Ce este polarizarea luminii și aplicarea sa practică

Lumina polarizată diferă de lumina standard în ceea ce privește propagarea ei. Acesta a fost descoperit cu mult timp în urmă și este folosit atât pentru experimente fizice, cât și în viața de zi cu zi pentru a efectua unele măsurători. Înțelegerea fenomenului de polarizare nu este dificilă, ci ajută la înțelegerea modului în care funcționează anumite dispozitive și a motivelor pentru care lumina nu se propagă așa cum o face în mod normal în anumite condiții.

Comparați fotografia cu și fără filtru polarizator, în acest din urmă caz nu există aproape nicio strălucire.

Ce este polarizarea luminii

Polarizarea luminii dovedește că lumina este o undă transversală. Adică, vorbim despre polarizarea undelor electromagnetice în general, iar lumina este una dintre varietățile ale căror proprietăți se supun unor reguli generale.

Polarizarea este o proprietate a undelor transversale al căror vector de oscilație este întotdeauna perpendicular pe direcția de propagare a luminii sau a oricărui alt obiect. Adică, dacă se izolează raze de lumină cu același vector de polarizare, acesta ar fi fenomenul de polarizare.

De cele mai multe ori, vedem în jurul nostru lumină nepolarizată, deoarece aceasta are un vector de intensitate care se deplasează în toate direcțiile posibile. Pentru a o polariza, aceasta este trecută printr-un mediu anizotropic, care elimină toate vibrațiile și lasă doar una singură.

O comparație între lumina obișnuită și cea polarizată.

Cine a descoperit fenomenul și ce dovedește acesta

Conceptul în cauză a fost folosit pentru prima dată de celebrul om de știință britanic И. Newton în 1706.. Dar un alt cercetător a fost cel care a explicat natura sa. James Maxwell.. La acea vreme, natura undelor luminoase nu era cunoscută, dar pe măsură ce s-au acumulat diverse fapte și rezultatele diferitelor experimente, au apărut tot mai multe dovezi privind natura transversală a undelor electromagnetice.

Primul care a experimentat în acest domeniu a fost exploratorul olandez Huygens, în 1690.. El a făcut să treacă lumina printr-o placă de șarpantă islandeză și, ca urmare, a descoperit anizotropia transversală a fasciculului.

Prima dovadă a polarizării luminii în fizică a fost obținută de cercetătorul francez Э. Malus. El a folosit două plăci de turmalină și, în cele din urmă, a obținut legea care îi poartă numele. Datorită numeroaselor experimente, a fost demonstrată natura transversală a undelor luminoase, ceea ce a contribuit la explicarea naturii și caracteristicilor de propagare a acestora.

De unde provine polarizarea luminii și cum să o obțineți singur

Cea mai mare parte a luminii pe care o vedem nu este polarizată. Sun, lumină artificială - Un flux de lumină cu un vector care oscilează în diferite direcții se propagă în toate direcțiile fără nicio limitare.

Lumina polarizată apare după ce a trecut printr-un mediu anizotrop, care poate avea proprietăți diferite. Acest mediu elimină majoritatea vibrațiilor, lăsând doar una singură, care asigură efectul dorit.

Cel mai frecvent polarizator este reprezentat de cristale. În timp ce în trecut se foloseau mai ales materiale naturale (de exemplu, turmalina), în prezent există multe opțiuni artificiale.

Lumina polarizată poate fi, de asemenea, produsă prin reflexie de orice dielectric. Ideea este că atunci când lumina lovește flux luminos la joncțiunea celor două medii, este refractată. Acest lucru poate fi observat cu ușurință prin introducerea unui creion sau a unui tub într-un pahar cu apă.

Acest principiu este utilizat în microscoapele de polarizare.

În fenomenul de refracție a luminii, o parte din raze sunt polarizate. Amploarea acestui efect depinde de poziția sursă de lumină și unghiul de incidență a luminii în raport cu locul de refracție.

În ceea ce privește metoda de producere a luminii polarizate, se utilizează una dintre cele trei variante, indiferent de condiții:

1. Nicolas prismă. Numit după exploratorul scoțian Nicolas William, care l-a inventat în 1828. A experimentat mult timp și, după 11 ani, a reușit să producă un dispozitiv finit, care este utilizat și astăzi, fără modificări.
2. Reflecția de pe un dielectric. Aici este foarte important să se găsească unghiul optim de incidență și să se ia în considerare gradul de de refracție (Cu cât diferența de transmisie dintre cele două medii este mai mare, cu atât razele sunt mai mult refractate).
3. Utilizarea unui mediu anizotropic. Cel mai adesea, în acest scop se selectează cristale cu proprietăți adecvate. Dacă fluxul de lumină este direcționat spre ele, la ieșire se poate observa o separare paralelă.

Polarizarea luminii prin reflexie și refracție la interfața a doi dielectrici

Acest fenomen optic a fost descoperit de fizicianul scoțian de David Brewster în 1815.. Legea pe care a derivat-o a arătat corelația dintre indicii a doi dielectrici la un anumit unghi de incidență a luminii. Dacă sunt alese condițiile, razele reflectate de la joncțiunea celor două medii vor fi polarizate în planul perpendicular pe unghiul de incidență.

