Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Jeśli wolny koniec liny przywiązanej do stabilnego przedmiotu regularnie „faluje”, to powstanie na nim fala poprzeczna. Może oscylować w jednej płaszczyźnie - pionowej, poziomej lub pod pewnym kątem do poziomu. Taka fala nazywana jest spolaryzowaną. Jeśli lina wibruje nierównomiernie, w różnych płaszczyznach, rozchodzi się przez nią fala niespolaryzowana. Światło, które jest falą elektromagnetyczną, zachowuje się jak fala na sznurku. Właściwość ta jest wykorzystywana np. w okularach 3D do rozróżniania obrazu dla lewego i prawego oka.

Falę poprzeczną nazywamy spolaryzowaną płasko, jeśli oscylacje we wszystkich jej punktach zachodzą tylko w jednej płaszczyźnie.

W odniesieniu do światła termin polaryzacja został wprowadzony w latach 1704-1706 przez Newtona.

Fala światła spolaryzowanego

Światło to fala promieniowania elektromagnetycznego, tj. zaburzenia pola elektrycznego i magnetycznego poruszającego się w przestrzeni. Dla uproszczenia będziemy mówić o świetle monochromatycznym, czyli fali harmonicznej o określonej częstotliwości i długości fali.

Fala elektromagnetyczna jest falą poprzeczną. Oznacza to, że jego pole elektryczne E jest zawsze prostopadłe (oscyluje prostopadle) do kierunku propagacji fali. Mówimy, że fala jest spolaryzowana, jeśli pole elektryczne w dowolnym punkcie ma ten sam kierunek. Przykład fali spolaryzowanej pokazano na rysunku 1.

Tak więc polaryzacja światła opisuje kierunek oscylacji wektora pola elektrycznego.

Fala spolaryzowana (z ang. spolarized wave) - fala, której pole elektryczne oscyluje w jednej płaszczyźnie.

Ryż. 1. Fala spolaryzowana

Fala pokazana na ryc. 1 oscyluje w kierunku pionowym. Kierunek oscylacji fali spolaryzowanej nazywamy kierunkiem polaryzacji. Kierunek ten może być dowolny – fala może oscylować pionowo (ryc. 2. b), poziomo (ryc. 2. a) lub pod pewnym kątem (ryc. 2. c).

Ryż. 2. Fale o różnych kierunkach polaryzacji

Fala niespolaryzowana

Nie wszystkie fale są spolaryzowane. W niektórych falach kierunek pola elektrycznego zmienia się losowo z miejsca na miejsce. Taką falę nazywamy niespolaryzowaną (Rys. 3).

Ryż. 3. Fala niespolaryzowana

Taka jest natura światła emitowanego przez rozgrzany metal, taki jak żarnik wolframowy zwykłej żarówki. Światło emitowane przez świecący gaz atomowy, taki jak lampa neonowa (świecą atomy neonu) lub płomień palnika gazowego solanki (świecą atomy sodu), również jest niespolaryzowane.

Korzystając z ostatniego przykładu, wyjaśnimy, dlaczego te fale nie są spolaryzowane. W wyniku ogrzewania ciała atomy zaczynają wibrować i świecić, aby pozbyć się nadmiaru energii. Kierunki drgań tych atomów są losowe, a zatem losowo zmienia się również kierunek pola elektrycznego emitowanej fali elektromagnetycznej. na ryc. 4 widzimy trzy atomy, które są źródłem fal o różnych polaryzacjach. Wynikiem ich połączenia jest niespolaryzowana fala.

Ryż. 4. Wibrujące atomy są źródłem fal o różnych polaryzacjach

Rozkład dowolnej fali na dwie spolaryzowane fale

Każdą falę można rozłożyć na dwie spolaryzowane fale o dowolnie wybranych prostopadłych kierunkach pola elektrycznego. Wynika to z prostego faktu, że każdy wektor na płaszczyźnie można przedstawić jako sumę dwóch prostopadłych do siebie wektorów.Dotyczy to zarówno fal spolaryzowanych, jak i niespolaryzowanych.

Taki rozkład fali spolaryzowanej o „dowolnym” kierunku polaryzacji na falę o pionowym polu elektrycznym (fala zielona) i poziomym polu elektrycznym (fala czerwona) pokazano na rys. 5.

Ryż. 5. Rozkład fali spolaryzowanej o "dowolnym" kierunku polaryzacji na falę z pionowym polem elektrycznym (fala zielona) i poziomym polem elektrycznym (fala czerwona)

Polaryzator

Polaryzator to urządzenie, które przepuszcza tylko te fale elektromagnetyczne z padającego niespolaryzowanego światła, których wektor elektryczny leży w kierunku określonym przez polaryzator.

System zwany polaryzatorem działa w następujący sposób. Ma określony kierunek. na ryc. 6 to kierunek poziomy.

