Čo je to polarizácia svetla a jej praktické využitie

Polarizované svetlo sa od štandardného svetla líši svojím šírením. Bol objavený už dávno a používa sa na fyzikálne experimenty aj v každodennom živote na vykonávanie niektorých meraní. Pochopenie fenoménu polarizácie nie je zložité, pomáha pochopiť, ako fungujú niektoré zariadenia a prečo sa svetlo za určitých podmienok nešíri tak, ako zvyčajne.

Porovnajte fotografiu s polarizačným filtrom a bez neho, v druhom prípade nie sú takmer žiadne odlesky.

Čo je polarizácia svetla

Polarizácia svetla dokazuje, že svetlo je priečne vlnenie. To znamená, že hovoríme o polarizácii elektromagnetických vĺn vo všeobecnosti a svetlo je jednou z odrôd, ktorých vlastnosti sa riadia všeobecnými pravidlami.

Polarizácia je vlastnosť priečnych vĺn, ktorých vektor kmitania je vždy kolmý na smer šírenia svetla alebo niečoho iného. To znamená, že ak izolujete lúče svetla s rovnakým vektorom polarizácie, ide o jav polarizácie.

Najčastejšie okolo seba vidíme nepolarizované svetlo, pretože má vektor intenzity pohybujúci sa všetkými možnými smermi. Aby sa polarizovalo, prechádza cez anizotropné médium, ktoré preruší všetky vibrácie a ponechá len jednu.

Porovnanie bežného a polarizovaného svetla.

Kto tento jav objavil a čo dokazuje

Tento pojem prvýkrát použil slávny britský vedec И. Newton v roku 1706.. Jeho podstatu však vysvetlil iný výskumník. James Maxwell.. V tom čase nebola povaha svetelných vĺn známa, ale ako sa hromadili rôzne fakty a výsledky rôznych experimentov, objavovalo sa čoraz viac dôkazov o priečnej povahe elektromagnetických vĺn.

Prvým, kto v tejto oblasti experimentoval, bol holandský bádateľ Huygens v roku 1690.. Prechádzal svetlom cez dosku islandského živca a vďaka tomu objavil priečnu anizotropiu lúča.

Prvý dôkaz polarizácie svetla vo fyzike získal francúzsky výskumník Э. Malus. Použil dve platne turmalínu a nakoniec odvodil zákon, ktorý je po ňom pomenovaný. Vďaka mnohým experimentom sa podarilo dokázať priečny charakter svetelných vĺn, čo pomohlo vysvetliť ich povahu a vlastnosti šírenia.

Odkiaľ pochádza polarizácia svetla a ako ju získať

Väčšina svetla, ktoré vidíme, nie je polarizovaná. Ne, umelé svetlo - Prúd svetla s vektorom kmitajúcim v rôznych smeroch sa šíri všetkými smermi bez obmedzenia.

Polarizované svetlo sa objaví po prechode cez anizotropné prostredie, ktoré môže mať rôzne vlastnosti. Toto médium odstraňuje väčšinu vibrácií a ponecháva len jednu, ktorá poskytuje požadovaný účinok.

Najbežnejším polarizátorom sú kryštály. Zatiaľ čo v minulosti sa používali prevažne prírodné materiály (napr. turmalín), v súčasnosti existuje mnoho umelých materiálov.

Polarizované svetlo môže vzniknúť aj odrazom od akéhokoľvek dielektrika. Ide o to, že keď svetlo dopadá svetelný tok na rozhraní dvoch médií sa láme. To možno ľahko zistiť vložením ceruzky alebo skúmavky do pohára s vodou.

Tento princíp sa používa v polarizačných mikroskopoch.

Pri lome svetla je časť lúčov polarizovaná. Rozsah tohto účinku závisí od polohy zdroj svetla a uhol dopadu svetla vzhľadom na miesto lomu.

Pokiaľ ide o spôsob výroby polarizovaného svetla, používa sa jeden z troch variantov bez ohľadu na podmienky:

1. Nicolas hranol. Pomenovaný po škótskom cestovateľovi Nicolasovi Williamovi, ktorý ho vynašiel v roku 1828. Dlho experimentoval a po 11 rokoch sa mu podarilo vyrobiť hotové zariadenie, ktoré sa v nezmenenej podobe používa dodnes.
2. Odraz od dielektrika. Tu je veľmi dôležité nájsť optimálny uhol dopadu a zohľadniť stupeň lomu (Čím väčší je rozdiel v priepustnosti medzi dvoma prostrediami, tým viac sa lúče lámu).
3. Použitie anizotropného prostredia. Na tento účel sa najčastejšie vyberajú kryštály s vhodnými vlastnosťami. Ak sa na ne nasmeruje svetelný tok, na výstupe možno pozorovať paralelné oddelenie.

Polarizácia svetla odrazom a lomom na rozhraní dvoch dielektrík

Tento optický jav objavil škótsky fyzik David Brewster v roku 1815.. Zákon, ktorý odvodil, ukázal koreláciu indexov dvoch dielektrík pri určitom uhle dopadu svetla. Ak sú zvolené podmienky, lúče odrazené od spojnice dvoch prostredí budú polarizované v rovine kolmej na uhol dopadu.

Ilustrácia Brewsterovho zákona.

