Vad är ljuspolarisering och dess praktiska tillämpning

Polariserat ljus skiljer sig från standardljus i sin distribution. Den upptäcktes för länge sedan och används både för fysiska experiment och i vardagen för att utföra vissa mätningar. Att förstå fenomenet med polarisering är inte svårt, detta gör att du kan förstå principen för driften av vissa enheter och ta reda på varför ljuset under vissa förhållanden inte sprider sig som vanligt.

Jämförelse av foton utan ett polariserande filter och med det, i det andra fallet finns det nästan ingen bländning.

Vad är ljuspolarisering

Polariseringen av ljus bevisar att ljus är en tvärgående våg. Det vill säga, vi talar om polariseringen av elektromagnetiska vågor i allmänhet, och ljus är en av de sorter, vars egenskaper är föremål för allmänna regler.

Polarisation är en egenskap hos tvärgående vågor, vars svängningsvektor alltid är vinkelrät mot ljusets utbredningsriktning eller något annat.Det vill säga, om du väljer från ljusstrålarna med samma polarisering av vektorn, kommer detta att vara fenomenet med polarisering.

Oftast ser vi opolariserat ljus omkring oss, eftersom dess intensitetsvektor rör sig i alla möjliga riktningar. För att göra den polariserad passerar den genom ett anisotropiskt medium, som skär av alla svängningar och lämnar bara en.

Jämförelse av vanligt och polariserat ljus.

Vem upptäckte fenomenet och vad bevisar det

Konceptet under övervägande användes för första gången i historien av en berömd brittisk vetenskapsman I. Newton 1706. Men en annan forskare förklarade dess natur - James Maxwell. Då var inte ljusvågornas natur känd, men med ackumuleringen av olika fakta och resultaten av olika experiment uppträdde fler och fler bevis på tvärgående elektromagnetiska vågor.

Den första som genomförde experiment på detta område var en holländsk forskare Huygens, detta hände 1690. Han passerade ljus genom en platta av isländsk spar, som ett resultat av vilket han upptäckte strålens tvärgående anisotropi.

Det första beviset på ljusets polarisering i fysiken erhölls av en fransk forskare E. Malus. Han använde två tallrikar turmalin och så småningom kom han på en lag uppkallad efter honom. Tack vare många experiment bevisades ljusvågornas transversalitet, vilket bidrog till att förklara deras natur och utbredningsegenskaper.

Var kommer ljusets polarisering ifrån och hur man får det själv

Det mesta av ljuset vi ser är inte polariserat. Sol, artificiell belysning - ett ljusflöde med en vektor som oscillerar i olika riktningar, sprider sig i alla riktningar utan några begränsningar.

Polariserat ljus uppstår efter att det har passerat genom ett anisotropt medium, som kan ha olika egenskaper. Denna miljö tar bort de flesta fluktuationerna och lämnar kvar det enda som ger önskad effekt.

Oftast fungerar kristaller som en polarisator. Om tidigare huvudsakligen naturliga material användes (till exempel turmalin), finns det nu många alternativ för artificiellt ursprung.

Dessutom kan polariserat ljus erhållas genom reflektion från vilket dielektrikum som helst. Summan av kardemumman är att när ljusflöde det bryts vid föreningspunkten mellan två medier. Detta är lätt att se genom att placera en penna eller ett rör i ett glas vatten.

Denna princip används i polariserande mikroskop.

Under fenomenet ljusbrytning polariseras en del av strålarna. Graden av manifestation av denna effekt beror på platsen ljuskälla och vinkeln för dess infallsvinkel i förhållande till brytningspunkten.

När det gäller metoderna för att erhålla polariserat ljus, används ett av tre alternativ oavsett förhållandena:

1. Prisma Nicolas. Den är uppkallad efter den skotske upptäcktsresanden Nicolas William som uppfann den 1828. Han genomförde experiment under lång tid och kunde efter 11 år få en färdig apparat, som fortfarande används oförändrad.
2. Reflektion från ett dielektrikum. Här är det mycket viktigt att välja den optimala infallsvinkeln och ta hänsyn till graden refraktion (ju större skillnaden är i ljustransmissionen för de två medierna, desto mer bryts strålarna).
3. Använder en anisotrop miljö. Oftast väljs kristaller med lämpliga egenskaper för detta. Om du riktar ett ljusflöde mot dem kan du observera dess parallella separation vid utgången.

Polarisering av ljus vid reflektion och brytning vid gränssnittet mellan två dielektrika

Detta optiska fenomen upptäcktes av en fysiker från Skottland David Brewster 1815. Lagen han härledde visade förhållandet mellan indikatorerna för två dielektrika vid en viss infallsvinkel för ljus. Om vi ​​väljer förhållandena kommer strålarna som reflekteras från gränsytan mellan två medier att polariseras i ett plan vinkelrätt mot infallsvinkeln.