    Jeżeli fala spolaryzowana pada na polaryzator, w którym kierunek pola elektrycznego pokrywa się z kierunkiem wybranej fali, to przechodzi przez niego bez zmiany amplitudy (Rys. 6. a).
  1. Jeżeli padnie na nią fala spolaryzowana, w której kierunek pola elektrycznego jest prostopadły do wybranego kierunku, to w ogóle nie przechodzi (Rys. 6. b).
  2. Jeżeli padnie na nią fala spolaryzowana, w której kierunek polaryzacji tworzy z wybranym kierunkiem kąt niezerowy, to tylko jej składowa przechodzi wzdłuż wybranego kierunku (rys. 6. c i 6. d) . Po przejściu przez nią fala oczywiście ulega polaryzacji.
  3. Jeśli fala niespolaryzowana pada na polaryzator, to przechodzi przez nią tylko jej składowa wzdłuż wybranego kierunku. Oczywiście jest to fala spolaryzowana. W ten sposób polaryzator przekształca falę niespolaryzowaną w falę spolaryzowaną.
Ryż. 6. Tylko składowa natężenia pola elektrycznego przechodzi przez polaryzator w wybranym kierunku - tutaj poziomo.

W dzisiejszych czasach do polaryzacji światła powszechnie stosuje się specjalne plastikowe folie zwane filtrami polaryzacyjnymi. Takie folie są stosowane w monitorach komputerowych.

Filtr polaryzacyjny (z ang. polarising filter) - potocznie nazywany polaroidem; przezroczysta płyta lub folia, która działa jak polaryzator, tj. urządzenie, które transmituje tylko te fale elektromagnetyczne z padającego niespolaryzowanego światła, którego wektor elektryczny leży w kierunku wskazanym przez polaryzator.

Światło częściowo spolaryzowane

Jest jeszcze jedna możliwość. Pola elektryczne fali świetlnej przyjmują wszystkie możliwe kierunki, ale prawdopodobieństwo ich wystąpienia nie jest takie samo. Dla pewnego kierunku jest największy, a dla kierunku do niego prostopadłego najmniejszy. Gdy badamy takie światło obracającym się polaryzatorem, otrzymujemy wynik pokazany na ryc. 7. Mówimy o takim świetle, że jest częściowo spolaryzowane.

Ryż. 7. Wykres zależności natężenia światła od kąta obrotu polaryzatora, uzyskany podczas badania światła częściowo spolaryzowanego.

Polaryzacja światła po odbiciu

W życiu codziennym nieustannie obserwujemy przenikanie światła przez podwójnie oszklone okna. Widzimy, że zwykle światło wpada do szkła i jednocześnie odbija się od jego powierzchni. Okazało się jednak, że przy odpowiednim doborze źródła światła i kąta nachylenia światło może w ogóle nie zostać odbite. Jest to określone przez polaryzację fali świetlnej.

Załóżmy, że wiązka światła spolaryzowanego pada na powierzchnię dwóch ośrodków pod kątem α ≠ 0⁰. Płaszczyzna zawierająca promień padający i normalną nazywana jest płaszczyzną padania. Na rysunku 8 ta płaszczyzna jest zaznaczona na niebiesko.

Kiedy rozważamy występowanie światła spolaryzowanego na powierzchni, musimy rozróżnić dwa główne przypadki. Są one pokazane na ryc. 8. W obu przypadkach wiązka światła porusza się po linii prostej x:

  • a. Pole elektryczne (czerwone wektory) fali elektromagnetycznej jest prostopadłe do płaszczyzny padania (niebieska płaszczyzna),
  • b. Pole elektryczne E harmonicznej fali elektromagnetycznej jest równoległe do płaszczyzny padania (czerwone wektory leżą na niebieskiej płaszczyźnie). Wtedy pole to tworzy kąt α z granicą ośrodka. Kąt ten leży również w płaszczyźnie padania (niebieska płaszczyzna).
Ryż. 8. Fala padająca na powierzchnię

Zbadano, jak wielkość pola elektrycznego odbitego światła zależy od kąta padania dla substancji o współczynniku załamania światła n w tych sytuacjach. na ryc. 9 przedstawia stosunek wielkości amplitudy pola elektrycznego światła odbitego do amplitudy światła padającego E0, gdy światło przechodzi z powietrza do ośrodka o współczynniku załamania n=1,5, w zależności od kąta padania. Takim materiałem jest np. szkło.

