Ce este polarizarea luminii și aplicarea ei practică

Lumina polarizată diferă de lumina standard în distribuția sa. 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, acest lucru vă va permite să înțelegeți principiul de funcționare a unor dispozitive și să aflați de ce, în anumite condiții, lumina nu se propaga ca de obicei.

Comparație de fotografii fără un filtru polarizant și cu acesta, în al doilea caz aproape că nu există strălucire.

Ce este polarizarea luminii

Polarizarea luminii demonstrează că lumina este o undă transversală. Adică, vorbim despre polarizarea undelor electromagnetice în general, iar lumina este una dintre varietățile ale căror proprietăți sunt supuse 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 altceva.Adică, dacă selectați dintre razele de lumină cu aceeași polarizare a vectorului, atunci acesta va fi fenomenul de polarizare.

Cel mai adesea, vedem lumină nepolarizată în jurul nostru, deoarece vectorul său de intensitate se mișcă în toate direcțiile posibile. Pentru a se polariza, este trecut printr-un mediu anizotrop, care întrerupe toate oscilațiile și lasă doar una.

Comparația dintre lumina obișnuită și cea polarizată.

Cine a descoperit fenomenul și ce dovedește el

Conceptul luat în considerare a fost folosit pentru prima dată în istorie de un celebru om de știință britanic I. Newton în 1706. Dar un alt cercetător a explicat natura sa - James Maxwell. Atunci natura undelor luminoase nu a fost cunoscută, dar odată cu acumularea diferitelor fapte și a rezultatelor diferitelor experimente, au apărut din ce în ce mai multe dovezi ale transversalității undelor electromagnetice.

Primul care a efectuat experimente în acest domeniu a fost un cercetător olandez Huygens, asta s-a întâmplat în 1690. A trecut lumina printr-o placă de spate islandeză, în urma căreia a descoperit anizotropia transversală a fasciculului.

Prima dovadă a polarizării luminii în fizică a fost obținută de un cercetător francez E. Malus. A folosit două farfurii de turmalină și în cele din urmă a venit cu o lege care îi poartă numele. Datorită numeroaselor experimente, a fost dovedită transversalitatea undelor luminoase, ceea ce a ajutat la explicarea naturii și a caracteristicilor de propagare a acestora.

De unde vine polarizarea luminii și cum să o obțineți singur

Cea mai mare parte a luminii pe care o vedem nu este polarizată. Soare, iluminat artificial - un flux luminos cu un vector care oscilează în direcții diferite, se răspândește în toate direcțiile fără nicio restricție.

Lumina polarizată apare după ce a trecut printr-un mediu anizotrop, care poate avea proprietăți diferite. Acest mediu înlătură majoritatea fluctuațiilor, lăsând singurul lucru care oferă efectul dorit.

Cel mai adesea, cristalele acționează ca un polarizator. Dacă anterior se foloseau în principal materiale naturale (de exemplu, turmalina), acum există multe opțiuni pentru originea artificială.

De asemenea, lumina polarizată poate fi obținută prin reflexie de la orice dielectric. Concluzia este că atunci când flux luminos este refracta la jonctiunea a doua medii. Acest lucru este ușor de văzut punând un creion sau un tub într-un pahar cu apă.

Acest principiu este folosit la microscoapele polarizante.

În timpul fenomenului de refracție a luminii, o parte din raze este polarizată. Gradul de manifestare a acestui efect depinde de localizare sursă de lumină și unghiul incidenței sale față de punctul de refracție.

În ceea ce privește metodele de obținere a luminii polarizate, se utilizează una dintre cele trei opțiuni, indiferent de condiții:

1. Prisma Nicolas. Este numit după exploratorul scoțian Nicolas William care l-a inventat în 1828. El a efectuat experimente mult timp și după 11 ani a reușit să obțină un dispozitiv finit, care este încă folosit neschimbat.
2. Reflexia de la un dielectric. Aici este foarte important să alegeți unghiul optim de incidență și să țineți cont de grad refracţie (cu cât diferența de transmisie a luminii dintre cele două medii este mai mare, cu atât razele sunt mai refractate).
3. Folosind un mediu anizotrop. Cel mai adesea, cristalele cu proprietăți adecvate sunt selectate pentru aceasta. Dacă direcționați un flux de lumină către ei, puteți observa separarea lui paralelă la ieșire.

Polarizarea luminii la reflexie și refracție la interfața a doi dielectrici

Acest fenomen optic a fost descoperit de un fizician din Scoția David Brewster în 1815. Legea derivată de el a arătat relația dintre indicatorii a doi dielectrici la un anumit unghi de incidență a luminii. Dacă alegem condițiile, atunci razele reflectate de la interfața a două medii vor fi polarizate într-un plan perpendicular pe unghiul de incidență.

O ilustrare a legii lui Brewster.