Výskumník si všimol, že lomený lúč je čiastočne polarizovaný aj v rovine dopadu. To neodráža všetko svetlo, časť z neho uniká do lomeného lúča. Brewsterov uhol pohľadu je uhol, pod ktorým odrazené svetlo je plne polarizovaný. Odrazené a lomené lúče sú na seba kolmé.

Aby sme pochopili príčinu tohto javu, musíme vedieť nasledovné:

1. V každom elektromagnetickom vlnení je kmitanie elektrického poľa vždy kolmé na smer jeho pohybu.
2. Proces je rozdelený do dvoch fáz. V prvom prípade spôsobuje dopadajúca vlna rozrušenie molekúl dielektrika a v druhom prípade dochádza k lomeniu a odrazu vĺn.

Ak pri experimente použijeme jednu doštičku z kremeňa alebo iného vhodného minerálu, intenzita rovinne polarizovaného svetla bude malá (rádovo 4 % celkovej intenzity). Ak však použijete hromadu dosiek, môžete dosiahnuť výrazné zvýšenie výkonu.

Mimochodom! Brewsterov zákon možno odvodiť aj pomocou Fresnelových vzorcov.

Polarizácia svetla kryštálom

Normálne dielektriká sú anizotropné a vlastnosti svetla, ktoré na ne dopadá, závisia najmä od uhla dopadu. Kryštály majú rôzne vlastnosti, keď na ne dopadá svetlo, možno pozorovať dvojlomný efekt. Prejavuje sa to tak, že pri prechode štruktúrou vznikajú dva lomené lúče, ktoré idú rôznymi smermi a ich rýchlosti sú tiež rôzne.

Pri experimentoch sa najčastejšie používajú jednoosové kryštály. Jeden z lúčov lomu sa riadi štandardnými zákonmi a nazýva sa obyčajný. Druhý lúč sa tvorí inak, nazýva sa mimoriadny, pretože zvláštnosti jeho lomu nezodpovedajú bežným kánonom.

Takto vyzerá dvojitá refrakcia na obrázku.

Ak kryštálom otočíte, obyčajný lúč zostane nezmenený, zatiaľ čo mimoriadny lúč sa bude pohybovať po obvode. Pri experimentoch sa najčastejšie používa kalcit alebo islandský živec, pretože sú vhodné na výskum.

Mimochodom! Ak sa na svoje okolie pozeráte cez kryštál, obrysy všetkých objektov sa rozdvojujú.

Na základe experimentov s kryštálmi Etienne Louis Malus sformuloval v roku 1810 zákon v roku 1810, ktorý je pomenovaný po ňom. Odvodil jasnú závislosť lineárne polarizovaného svetla po prechode cez polarizátor vyrobený z kryštálov. Intenzita lúča po prechode kryštálom klesá úmerne štvorcu kosínusu uhla vytvoreného medzi rovinou polarizácie prichádzajúceho lúča a filtrom.

Video lekcia: Polarizácia svetla, fyzika pre 11. ročník.

Praktické aplikácie polarizácie svetla

Uvedený jav sa v každodennom živote používa oveľa častejšie, ako sa zdá. Znalosť zákonov šírenia elektromagnetických vĺn pomohla pri vytváraní rôznych zariadení. Hlavné možnosti sú nasledovné:

1. Špeciálne polarizačné filtre pre fotoaparáty vám umožnia zbaviť sa odleskov pri fotografovaní.
2. Okuliare s týmto efektom často používajú vodiči, pretože odstraňujú oslnenie od protiidúcich svetiel. Vďaka tomu nemôžu vodiča oslňovať ani diaľkové svetlá, čo zvyšuje bezpečnosť.
   Absencia oslnenia je spôsobená polarizačným efektom.
3. Zariadenia používané v geofyzike umožňujú skúmať vlastnosti oblačných hmôt. Používa sa aj na štúdium polarizačných vzorcov slnečného svetla pri prechode cez oblaky.
4. Špeciálne zariadenie, ktoré fotografuje kozmické hmloviny v polarizovanom svetle, pomáha skúmať zvláštnosti magnetických polí, ktoré v nich vznikajú.
5. V strojárstve sa používa tzv. fotoelastická metóda. Môže sa použiť na jasnú identifikáciu napätí, ktoré sa vyskytujú v súčiastkach a zostavách.
6. Zariadenie sa používa v divadelných predstaveniach, ako aj v koncertných dekoráciách. Ďalšie použitie je vo vitrínach a výstavných stánkoch.
7. Zariadenia, ktoré určujú hladinu cukru v krvi. Fungujú tak, že určujú uhol natočenia polarizačnej roviny.
8. Mnohé podniky potravinárskeho priemyslu používajú zariadenia, ktoré dokážu stanoviť koncentráciu toho-ktorého roztoku. Existujú aj zariadenia schopné monitorovať proteíny, cukry a organické kyseliny pomocou polarizačných vlastností.
9. 3D kinematografia funguje práve vďaka využitiu javu, o ktorom sa hovorí v tomto článku.

Mimochodom! Na základe polarizovaného toku fungujú aj známe monitory z tekutých kryštálov a televízne prijímače.

Poznanie základných vlastností polarizácie pomáha vysvetliť mnohé javy, ktoré sa vyskytujú na celom svete. Je to fenomén, ktorý sa hojne využíva vo vede, technike, medicíne, fotografii, filme a mnohých ďalších oblastiach.