En illustration av Brewsters lag.

Forskaren noterade att den brutna strålen är delvis polariserad i infallsplanet. I det här fallet reflekteras inte allt ljus, en del av det går in i den brutna strålen. Brewster vinkel är vinkeln vid vilken reflekterat ljus helt polariserad. I detta fall är de reflekterade och brutna strålarna vinkelräta mot varandra.

För att förstå orsaken till detta fenomen måste du känna till följande:

1. I alla elektromagnetiska vågor är det elektriska fältets svängningar alltid vinkelräta mot riktningen för dess rörelse.
2. Processen är uppdelad i två steg. I den första orsakar den infallande vågen molekylerna i dielektrikumet att excitera, i den andra uppträder refrakterade och reflekterade vågor.

Om en plast av kvarts eller annat lämpligt mineral används i experimentet, intensitet planpolariserat ljus kommer att vara liten (cirka 4 % av den totala intensiteten). Men om du använder en bunt tallrikar kan du uppnå en betydande ökning av prestanda.

Förresten! Brewsters lag kan också härledas med hjälp av Fresnels formler.

Polarisering av ljus med en kristall

Vanliga dielektrika är anisotropa och ljusets egenskaper när det träffar dem beror huvudsakligen på infallsvinkeln. Kristallernas egenskaper är olika, när ljus träffar dem kan du observera effekten av dubbelbrytning av strålarna.Detta manifesterar sig på följande sätt: när de passerar genom strukturen bildas två brytande strålar, som går i olika riktningar, deras hastigheter skiljer sig också.

Oftast används enaxliga kristaller i experiment. I dem följer en av brytningsstrålarna standardlagar och kallas vanlig. Den andra är bildad annorlunda, den kallas extraordinär, eftersom egenskaperna hos dess brytning inte motsvarar de vanliga kanonerna.

Så här ser dubbelbrytning ut i diagrammet.

Om du roterar kristallen kommer den vanliga strålen att förbli oförändrad, och den extraordinära kommer att röra sig runt cirkeln. Oftast används kalcit eller isländsk spar i försök, eftersom de är väl lämpade för forskning.

Förresten! Om du tittar på miljön genom kristallen kommer konturerna av alla föremål att delas i två delar.

Baserat på experiment med kristaller Étienne Louis Malus formulerade lagen 1810 året som fick hans namn. Han härledde ett tydligt beroende av linjärt polariserat ljus efter dess passage genom en polarisator gjord på basis av kristaller. Strålens intensitet efter att ha passerat genom kristallen minskar i proportion till kvadraten på cosinus för vinkeln som bildas mellan polarisationsplanet för den inkommande strålen och filtret.

Videolektion: Polarisering av ljus, fysik årskurs 11.

Praktisk tillämpning av ljuspolarisering

Fenomenet i fråga används i vardagen mycket oftare än det verkar. Kunskap om lagarna för utbredning av elektromagnetiska vågor hjälpte till att skapa olika utrustningar. Huvudalternativen är:

1. Särskilda polariserande filter för kameror gör att du kan bli av med bländning när du tar bilder.
2. Glasögon med denna effekt används ofta av förare, eftersom de tar bort bländning från strålkastarna på mötande fordon.Som ett resultat kan inte heller helljus blända föraren, vilket förbättrar säkerheten.
   Frånvaron av bländning beror på effekten av polarisering.
3. Utrustningen som används inom geofysik gör det möjligt att studera molnmassornas egenskaper. Det används också för att studera egenskaperna hos polariseringen av solljus när det passerar genom moln.
4. Särskilda installationer som fotograferar kosmiska nebulosor i polariserat ljus hjälper till att studera egenskaperna hos de magnetiska fälten som uppstår där.
5. Inom verkstadsindustrin används den så kallade fotoelastiska metoden. Med den kan du tydligt bestämma stressparametrarna som uppstår i noderna och delarna.
6. Utrustning Begagnade vid skapandet av teatraliska kulisser, såväl som vid konsertdesign. Ett annat användningsområde är montrar och utställningsmontrar.
7. Enheter som mäter sockernivån i en persons blod. De fungerar genom att bestämma rotationsvinkeln för polarisationsplanet.
8. Många livsmedelsindustriföretag använder utrustning som kan bestämma koncentrationen av en viss lösning. Det finns också apparater som kan kontrollera innehållet av proteiner, sockerarter och organiska syror genom användning av polarisationsegenskaper.
9. 3D-kinematografi fungerar just genom användningen av fenomenet som behandlas i artikeln.

Förresten! Bekant för alla monitorer och TV-apparater med flytande kristaller fungerar också på basis av en polariserad ström.

Genom att känna till de grundläggande egenskaperna hos polarisering kan du förklara de många effekterna som uppstår runt omkring. Detta fenomen används också i stor utsträckning inom vetenskap, teknik, medicin, fotografi, film och många andra områden.