpašības. To izmanto arī saules gaismas polarizācijas modeļu izpētei, kad tā iet cauri mākoņiem.
4. Īpaša iekārta, ar kuru tiek uzņemtas kosmisko miglāju fotogrāfijas polarizētā gaismā, palīdz pētīt tajās radušos magnētisko lauku īpatnības.
5. Mašīnbūvē izmanto tā saukto fotoelastisko metodi. To var izmantot, lai skaidri noteiktu, kādas spriedzes rodas detaļās un mezglos.
6. Aprīkojums tiek izmantots teātra izrādēs, kā arī koncertu dekorācijās. Vēl viens pielietojums ir vitrīnās un izstāžu stendos.
7. Ierīces, kas nosaka cukura līmeni cilvēka asinīs. Tās darbojas, nosakot polarizācijas plaknes rotācijas leņķi.
8. Daudzi pārtikas rūpniecības uzņēmumi izmanto iekārtas, ar kurām var noteikt kāda šķīduma koncentrāciju. Ir arī ierīces, ar kurām, izmantojot polarizācijas īpašības, var kontrolēt proteīnus, cukurus un organiskās skābes.
9. 3D kinematogrāfija darbojas tieši ar šajā rakstā aplūkotā fenomena palīdzību.

Starp citu! Arī pazīstamie šķidro kristālu monitori un televizori darbojas, izmantojot polarizēto plūsmu.

Zināšanas par polarizācijas pamatiezīmēm palīdz izskaidrot daudzus visā pasaulē sastopamos efektus. Tas ir arī plaši izmantots fenomens zinātnē, tehnoloģijās, medicīnā, fotogrāfijā, kino un daudzās citās jomās.