Co je polarizace světla a její praktické využití

Polarizované světlo se od standardního světla liší svým rozložením. Byl objeven již dávno a používá se jak k fyzikálním experimentům, tak v běžném životě k provádění některých měření. Pochopení fenoménu polarizace není obtížné, umožní vám to pochopit princip fungování některých zařízení a zjistit, proč se za určitých podmínek světlo nešíří jako obvykle.

Porovnání fotek bez polarizačního filtru a s ním, v druhém případě téměř žádné odlesky.

Co je polarizace světla

Polarizace světla dokazuje, že světlo je příčná vlna. To znamená, že mluvíme o polarizaci elektromagnetických vln obecně a světlo je jednou z odrůd, jejichž vlastnosti podléhají obecným pravidlům.

Polarizace je vlastnost příčných vln, jejichž vektor kmitání je vždy kolmý ke směru šíření světla nebo něčeho jiného.To znamená, že pokud vyberete ze světelných paprsků se stejnou polarizací vektoru, bude to jev polarizace.

Nejčastěji kolem sebe vidíme nepolarizované světlo, protože vektor jeho intenzity se pohybuje všemi možnými směry. Aby byl polarizován, prochází anizotropním prostředím, které přeruší všechny oscilace a ponechá pouze jedno.

Porovnání běžného a polarizovaného světla.

Kdo jev objevil a co dokazuje

Zvažovaný koncept byl poprvé v historii použit slavným britským vědcem I. Newton v roce 1706. Ale jiný výzkumník vysvětlil jeho povahu - James Maxwell. Tehdy nebyla povaha světelných vln známa, ale s hromaděním různých faktů a výsledků různých experimentů se objevovaly stále více důkazů o příčném pohybu elektromagnetických vln.

První, kdo provedl experimenty v této oblasti, byl holandský výzkumník Huygensi, to se stalo v roce 1690. Procházel světlem přes desku islandského nosníku, v důsledku čehož objevil příčnou anizotropii paprsku.

První důkaz polarizace světla ve fyzice získal francouzský badatel E. Malus. Použil dvě desky turmalínu a nakonec přišel se zákonem pojmenovaným po něm. Díky četným experimentům byla prokázána příčná dráha světelných vln, což pomohlo vysvětlit jejich povahu a vlastnosti šíření.

Odkud pochází polarizace světla a jak ji získat sami

Většina světla, které vidíme, není polarizovaná. Slunce, umělé osvětlení - světelný tok s vektorem kmitajícím v různých směrech, šíří se všemi směry bez omezení.

Polarizované světlo se objeví po průchodu anizotropním prostředím, které může mít různé vlastnosti. Toto prostředí odstraní většinu výkyvů a ponechá jediné, co poskytuje požadovaný efekt.

Nejčastěji jako polarizátor působí krystaly. Pokud se dříve používaly především přírodní materiály (například turmalín), nyní existuje mnoho možností pro umělý původ.

Polarizované světlo lze také získat odrazem od jakéhokoli dielektrika. Základem je, že kdy světelný tok láme se na spojení dvou prostředí. To lze snadno zjistit umístěním tužky nebo zkumavky do sklenice s vodou.

Tento princip se používá v polarizačních mikroskopech.

Při jevu lomu světla dochází k polarizaci části paprsků. Míra projevu tohoto efektu závisí na lokalitě zdroj světla a úhel jeho dopadu vzhledem k bodu lomu.

Pokud jde o metody získávání polarizovaného světla, bez ohledu na podmínky se používá jedna ze tří možností:

1. Prism Nicolas. Je pojmenován po skotském průzkumníkovi Nicolasi Williamovi, který jej vynalezl v roce 1828. Dlouhou dobu prováděl experimenty a po 11 letech se mu podařilo získat hotové zařízení, které se v nezměněné podobě používá dodnes.
2. Odraz od dielektrika. Zde je velmi důležité zvolit optimální úhel dopadu a zohlednit stupeň lom světla (čím větší je rozdíl v propustnosti světla obou prostředí, tím více se paprsky lámou).
3. Použití anizotropního prostředí. Nejčastěji se k tomu vybírají krystaly s vhodnými vlastnostmi. Pokud na ně nasměrujete světelný tok, můžete pozorovat jeho paralelní oddělení na výstupu.

Polarizace světla při odrazu a lomu na rozhraní dvou dielektrik

Tento optický jev objevil fyzik ze Skotska David Brewster v roce 1815. Zákon, který odvodil, ukázal vztah mezi indikátory dvou dielektrik při určitém úhlu dopadu světla. Pokud zvolíme podmínky, pak paprsky odražené od rozhraní dvou prostředí budou polarizovány v rovině kolmé na úhel dopadu.

Ilustrace Brewsterova zákona.

