Čo je polarizácia svetla a jej praktické využitie

Polarizované svetlo sa od štandardného svetla líši svojim rozložením. Bol objavený už dávno a používa sa ako na fyzikálne experimenty, tak aj v každodennom živote na vykonávanie niektorých meraní. Pochopenie fenoménu polarizácie nie je ťažké, umožní vám to pochopiť princíp fungovania niektorých zariadení a zistiť, prečo sa za určitých podmienok svetlo nešíri ako obvykle.

Porovnanie fotiek bez polarizačného filtra a s ním, v druhom prípade takmer žiadne odlesky.

Čo je polarizácia svetla

Polarizácia svetla dokazuje, že svetlo je priečna vlna. To znamená, že hovoríme o polarizácii elektromagnetických vĺn všeobecne a svetlo je jednou z odrôd, ktorých vlastnosti podliehajú všeobecným pravidlám.

Polarizácia je vlastnosť priečnych vĺn, ktorých vektor kmitania je vždy kolmý na smer šírenia svetla alebo niečoho iného.To znamená, že ak vyberiete zo svetelných lúčov s rovnakou polarizáciou vektora, bude to jav polarizácie.

Najčastejšie okolo seba vidíme nepolarizované svetlo, pretože vektor jeho intenzity sa pohybuje všetkými možnými smermi. Aby sa polarizoval, prechádza cez anizotropné médium, ktoré preruší všetky oscilácie a ponechá len jedno.

Porovnanie bežného a polarizovaného svetla.

Kto objavil fenomén a čo dokazuje

Uvažovaný koncept prvýkrát v histórii použil slávny britský vedec I. Newton v roku 1706. Ale iný výskumník vysvetlil jeho povahu - James Maxwell. Potom nebola povaha svetelných vĺn známa, ale s nahromadením rôznych faktov a výsledkov rôznych experimentov sa objavovalo stále viac dôkazov o priečnosti elektromagnetických vĺn.

Prvý, kto uskutočnil experimenty v tejto oblasti, bol holandský výskumník Huygens, stalo sa to v roku 1690. Prešiel svetlom cez dosku islandského nosníka, v dôsledku čoho objavil priečnu anizotropiu lúča.

Prvý dôkaz o polarizácii svetla vo fyzike získal francúzsky výskumník E. Malus. Použil dve platne turmalínu a nakoniec prišiel so zákonom pomenovaný po ňom. Vďaka početným experimentom sa dokázala priečnosť svetelných vĺn, čo pomohlo vysvetliť ich povahu a vlastnosti šírenia.

Odkiaľ pochádza polarizácia svetla a ako ju získať sami

Väčšina svetla, ktoré vidíme, nie je polarizovaná. Slnko, umelé osvetlenie - svetelný tok s vektorom kmitajúcim v rôznych smeroch, šíri sa všetkými smermi bez akýchkoľvek obmedzení.

Polarizované svetlo sa objaví po prechode anizotropným prostredím, ktoré môže mať rôzne vlastnosti. Toto prostredie odstraňuje väčšinu výkyvov a ponecháva jediné, čo poskytuje požadovaný efekt.

Kryštály najčastejšie fungujú ako polarizátor. Ak sa predtým používali hlavne prírodné materiály (napríklad turmalín), teraz existuje veľa možností umelého pôvodu.

Polarizované svetlo možno získať aj odrazom od akéhokoľvek dielektrika. Základom je, že kedy svetelný tok láme sa na styku dvoch médií. To je ľahké vidieť, ak vložíte ceruzku alebo skúmavku do pohára s vodou.

Tento princíp sa používa v polarizačných mikroskopoch.

Pri jave lomu svetla sa časť lúčov polarizuje. Stupeň prejavu tohto účinku závisí od miesta Zdroj svetla a uhol jeho dopadu vzhľadom na bod lomu.

Pokiaľ ide o metódy na získanie polarizovaného svetla, bez ohľadu na podmienky sa používa jedna z troch možností:

1. Hranol Nicolas. Je pomenovaný po škótskom prieskumníkovi Nicolasovi Williamovi, ktorý ho vynašiel v roku 1828. Dlho robil experimenty a po 11 rokoch sa mu podarilo získať hotové zariadenie, ktoré sa dodnes používa nezmenené.
2. Odraz od dielektrika. Tu je veľmi dôležité zvoliť optimálny uhol dopadu a zohľadniť stupeň lom (čím väčší je rozdiel v priepustnosti svetla oboch médií, tým viac sa lúče lámu).
3. Použitie anizotropného prostredia. Najčastejšie sa na to vyberajú kryštály s vhodnými vlastnosťami. Ak na ne nasmerujete svetelný tok, môžete pozorovať jeho paralelné oddelenie na výstupe.

Polarizácia svetla pri odraze a lomu na rozhraní dvoch dielektrík

Tento optický jav objavil fyzik zo Škótska David Brewster v roku 1815. Zákon, ktorý odvodil, ukázal vzťah medzi indikátormi dvoch dielektrík pri určitom uhle dopadu svetla. Ak zvolíme podmienky, tak lúče odrazené od rozhrania dvoch prostredí budú polarizované v rovine kolmej na uhol dopadu.

Ilustrácia Brewsterovho zákona.

