Co to jest polaryzacja światła i jej praktyczne zastosowanie

Światło spolaryzowane różni się od światła standardowego sposobem rozchodzenia się. Został on odkryty dość dawno temu i jest wykorzystywany zarówno do eksperymentów fizycznych, jak i w życiu codziennym do wykonywania pomiarów. Zrozumienie zjawiska polaryzacji nie jest trudne, pomaga zrozumieć, jak działają niektóre urządzenia i dlaczego w pewnych warunkach światło nie rozchodzi się tak, jak zwykle.

Porównaj zdjęcie z filtrem polaryzacyjnym i bez niego - w tym drugim przypadku prawie nie widać odblasków.

Co to jest polaryzacja światła

Polaryzacja światła dowodzi, że światło jest falą poprzeczną. To znaczy, że mówimy o polaryzacji fal elektromagnetycznych w ogóle, a światło jest jedną z odmian, której właściwości podlegają ogólnym zasadom.

Polaryzacja to właściwość fal poprzecznych, których wektor drgań jest zawsze prostopadły do kierunku rozchodzenia się światła lub czegoś innego. Oznacza to, że jeśli wyodrębnimy promienie światła o tym samym wektorze polaryzacji, będziemy mieli do czynienia ze zjawiskiem polaryzacji.

Najczęściej widzimy wokół siebie światło niespolaryzowane, ponieważ ma ono wektor natężenia poruszający się we wszystkich możliwych kierunkach. Aby ją spolaryzować, przepuszcza się ją przez ośrodek anizotropowy, który odcina wszystkie drgania i pozostawia tylko jedno.

Porównanie światła zwykłego i spolaryzowanego.

Kto odkrył to zjawisko i czego ono dowodzi

Koncepcja ta została po raz pierwszy zastosowana przez słynnego brytyjskiego naukowca И. Newton w 1706 r.. Jednak to inny badacz wyjaśnił jego naturę. James Maxwell.. W tamtych czasach natura fal świetlnych nie była znana, ale w miarę gromadzenia się różnych faktów i wyników różnych eksperymentów pojawiało się coraz więcej dowodów na poprzeczną naturę fal elektromagnetycznych.

Pierwszym, który eksperymentował na tym obszarze był holenderski odkrywca Huygens, w 1690 r.. Przepuszczał światło przez płytę z islandzkiego drzewca i w ten sposób odkrył poprzeczną anizotropię wiązki.

Pierwszy dowód na istnienie polaryzacji światła w fizyce został uzyskany przez francuskiego badacza Э. Malus. Użył on dwóch płytek turmalinu i w ten sposób stworzył prawo nazwane jego imieniem. Dzięki licznym eksperymentom udowodniono poprzeczną naturę fal świetlnych, co pozwoliło wyjaśnić ich naturę i charakterystykę rozchodzenia się.

Skąd się bierze polaryzacja światła i jak można ją uzyskać samodzielnie

Większość światła, które widzimy, nie jest spolaryzowana. Słońce, światło sztuczne - Strumień światła o wektorze oscylującym w różnych kierunkach rozchodzi się we wszystkich kierunkach bez żadnych ograniczeń.

Światło spolaryzowane pojawia się po przejściu przez ośrodek anizotropowy, który może mieć różne właściwości. Środek ten usuwa większość wibracji, pozostawiając tylko jedną, która zapewnia pożądany efekt.

Najczęściej stosowanym polaryzatorem są kryształy. W przeszłości stosowano głównie materiały naturalne (np. turmalin), ale obecnie istnieje wiele rozwiązań stworzonych przez człowieka.

Światło spolaryzowane może być również wytwarzane przez odbicie od dowolnego dielektryka. Idea jest taka, że kiedy światło uderza w strumień świetlny na styku dwóch ośrodków ulega załamaniu. Można to łatwo zaobserwować, umieszczając ołówek lub rurkę w szklance z wodą.

Zasada ta jest wykorzystywana w mikroskopach polaryzacyjnych.

W zjawisku załamania światła część promieni ulega polaryzacji. Zakres tego efektu zależy od położenia źródło światła oraz kąt padania światła w stosunku do miejsca załamania.

Jeśli chodzi o metodę wytwarzania światła spolaryzowanego, to niezależnie od warunków stosuje się jeden z trzech wariantów:

1. Pryzmat Mikołajka. Nazwany na cześć szkockiego badacza Nicolasa Williama, który wynalazł go w 1828 roku. Długo eksperymentował i po 11 latach udało mu się wyprodukować gotowe urządzenie, które w niezmienionej formie jest używane do dziś.
2. Odbicie od dielektryka. W tym przypadku bardzo ważne jest znalezienie optymalnego kąta padania światła i uwzględnienie stopnia załamania światła (Im większa różnica w przepuszczalności pomiędzy dwoma ośrodkami, tym bardziej promienie są załamywane).
3. Wykorzystanie ośrodka anizotropowego. Najczęściej do tego celu wybiera się kryształy o odpowiednich właściwościach. Jeśli skieruje się na nie strumień światła, na wyjściu można zaobserwować równoległą separację.

Polaryzacja światła w wyniku odbicia i załamania na granicy dwóch dielektryków

To zjawisko optyczne zostało odkryte przez szkockiego fizyka przez Davida Brewstera w 1815 r.. Wyprowadzone przez niego prawo pokazywało korelację indeksów dwóch dielektryków przy pewnym kącie padania światła. Przy spełnieniu odpowiednich warunków, promienie odbite od styku dwóch ośrodków będą spolaryzowane w płaszczyźnie prostopadłej do kąta padania.