Výzkumník poznamenal, že lomený paprsek je částečně polarizován v rovině dopadu. V tomto případě se neodráží všechno světlo, část jde do lámaného paprsku. Brewsterův úhel je úhel, pod kterým odražené světlo zcela polarizované. V tomto případě jsou odražené a lomené paprsky na sebe kolmé.

Abyste pochopili důvod tohoto jevu, musíte vědět následující:

1. V jakékoli elektromagnetické vlně jsou oscilace elektrického pole vždy kolmé na směr jejího pohybu.
2. Proces je rozdělen do dvou fází. V první dopadající vlna způsobí vybuzení molekul dielektrika, ve druhé se objeví lomené a odražené vlny.

Pokud se v experimentu použije jeden plast z křemene nebo jiného vhodného minerálu, intenzita rovinné polarizované světlo bude malá (asi 4 % z celkové intenzity). Pokud ale použijete stoh talířů, můžete dosáhnout výrazného zvýšení výkonu.

Mimochodem! Brewsterův zákon lze také odvodit pomocí Fresnelových vzorců.

Polarizace světla krystalem

Obyčejná dielektrika jsou anizotropní a vlastnosti světla při dopadu na ně závisí především na úhlu dopadu. Vlastnosti krystalů jsou různé, při dopadu světla lze pozorovat efekt dvojího lomu paprsků.To se projevuje následovně: při průchodu konstrukcí se tvoří dva lomené paprsky, které jdou různými směry, liší se i jejich rychlosti.

Nejčastěji se v experimentech používají jednoosé krystaly. V nich se jeden z refrakčních paprsků řídí standardními zákony a nazývá se obyčejný. Druhý je tvořen jinak, nazývá se mimořádný, protože rysy jeho lomu neodpovídají obvyklým kánonám.

Takto vypadá dvojitý lom na diagramu.

Pokud otočíte krystal, obyčejný paprsek zůstane nezměněn a mimořádný paprsek se bude pohybovat po kruhu. Nejčastěji se při pokusech používá kalcit nebo islandský špalek, protože se dobře hodí pro výzkum.

Mimochodem! Pokud se podíváte na prostředí skrze krystal, pak se obrysy všech objektů rozdělí na dvě části.

Na základě experimentů s krystaly Étienne Louis Malus formuloval zákon v roce 1810 roku, který dostal jeho jméno. Odvodil jasnou závislost lineárně polarizovaného světla po jeho průchodu polarizátorem vyrobeným na bázi krystalů. Intenzita paprsku po průchodu krystalem klesá úměrně druhé mocnině kosinu úhlu vytvořeného mezi rovinou polarizace příchozího paprsku a filtrem.

Videolekce: Polarizace světla, fyzika 11. třída.

Praktická aplikace polarizace světla

Uvažovaný jev je v každodenním životě využíván mnohem častěji, než se zdá. Znalost zákonitostí šíření elektromagnetických vln pomohla při tvorbě různých zařízení. Hlavní možnosti jsou:

1. Speciální polarizační filtry pro fotoaparáty vám umožní zbavit se odlesků při fotografování.
2. Brýle s tímto efektem řidiči často používají, protože odstraňují odlesky ze světlometů protijedoucích vozidel.Díky tomu ani dálková světla nemohou oslňovat řidiče, což zvyšuje bezpečnost.
   Absence oslnění je způsobena vlivem polarizace.
3. Vybavení používané v geofyzice umožňuje studovat vlastnosti oblakových hmot. Používá se také ke studiu vlastností polarizace slunečního světla při průchodu mraky.
4. Speciální instalace, které fotografují kosmické mlhoviny v polarizovaném světle, pomáhají studovat vlastnosti magnetických polí, která tam vznikají.
5. Ve strojírenském průmyslu se používá tzv. fotoelastická metoda. S ním můžete jasně určit parametry napětí, které se vyskytují v uzlech a dílech.
6. Zařízení použitý při tvorbě divadelních kulis, stejně jako v koncertním designu. Další oblastí použití jsou vitríny a výstavní stánky.
7. Zařízení, která měří hladinu cukru v krvi člověka. Fungují tak, že určují úhel natočení roviny polarizace.
8. Mnoho podniků potravinářského průmyslu používá zařízení schopná určit koncentraci konkrétního roztoku. Existují také zařízení, která dokážou řídit obsah bílkovin, cukrů a organických kyselin pomocí polarizačních vlastností.
9. 3D kinematografie funguje právě s využitím fenoménu zvažovaného v článku.

Mimochodem! Všechny monitory a televizory s tekutými krystaly dobře známé také fungují na bázi polarizovaného proudu.

Znalost základních rysů polarizace vám umožní vysvětlit mnoho efektů, které se v okolí vyskytují. Tento fenomén je také široce používán ve vědě, technice, medicíně, fotografii, kinematografii a mnoha dalších oblastech.