Ryż. 9. Stosunek wielkości amplitudy pola elektrycznego światła odbitego do amplitudy światła padającego w zależności od kąta padania.

a. Niebieska krzywa odpowiada polaryzacji (a) na ryc. 8. Dla padania prostopadłego, tj. α=0⁰, stosunek E/E0wynosi 0,2. Wraz ze wzrostem kąta α rośnie wartość E/E0.Oznacza to, że coraz więcej padającego światła jest odbijane, a nie załamywane. Stosunek E/E0 osiąga 1 przy wartościach kąta α zbliżających się do 90°. Wtedy odbija się całe światło.

b. Czerwona krzywa odpowiada polaryzacji (b) na ryc. 8. Dla α=0⁰, tj. światło padające prostopadle do powierzchni, stosunek E/E0wynosi 0,2. Wtedy nie ma różnicy między przypadkiem (a) a przypadkiem (b). Wraz ze wzrostem kąta α wartość E/E0początkowo wcale nie rośnie, lecz maleje. Światło odbija się coraz mniej. Wartość E/E0osiąga zero dla pewnego kąta. Ten kąt αBnazywany jest kątem Brewstera. Zależy to od współczynnika załamania substancji. Dla n=1,5 jest to αB=56,3°.Dla kątów większych niż αB, stosunek E/E0 wzrasta i zbliża się do jedności, gdy α zbliża się do 90°. Wtedy cały świat zachowuje się jak w przypadku (a).

Kąt Brewstera spełnia prostą zależność tg αB=n .

Całkowita polaryzacja światła przez odbicie

Zastanówmy się dalej, co się stanie, jeśli niespolaryzowane światło, na przykład ze zwykłej żarówki, padnie na szkło pod kątem Brewstera. Taką falę można rozłożyć na dwie spolaryzowane fale o prostopadłych kierunkach pola elektrycznego, jedną typu (a), a drugą typu (b).

Każdą falę można rozłożyć na dwie spolaryzowane fale o dowolnie wybranych prostopadłych kierunkach pola elektrycznego. Wynika to z prostego faktu, że każdy wektor na płaszczyźnie można przedstawić jako sumę dwóch prostopadłych do siebie wektorów (rys. 10). Dotyczy to zarówno fal spolaryzowanych, jak i niespolaryzowanych.

Ryż. 10. Rozkład wektora pola elektrycznego na dwa prostopadłe kierunki

W przypadku fali niespolaryzowanej, gdy rozłożymy ją na składowe, okaże się, że fala (a) zostanie częściowo odbita (niebieska krzywa na rys. 9.), a fala (b) nie będzie odbije się w ogóle, ale całkowicie wniknie w szkło (czerwona krzywa na ryc. 9.). Zatem odbite światło będzie zawierało tylko jeden składnik, tj. będzie w pełni spolaryzowany, z kierunkiem pola elektrycznego jak na rys. 2a.

Częściowa polaryzacja światła po odbiciu

Dla wszystkich kątów α innych niż αB w świetle odbitym obecne są obie składowe: (a) i (b). Z wyjątkiem α=0⁰ i α do 90°, składnik (a) jest średnio większy niż składnik (b). Gdy polaryzator obraca się, obserwowane natężenie światła zmienia się. Dla niektórych kątów jest to najwyższy kąt, a dla innych najniższy.Nie obserwuje się jednak całkowitego zaniku natężenia światła. Wykres natężenia światła w zależności od kąta obrotu polaryzatora przedstawiono na rys. 11.

Ryż. 11. Wykres natężenia światła w zależności od kąta zamocowania polaryzatora dla kątów padania innych niż kąt Brewstera

Takie światło nazywamy częściowo spolaryzowanym.

Typy polaryzacji

Polaryzacja dzieli się na różne typy w zależności od tego jak zachowuje się kierunek oscylacji pola elektrycznego i jego wielkość.

  • Polaryzacja liniowa: kierunek pola elektrycznego jest stały, ale jego wielkość zmienia się okresowo.
  • Polaryzacja kołowa: tutaj natężenie pola elektrycznego jest stałe, ale kierunek jego oscylacji zmienia się wraz ze stałą prędkością kątową.
  • Polaryzacja eliptyczna: przy tego rodzaju polaryzacji zmienia się zarówno wielkość pola elektrycznego, jak i kierunek jego oscylacji.

Nazwa rodzajów polaryzacji wzięła się stąd, że patrząc od przodu wektor pola elektrycznego ma następujące kształty geometryczne (patrz rysunek 12).

Ryż. 12. Rodzaje polaryzacji światła

Na przykład w polaryzacji liniowej wektor pola elektrycznego porusza się wzdłuż linii, podczas gdy w polaryzacji kołowej porusza się po okręgu.

Przykłady wykorzystania polaryzacji światła

Na koniec krótka lista obszarów, w których polaryzacja światła ma kluczowe znaczenie. Należą do nich

  • wyświetlacze ciekłokrystaliczne (zwane także LCD),
  • okulary przeciwsłoneczne,
  • filmy 3D,
  • analiza naprężeń w przezroczystych tworzywach sztucznych,
  • na zdjęciu.

Referencje

    Zhilko VV, Markovich Ya.G.Fizyka. Klasa 11. - 2011.
  1. Myakishev G. Ya., Bukhovtsev BB, Charugin VM Physics. Klasa 11. Samouczek.
  2. Kasyanov VA Fizyka, klasa 11. - 2004.
  3. Kakichashvili Sh. D. Holografia polaryzacyjna / dziury. wyd. Yu N. Denisyuk. - L.: "Nauka" , 1989. - 141 s.

Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!

Kategoria:

Budynek