Ilustracja prawa Brewstera.

Badacz zauważył, że promień załamany jest również częściowo spolaryzowany w płaszczyźnie padania. Nie odbija ono całego światła, część z niego ucieka do wiązki załamanej. Kąt Brewstera to kąt, przy którym światło odbite jest w pełni spolaryzowana. Promienie odbite i załamane są do siebie prostopadłe.

Aby zrozumieć przyczynę tego zjawiska, należy poznać następujące fakty:

1. W każdej fali elektromagnetycznej oscylacje pola elektrycznego są zawsze prostopadłe do kierunku jej ruchu.
2. Proces ten dzieli się na dwa etapy. W pierwszym przypadku fala padająca powoduje zaburzenie cząsteczek dielektryka, a w drugim występują fale załamane i odbite.

Jeśli w doświadczeniu użyjemy pojedynczej płytki kwarcu lub innego odpowiedniego minerału, intensywność światła spolaryzowanego płasko będzie niewielka (rzędu 4% całkowitego natężenia). Jeśli jednak użyjesz stosu talerzy, możesz uzyskać znaczny wzrost wydajności.

Przy okazji! Prawo Brewstera można również wyprowadzić za pomocą wzorów Fresnela.

Polaryzacja światła przez kryształ

Dielektryki normalne są anizotropowe i właściwości światła padającego na nie zależą głównie od kąta padania. Kryształy mają różne właściwości, gdy światło na nie pada, można zaobserwować efekt birefringu. Objawia się to w następujący sposób: po przejściu przez strukturę powstają dwie wiązki załamane, które biegną w różnych kierunkach i mają różne prędkości.

W eksperymentach najczęściej stosuje się kryształy jednoosiowe. Jeden z promieni załamania światła jest zgodny ze standardowymi prawami i nazywany jest zwykłym. Drugi promień jest uformowany inaczej, nazywa się go nadzwyczajnym, ponieważ osobliwości jego załamania nie odpowiadają zwykłym kanonom.

Tak właśnie wygląda podwójne załamanie światła na rysunku.

Jeśli obrócisz kryształ, promień zwykły pozostanie niezmieniony, a promień niezwykły będzie się poruszał po obwodzie. Kalcyt lub skaleń islandzki są najczęściej wykorzystywane w eksperymentach, ponieważ dobrze nadają się do badań.

Przy okazji! Jeśli spojrzeć na otoczenie przez kryształ, kontury wszystkich obiektów ulegną rozszczepieniu.

Na podstawie eksperymentów z kryształami Etienne Louis Malus sformułował w 1810 r. ustawę w 1810 r., które nazwano jego imieniem. Uzyskał on wyraźną zależność liniowo spolaryzowanego światła po przejściu przez polaryzator wykonany z kryształów. Intensywność wiązki po przejściu przez kryształ maleje proporcjonalnie do kwadratu cosinusa kąta utworzonego między płaszczyzną polaryzacji wiązki przychodzącej a filtrem.

Lekcja wideo: Polaryzacja światła, fizyka, klasa 11.

Praktyczne zastosowania polaryzacji światła

Zjawisko, o którym mowa, jest wykorzystywane w życiu codziennym znacznie częściej, niż się wydaje. Znajomość praw propagacji fal elektromagnetycznych przyczyniła się do powstania różnych urządzeń. Główne opcje są następujące:

1. Specjalne filtry polaryzacyjne do aparatów fotograficznych pozwalają pozbyć się odblasków podczas robienia zdjęć.
2. Okulary z tym efektem są często używane przez kierowców, ponieważ usuwają odblaski od nadjeżdżających reflektorów. Dzięki temu nawet światła drogowe nie oślepiają kierowcy, co zwiększa bezpieczeństwo.
   Brak odblasków jest spowodowany efektem polaryzacji.
3. Sprzęt wykorzystywany w geofizyce umożliwia badanie właściwości mas chmur. Wykorzystuje się je również do badania polaryzacji światła słonecznego przechodzącego przez chmury.
4. Specjalny sprzęt, który wykonuje zdjęcia mgławic kosmicznych w świetle spolaryzowanym, pomaga badać osobliwości powstających tam pól magnetycznych.
5. W inżynierii mechanicznej stosuje się tzw. metodę fotoelastyczną. Można ją wykorzystać do wyraźnej identyfikacji naprężeń występujących w komponentach i zespołach.
6. Sprzęt jest używany w przedstawieniach teatralnych oraz w dekoracjach koncertowych. Innym zastosowaniem są gabloty i stoiska wystawowe.
7. Urządzenia, które określają poziom cukru we krwi danej osoby. Ich działanie polega na określeniu kąta obrotu płaszczyzny polaryzacji.
8. W wielu przedsiębiorstwach przemysłu spożywczego stosuje się urządzenia do oznaczania stężenia roztworów. Istnieją również urządzenia umożliwiające monitorowanie białek, cukrów i kwasów organicznych dzięki wykorzystaniu właściwości polaryzacyjnych.
9. Kinematografia 3D działa właśnie dzięki wykorzystaniu zjawiska omawianego w tym artykule.

A tak przy okazji! Znane monitory ciekłokrystaliczne i telewizory również działają w oparciu o strumień spolaryzowany.

Znajomość podstawowych cech polaryzacji pomaga wyjaśnić wiele efektów występujących na całym świecie. Jest to również zjawisko szeroko wykorzystywane w nauce, technice, medycynie, fotografii, kinematografii i wielu innych dziedzinach.