Kas ir gaismas polarizācija un tās praktiskais pielietojums

Polarizētā gaisma atšķiras no standarta gaismas ar tās sadalījumu. Tas tika atklāts jau sen un tiek izmantots gan fiziskiem eksperimentiem, gan ikdienā, lai veiktu kādus mērījumus. Izprast polarizācijas fenomenu nav grūti, tas ļaus izprast dažu ierīču darbības principu un noskaidrot, kāpēc noteiktos apstākļos gaisma neizplatās kā parasti.

Fotoattēlu salīdzinājums bez polarizācijas filtra un ar to, otrajā gadījumā gandrīz nav atspīdumu.

Kas ir gaismas polarizācija

Gaismas polarizācija pierāda, ka gaisma ir šķērsvilnis. Tas ir, mēs runājam par elektromagnētisko viļņu polarizāciju kopumā, un gaisma ir viena no šķirnēm, kuras īpašības ir pakļautas vispārīgiem noteikumiem.

Polarizācija ir šķērsviļņu īpašība, kuru svārstību vektors vienmēr ir perpendikulārs gaismas vai kaut kam citam izplatīšanās virzienam.Tas ir, ja jūs izvēlaties no gaismas stariem ar tādu pašu vektora polarizāciju, tad tā būs polarizācijas parādība.

Visbiežāk mēs ap sevi redzam nepolarizētu gaismu, jo tās intensitātes vektors pārvietojas visos iespējamos virzienos. Lai padarītu to polarizētu, tas tiek izvadīts caur anizotropu vidi, kas nogriež visas svārstības un atstāj tikai vienu.

Parastās un polarizētās gaismas salīdzinājums.

Kas atklāja parādību un ko tas pierāda

Aplūkojamo jēdzienu pirmo reizi vēsturē izmantoja slavens britu zinātnieks I. Ņūtons 1706. gadā. Bet cits pētnieks paskaidroja tā būtību - Džeimss Maksvels. Tad gaismas viļņu būtība nebija zināma, bet, uzkrājoties dažādiem faktiem un dažādu eksperimentu rezultātiem, parādījās arvien vairāk liecību par elektromagnētisko viļņu šķērsvirzieniem.

Pirmais, kas veica eksperimentus šajā jomā, bija holandiešu pētnieks Huigens, tas notika 1690. gadā. Viņš izlaida gaismu caur Islandes špagas plāksni, kā rezultātā atklāja stara šķērsenisko anizotropiju.

Pirmos pierādījumus par gaismas polarizāciju fizikā ieguva franču pētnieks E. Malus. Viņš izmantoja divas turmalīna plāksnes un galu galā nāca klajā ar likumu, kas nosaukts viņa vārdā. Pateicoties daudziem eksperimentiem, tika pierādīta gaismas viļņu šķērsvirziena, kas palīdzēja izskaidrot to būtību un izplatīšanās īpatnības.

No kurienes rodas gaismas polarizācija un kā to iegūt pašam

Lielākā daļa gaismas, ko mēs redzam, nav polarizēta. saule, mākslīgais apgaismojums - gaismas plūsma ar vektoru, kas svārstās dažādos virzienos, bez ierobežojumiem izplatās visos virzienos.

Polarizēta gaisma parādās pēc tam, kad tā ir izgājusi caur anizotropu vidi, kurai var būt dažādas īpašības. Šī vide noņem lielāko daļu svārstību, atstājot vienīgo, kas nodrošina vēlamo efektu.

Visbiežāk kristāli darbojas kā polarizators. Ja iepriekš galvenokārt tika izmantoti dabiskie materiāli (piemēram, turmalīns), tad tagad ir daudz iespēju mākslīgai izcelsmei.

Arī polarizētu gaismu var iegūt, atstarojot no jebkura dielektriķa. Galvenais ir tas, kad gaismas plūsma tas tiek lauzts divu nesēju krustpunktā. To ir viegli redzēt, ievietojot zīmuli vai tūbiņu ūdens glāzē.

Šo principu izmanto polarizējošajos mikroskopos.

Gaismas laušanas fenomena laikā daļa staru tiek polarizēta. Šī efekta izpausmes pakāpe ir atkarīga no atrašanās vietas gaismas avots un tā krišanas leņķi attiecībā pret laušanas punktu.

Attiecībā uz polarizētās gaismas iegūšanas metodēm neatkarīgi no apstākļiem tiek izmantota viena no trim iespējām:

1. Nikolaja prizma. Tas ir nosaukts skotu pētnieka Nikolasa Viljama vārdā, kurš to izgudroja 1828. gadā. Viņš ilgu laiku veica eksperimentus un pēc 11 gadiem varēja iegūt gatavu ierīci, kas joprojām tiek izmantota nemainīga.
2. Atspīdums no dielektriķa. Šeit ir ļoti svarīgi izvēlēties optimālo krišanas leņķi un ņemt vērā pakāpi refrakcija (jo lielāka atšķirība gaismas caurlaidībā abās vidēs, jo vairāk stari tiek lauzti).
3. Izmantojot anizotropu vidi. Visbiežāk šim nolūkam tiek izvēlēti kristāli ar piemērotām īpašībām. Ja vēršat uz tiem gaismas plūsmu, varat novērot tās paralēlo atdalīšanu izejā.

Gaismas polarizācija pēc atstarošanas un refrakcija divu dielektriķu saskarnē

Šo optisko parādību atklāja fiziķis no Skotijas Deivids Brūsters 1815. gadā. Viņa atvasinātais likums parādīja attiecību starp divu dielektriķu rādītājiem noteiktā gaismas krišanas leņķī. Ja izvēlamies apstākļus, tad no divu mediju saskarnes atstarotie stari tiks polarizēti plaknē, kas ir perpendikulāra krišanas leņķim.