Výskumník poznamenal, že lomený lúč je čiastočne polarizovaný v rovine dopadu. V tomto prípade sa neodráža všetko svetlo, časť ide do lámaného lúča. Brewsterov uhol je uhol, pod ktorým odrazené svetlo úplne polarizované. V tomto prípade sú odrazené a lomené lúče navzájom kolmé.

Aby ste pochopili dôvod tohto javu, musíte vedieť nasledovné:

1. V akejkoľvek elektromagnetickej vlne sú oscilácie elektrického poľa vždy kolmé na smer jej pohybu.
2. Proces je rozdelený do dvoch etáp. V prvom dopadajúca vlna spôsobí excitáciu molekúl dielektrika, v druhom sa objavia lomené a odrazené vlny.

Ak sa v experimente použije jeden plast z kremeňa alebo iného vhodného minerálu, intenzita rovinné polarizované svetlo bude malá (asi 4 % z celkovej intenzity). Ale ak použijete hromadu tanierov, môžete dosiahnuť výrazné zvýšenie výkonu.

Mimochodom! Brewsterov zákon možno odvodiť aj pomocou Fresnelových vzorcov.

Polarizácia svetla kryštálom

Bežné dielektriká sú anizotropné a vlastnosti svetla pri dopade na ne závisia najmä od uhla dopadu. Vlastnosti kryštálov sú rôzne, pri dopade svetla na nich môžete pozorovať efekt dvojitého lomu lúčov.Prejavuje sa to nasledovne: pri prechode konštrukciou sa vytvoria dva lomené lúče, ktoré idú rôznymi smermi, líšia sa aj ich rýchlosti.

Najčastejšie sa pri experimentoch používajú jednoosové kryštály. V nich sa jeden z refrakčných lúčov riadi štandardnými zákonmi a nazýva sa obyčajný. Druhá je vytvorená inak, nazýva sa mimoriadna, pretože vlastnosti jej lomu nezodpovedajú obvyklým kánonom.

Takto vyzerá dvojitý lom na diagrame.

Ak kryštál otočíte, obyčajný lúč zostane nezmenený a výnimočný sa bude pohybovať po kruhu. Najčastejšie sa pri pokusoch používa kalcit alebo islandský špár, pretože sú vhodné na výskum.

Mimochodom! Ak sa pozriete na prostredie cez kryštál, potom sa obrysy všetkých objektov rozdelia na dve časti.

Na základe experimentov s kryštálmi Étienne Louis Malus sformuloval zákon v roku 1810 roku, ktorý dostal jeho meno. Odvodil jasnú závislosť lineárne polarizovaného svetla po jeho prechode cez polarizátor vyrobený na báze kryštálov. Intenzita lúča po prechode kryštálom klesá úmerne so štvorcom kosínusu uhla zvieraného medzi rovinou polarizácie prichádzajúceho lúča a filtrom.

Video lekcia: Polarizácia svetla, fyzika 11. ročník.

Praktická aplikácia polarizácie svetla

Uvažovaný jav sa v každodennom živote využíva oveľa častejšie, ako sa zdá. Znalosť zákonitostí šírenia elektromagnetických vĺn pomohla pri tvorbe rôznych zariadení. Hlavné možnosti sú:

1. Špeciálne polarizačné filtre pre fotoaparáty vám umožnia zbaviť sa odleskov pri fotení.
2. Okuliare s týmto efektom často používajú vodiči, keďže odstraňujú oslnenie svetlometov protiidúcich vozidiel.Výsledkom je, že ani diaľkové svetlá nemôžu oslniť vodiča, čo zvyšuje bezpečnosť.
   Absencia oslnenia je spôsobená účinkom polarizácie.
3. Zariadenia používané v geofyzike umožňujú študovať vlastnosti hmôt oblakov. Používa sa tiež na štúdium vlastností polarizácie slnečného svetla pri prechode cez mraky.
4. Špeciálne inštalácie, ktoré fotografujú kozmické hmloviny v polarizovanom svetle, pomáhajú študovať vlastnosti magnetických polí, ktoré tam vznikajú.
5. V strojárskom priemysle sa využíva fotoelastická metóda tzv. Pomocou neho môžete jasne určiť parametre napätia, ktoré sa vyskytujú v uzloch a častiach.
6. Vybavenie použité pri tvorbe divadelných kulís, ako aj v koncertnej tvorbe. Ďalšou oblasťou použitia sú vitríny a výstavné stánky.
7. Zariadenia, ktoré merajú hladinu cukru v krvi človeka. Fungujú tak, že určujú uhol natočenia roviny polarizácie.
8. Mnoho podnikov potravinárskeho priemyslu používa zariadenia schopné určiť koncentráciu konkrétneho roztoku. Existujú aj zariadenia, ktoré dokážu kontrolovať obsah bielkovín, cukrov a organických kyselín pomocou polarizačných vlastností.
9. 3D kinematografia funguje práve s využitím fenoménu, o ktorom sa hovorí v článku.

Mimochodom! Známe všetky monitory a televízory s tekutými kryštálmi tiež fungujú na báze polarizovaného prúdu.

Poznanie základných vlastností polarizácie vám umožňuje vysvetliť mnohé efekty, ktoré sa vyskytujú okolo. Tento jav je tiež široko používaný vo vede, technike, medicíne, fotografii, kine a mnohých ďalších oblastiach.