Cercetătorul a observat că fasciculul refractat este parțial polarizat în planul de incidență. În acest caz, nu toată lumina este reflectată, o parte din ea merge în fasciculul refractat. Unghiul Brewster este unghiul la care lumina reflectata complet polarizat. În acest caz, razele reflectate și refractate sunt perpendiculare între ele.

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

1. În orice undă electromagnetică, oscilațiile câmpului electric sunt întotdeauna perpendiculare pe direcția de mișcare a acestuia.
2. Procesul este împărțit în două etape. În prima, unda incidentă determină excitarea moleculelor dielectricului, în a doua, apar unde refractate și reflectate.

Dacă un plastic de cuarț sau alt mineral adecvat este utilizat în experiment, intensitate lumină polarizată plană va fi mic (aproximativ 4% din intensitatea totală). Dar dacă utilizați un teanc de farfurii, puteți obține o creștere semnificativă a performanței.

Apropo! Legea lui Brewster poate fi derivată și folosind formulele lui Fresnel.

Polarizarea luminii de către un cristal

Dielectricii obișnuiți sunt anizotropi și caracteristicile luminii atunci când le lovește depind în principal de unghiul de incidență. Proprietățile cristalelor sunt diferite, atunci când lumina le lovește, puteți observa efectul dublei refracții a razelor.Acest lucru se manifestă astfel: la trecerea prin structură se formează două fascicule refractate, care merg în direcții diferite, vitezele lor diferă și ele.

Cel mai adesea, cristalele uniaxiale sunt folosite în experimente. În ele, unul dintre fasciculele de refracție se supune legilor standard și se numește obișnuit. Al doilea este format diferit, este numit extraordinar, deoarece caracteristicile refracției sale nu corespund canoanelor obișnuite.

Așa arată refracția dublă în diagramă.

Dacă rotiți cristalul, atunci fasciculul obișnuit va rămâne neschimbat, iar cel extraordinar se va mișca în jurul cercului. Cel mai adesea, calcitul sau spatele islandez sunt folosite în experimente, deoarece sunt foarte potrivite pentru cercetare.

Apropo! Dacă priviți mediul prin cristal, atunci contururile tuturor obiectelor se vor împărți în două.

Bazat pe experimente cu cristale Étienne Louis Malus a formulat legea în 1810 anul care i-a primit numele. El a dedus o dependență clară de lumina polarizată liniar după trecerea acesteia printr-un polarizator realizat pe bază de 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, fizică clasa a 11-a.

Aplicarea practică a polarizării luminii

Fenomenul luat în considerare este folosit în viața de zi cu zi mult mai des decât pare. Cunoașterea legilor de propagare a undelor electromagnetice a ajutat la crearea diferitelor echipamente. Opțiunile principale sunt:

1. Filtrele polarizante speciale pentru camere vă permit să scăpați de strălucire atunci când faceți fotografii.
2. Ochelarii cu acest efect sunt adesea folosiți de șoferi, deoarece elimină strălucirea de la farurile vehiculelor care se apropie din sens opus.Drept urmare, chiar și faza lungă nu poate orbi șoferul, ceea ce îmbunătățește siguranța.
   Absența strălucirii se datorează efectului de polarizare.
3. Echipamentele folosite în geofizică fac posibilă studierea proprietăților maselor de nori. De asemenea, este folosit pentru a studia caracteristicile polarizării luminii solare la trecerea prin nori.
4. Instalațiile speciale care fotografiază nebuloase cosmice în lumină polarizată ajută la studiul caracteristicilor câmpurilor magnetice care apar acolo.
5. În industria ingineriei se folosește așa-numita metodă fotoelastică. Cu acesta, puteți determina în mod clar parametrii de stres care apar în noduri și părți.
6. Echipamente folosit la crearea decorurilor de teatru, precum și în designul concertelor. Un alt domeniu de aplicare sunt vitrinele și standurile expoziționale.
7. Dispozitive care măsoară nivelul de zahăr din sângele unei persoane. Ele funcționează prin determinarea unghiului de rotație al planului de polarizare.
8. Multe întreprinderi din industria alimentară folosesc echipamente capabile să determine concentrația unei anumite soluții. Există și dispozitive care pot controla conținutul de proteine, zaharuri și acizi organici prin utilizarea proprietăților de polarizare.
9. Cinematografia 3D funcționează tocmai prin utilizarea fenomenului luat în considerare în articol.

Apropo! Familiar pentru toate monitoarele și televizoarele cu cristale lichide funcționează și pe baza unui flux polarizat.

Cunoașterea caracteristicilor de bază ale polarizării vă permite să explicați numeroasele efecte care apar în jur. De asemenea, acest fenomen este utilizat pe scară largă în știință, tehnologie, medicină, fotografie, cinema și multe alte domenii.