Brūstera likuma ilustrācija.

Pētnieks atzīmēja, ka lauztais stars ir daļēji polarizēts krišanas plaknē. Šajā gadījumā ne visa gaisma tiek atspoguļota, daļa no tās nonāk lauztajā starā. Brewster leņķis ir leņķis, kurā atstarotā gaisma pilnībā polarizēts. Šajā gadījumā atstarotie un lauztie stari ir perpendikulāri viens otram.

Lai saprastu šīs parādības cēloni, jums jāzina:

1. Jebkurā elektromagnētiskajā viļņā elektriskā lauka svārstības vienmēr ir perpendikulāras tā kustības virzienam.
2. Process ir sadalīts divos posmos. Pirmajā gadījumā krītošais vilnis izraisa dielektriķa molekulu ierosmi, otrajā parādās lauzti un atstaroti viļņi.

Ja eksperimentā izmanto vienu kvarca plastmasu vai citu piemērotu minerālu, intensitāte plaknes polarizētā gaisma būs neliela (apmēram 4% no kopējās intensitātes). Bet, ja izmantojat plākšņu kaudzi, varat sasniegt ievērojamu veiktspējas pieaugumu.

Starp citu! Brūstera likumu var atvasināt arī, izmantojot Fresnela formulas.

Gaismas polarizācija ar kristālu

Parastie dielektriķi ir anizotropi, un gaismas raksturlielumi, kad tie nonāk tiem, galvenokārt ir atkarīgi no krišanas leņķa. Kristālu īpašības ir dažādas, gaismai trāpot, var novērot staru dubultās laušanas efektu.Tas izpaužas šādi: izejot cauri konstrukcijai, veidojas divi lauzti stari, kas iet dažādos virzienos, atšķiras arī to ātrumi.

Visbiežāk eksperimentos tiek izmantoti vieniālie kristāli. Tajos viens no refrakcijas stariem pakļaujas standarta likumiem un tiek saukts par parasto. Otrais tiek veidots atšķirīgi, to sauc par ārkārtēju, jo tā refrakcijas pazīmes neatbilst parastajiem kanoniem.

Šādi izskatās dubultā refrakcija diagrammā.

Ja pagriežat kristālu, parastais stars paliks nemainīgs, bet neparastais pārvietosies ap apli. Visbiežāk eksperimentos tiek izmantots kalcīts vai Islandes špats, jo tie ir labi piemēroti pētījumiem.

Starp citu! Ja paskatās uz vidi caur kristālu, tad visu objektu kontūras sadalīsies divās daļās.

Balstīts uz eksperimentiem ar kristāliem Etienne Louis Malus formulēja likumu 1810. gadā gads, kad saņēma viņa vārdu. Viņš secināja skaidru lineāri polarizētas gaismas atkarību pēc tam, kad tā šķērsoja polarizatoru, kas izgatavots uz kristālu bāzes. Stara intensitāte pēc iziešanas caur kristālu samazinās proporcionāli leņķa kosinusa kvadrātam, kas veidojas starp ienākošā stara polarizācijas plakni un filtru.

Video nodarbība: Gaismas polarizācija, fizika 11. klase.

Gaismas polarizācijas praktisks pielietojums

Aplūkojamā parādība ikdienā tiek izmantota daudz biežāk, nekā šķiet. Zināšanas par elektromagnētisko viļņu izplatīšanās likumiem palīdzēja dažādu iekārtu izveidē. Galvenās iespējas ir:

1. Speciālie polarizācijas filtri kamerām ļauj atbrīvoties no atspīdumiem, uzņemot attēlus.
2. Brilles ar šo efektu bieži izmanto autovadītāji, jo tās novērš pretimbraucošo transportlīdzekļu priekšējo lukturu atspīdumu.Rezultātā pat tālās gaismas nevar apžilbināt vadītāju, kas uzlabo drošību.
   Atspīdumu trūkums ir saistīts ar polarizācijas efektu.
3. Ģeofizikā izmantotās iekārtas ļauj pētīt mākoņu masu īpašības. To izmanto arī, lai pētītu saules gaismas polarizācijas pazīmes, ejot cauri mākoņiem.
4. Īpašas instalācijas, kas fotografē kosmiskos miglājus polarizētā gaismā, palīdz izpētīt tur radušos magnētisko lauku īpatnības.
5. Inženierrūpniecībā izmanto tā saukto fotoelastīgo metodi. Ar to jūs varat skaidri noteikt sprieguma parametrus, kas rodas mezglos un daļās.
6. Aprīkojums lietots veidojot teātra dekorācijas, kā arī koncertu noformējumā. Vēl viena pielietojuma joma ir vitrīnas un izstāžu stendi.
7. Ierīces, kas mēra cukura līmeni cilvēka asinīs. Tie darbojas, nosakot polarizācijas plaknes griešanās leņķi.
8. Daudzi pārtikas rūpniecības uzņēmumi izmanto iekārtas, kas spēj noteikt konkrēta šķīduma koncentrāciju. Ir arī ierīces, kas var kontrolēt olbaltumvielu, cukuru un organisko skābju saturu, izmantojot polarizācijas īpašības.
9. 3D kinematogrāfija darbojas tieši, izmantojot rakstā aplūkoto fenomenu.

Starp citu! Visiem šķidro kristālu monitoriem un televizoriem zināms, ka tie darbojas arī uz polarizētas plūsmas pamata.

Zinot polarizācijas pamatiezīmes, varat izskaidrot daudzos apkārtējos efektus. Tāpat šī parādība tiek plaši izmantota zinātnē, tehnoloģijās, medicīnā, fotogrāfijā, kino un daudzās citās jomās.