O ilustrare a legii lui Brewster.

Cercetătorul a observat că fasciculul refractat este, de asemenea, parțial polarizat în planul de incidență. Aceasta nu reflectă toată lumina, o parte din ea scapă în fasciculul refractat. Unghiul Brewster este unghiul la care lumina reflectată este complet polarizat. Razele reflectate și refractate sunt perpendiculare una pe cealaltă.

Pentru a înțelege motivul acestui fenomen, trebuie să știm următoarele:

1. În orice undă electromagnetică, oscilația câmpului electric este întotdeauna perpendiculară pe direcția de mișcare a acestuia.
2. Procesul este împărțit în două etape. În primul caz, unda incidentă provoacă o perturbare a moleculelor dielectrice, iar în cel de-al doilea, există unde refractate și reflectate.

Dacă folosim în cadrul experimentului o singură placă de cuarț sau un alt mineral adecvat, intensitatea de lumină polarizată în plan va fi mică (de ordinul a 4% din intensitatea totală). Dar dacă folosiți o stivă de plăci, puteți obține o creștere semnificativă a performanței.

Apropo! Legea lui Brewster poate fi, de asemenea, derivată folosind formulele Fresnel.

Polarizarea luminii de către un cristal

Dielectricii normali sunt anizotropi, iar caracteristicile luminii care îi lovește depind în principal de unghiul de incidență. Cristalele au proprietăți diferite, iar atunci când lumina le atinge, se poate observa un efect de birefringență. Acest lucru se manifestă în felul următor: atunci când trec prin structură se formează două raze refractate; acestea merg în direcții diferite și vitezele lor sunt, de asemenea, diferite.

Cristalele cu o singură axă sunt cel mai des utilizate în experimente. Unul dintre fasciculele de refracție se supune legilor standard și se numește obișnuit. Al doilea fascicul este format diferit, se numește extraordinar, deoarece particularitățile refracției sale nu corespund canoanelor obișnuite.

Iată cum arată dubla refracție în diagramă.

Dacă rotiți cristalul, fasciculul obișnuit va rămâne neschimbat, iar fascicululul extraordinar se va deplasa în jurul circumferinței. Calcitul sau feldspatul islandez sunt cel mai des folosite în experimente, deoarece sunt foarte potrivite pentru cercetare.

Apropo! Dacă vă priviți împrejurimile printr-un cristal, contururile tuturor obiectelor se vor bifurca.

Pe baza experimentelor cu cristale Etienne Louis Malus a formulat o lege în 1810 în 1810, care îi poartă numele. El a dedus o dependență clară a luminii polarizate liniar după ce aceasta a trecut printr-un polarizator realizat din cristale. Intensitatea fasciculului după trecerea prin cristal scade proporțional cu pătratul cosinusului unghiului format între planul de polarizare al fasciculului de intrare și filtru.

Lecție video: Polarizarea luminii, clasa a 11-a de fizică.

Aplicații practice ale polarizării luminii

Fenomenul în cauză este folosit în viața de zi cu zi mult mai des decât pare. Cunoașterea legilor de propagare a undelor electromagnetice a ajutat la crearea de diverse echipamente. Principalele opțiuni sunt următoarele:

1. Filtrele speciale de polarizare pentru aparate foto vă permit să scăpați de strălucire atunci când faceți fotografii.
2. Ochelarii cu acest efect sunt adesea folosiți de șoferi, deoarece elimină strălucirea farurilor din față. Prin urmare, nici măcar lumina de drum înalt nu poate orbi șoferul, ceea ce sporește siguranța.
   Absența strălucirii se datorează efectului de polarizare.
3. Echipamentele utilizate în geofizică permit studierea proprietăților maselor de nori. De asemenea, este utilizat pentru a studia modelele de polarizare a luminii solare atunci când aceasta trece prin nori.
4. Un echipament special care fotografiază nebuloasele cosmice în lumină polarizată ajută la studierea particularităților câmpurilor magnetice care apar acolo.
5. În ingineria mecanică, se utilizează așa-numita metodă fotoelastică. Acesta poate fi utilizat pentru a identifica în mod clar tensiunile care apar în componente și ansambluri.
6. Echipamentul se utilizează în producții de teatru, precum și în decoruri de concert. O altă aplicație este în vitrine și standuri de expoziție.
7. Dispozitive care determină nivelul de zahăr din sânge al unei persoane. Acestea funcționează prin determinarea unghiului de rotație al planului de polarizare.
8. Multe întreprinderi din industria alimentară utilizează echipamente capabile să determine concentrația unei soluții sau a alteia. Există, de asemenea, dispozitive capabile să monitorizeze proteinele, zaharurile și acizii organici prin aplicarea proprietăților de polarizare.
9. Cinematografia 3D funcționează tocmai prin utilizarea fenomenului discutat în acest articol.

Apropo! Monitoarele cu cristale lichide și televizoarele cunoscute funcționează, de asemenea, pe baza fluxului polarizat.

Cunoașterea caracteristicilor de bază ale polarizării ajută la explicarea multora dintre efectele întâlnite în întreaga lume. Este, de asemenea, un fenomen utilizat pe scară largă în știință, tehnologie, medicină, fotografie, cinematografie și în multe alte domenii.