Какво е поляризация на светлината и нейното практическо приложение

Поляризираната светлина се различава от стандартната по своето разпределение. Открит е много отдавна и се използва както за физически експерименти, така и в ежедневието за извършване на някои измервания. Разбирането на явлението поляризация не е трудно, това ще ви позволи да разберете принципа на работа на някои устройства и да разберете защо при определени условия светлината не се разпространява както обикновено.

Сравнение на снимки без поляризиращ филтър и с него, във втория случай почти няма отблясъци.

Какво е поляризация на светлината

Поляризацията на светлината доказва, че светлината е напречна вълна. Тоест, говорим за поляризация на електромагнитните вълни като цяло, а светлината е една от разновидностите, чиито свойства са предмет на общи правила.

Поляризацията е свойство на напречните вълни, чийто вектор на трептене винаги е перпендикулярен на посоката на разпространение на светлината или нещо друго.Тоест, ако изберете от светлинните лъчи със същата поляризация на вектора, тогава това ще бъде явлението поляризация.

Най-често виждаме неполяризирана светлина около нас, тъй като векторът на нейния интензитет се движи във всички възможни посоки. За да се направи поляризиран, той се прекарва през анизотропна среда, която прекъсва всички трептения и оставя само една.

Сравнение на обикновена и поляризирана светлина.

Кой е открил явлението и какво доказва

Разглежданата концепция е използвана за първи път в историята от известен британски учен И. Нютон през 1706г. Но друг изследовател обясни същността му - Джеймс Максуел. Тогава природата на светлинните вълни не беше известна, но с натрупването на различни факти и резултатите от различни експерименти се появиха все повече доказателства за напречността на електромагнитните вълни.

Първият, който провежда експерименти в тази област, е холандски изследовател Хюйгенс, това се случи през 1690 г. Той пропуска светлина през плоча от исландски шпат, в резултат на което открива напречната анизотропия на лъча.

Първото доказателство за поляризацията на светлината във физиката е получено от френски изследовател Е. Малус. Той използва две плочи с турмалин и в крайна сметка измисли закон, кръстен на него. Благодарение на множество експерименти беше доказана напречността на светлинните вълни, което помогна да се обясни тяхната природа и особености на разпространение.

Откъде идва поляризацията на светлината и как да я получите сами

Повечето от светлината, която виждаме, не е поляризирана. слънце, изкуствено осветление - светлинен поток с вектор, осцилиращ в различни посоки, се разпространява във всички посоки без никакви ограничения.

Поляризираната светлина се появява, след като е преминала през анизотропна среда, която може да има различни свойства. Тази среда премахва повечето от колебанията, оставяйки единственото нещо, което осигурява желания ефект.

Най-често кристалите действат като поляризатор. Ако преди се използваха предимно естествени материали (например турмалин), сега има много възможности за изкуствен произход.

Също така, поляризирана светлина може да се получи чрез отражение от всеки диелектрик. Изводът е, че кога светлинен поток пречупва се на кръстопътя на две среди. Това е лесно да се види, като поставите молив или епруветка в чаша с вода.

Този принцип се използва в поляризационните микроскопи.

При явлението пречупване на светлината част от лъчите се поляризират. Степента на проявление на този ефект зависи от местоположението източник на светлина и ъгъла на неговото падане спрямо точката на пречупване.

Що се отнася до методите за получаване на поляризирана светлина, се използва една от трите опции, независимо от условията:

1. Призма Никола. Той е кръстен на шотландския изследовател Николас Уилям, който го е изобретил през 1828 г. Той провежда експерименти дълго време и след 11 години успя да получи готово устройство, което все още се използва непроменено.
2. Отражение от диелектрик. Тук е много важно да изберете оптималния ъгъл на падане и да вземете предвид степента пречупване (колкото по-голяма е разликата в пропускането на светлината на двете среди, толкова повече се пречупват лъчите).
3. Използване на анизотропна среда. Най-често за това се избират кристали с подходящи свойства. Ако насочите светлинен поток към тях, можете да наблюдавате паралелното му разделяне на изхода.

Поляризация на светлината при отражение и пречупване на интерфейса на два диелектрика

Това оптично явление е открито от физик от Шотландия Дейвид Брустър през 1815 г. Законът, който той изведе, показва връзката между индикаторите на два диелектрика при определен ъгъл на падане на светлината. Ако изберем условията, тогава лъчите, отразени от интерфейса на две среди, ще бъдат поляризирани в равнина, перпендикулярна на ъгъла на падане.

Илюстрация на закона на Брюстър.

Изследователят отбеляза, че пречупеният лъч е частично поляризиран в равнината на падане. В този случай не цялата светлина се отразява, част от нея отива в пречупения лъч. ъгъл на Брюстър е ъгълът, под който отразена светлина напълно поляризиран. В този случай отразените и пречупените лъчи са перпендикулярни един на друг.

За да разберете причината за това явление, трябва да знаете следното:

1. При всяка електромагнитна вълна трептенията на електрическото поле винаги са перпендикулярни на посоката на движението му.
2. Процесът е разделен на два етапа. При първата падащата вълна предизвиква възбуждане на молекулите на диелектрика, във втората се появяват пречупени и отразени вълни.

Ако в експеримента се използва пластмаса от кварц или друг подходящ минерал, интензитет плоска поляризирана светлина ще бъде малък (около 4% от общия интензитет). Но ако използвате купчина чинии, можете да постигнете значително увеличение на производителността.

Между другото! Законът на Брюстър също може да бъде изведен с помощта на формулите на Френел.

Поляризация на светлината от кристал

Обикновените диелектрици са анизотропни и характеристиките на светлината, когато тя ги удари, зависят главно от ъгъла на падане. Свойствата на кристалите са различни, когато светлината ги удари, можете да наблюдавате ефекта на двойното пречупване на лъчите.Това се проявява по следния начин: при преминаване през конструкцията се образуват два пречупени лъча, които вървят в различни посоки, скоростите им също се различават.

Най-често в експериментите се използват едноосни кристали. При тях един от пречупващите лъчи се подчинява на стандартни закони и се нарича обикновен. Вторият се формира по различен начин, нарича се изключителен, тъй като характеристиките на неговото пречупване не съответстват на обичайните канони.

Ето как изглежда двойното пречупване на диаграмата.

Ако завъртите кристала, тогава обикновеният лъч ще остане непроменен, а необикновеният ще се движи около кръга. Най-често в експериментите се използват калцит или исландски шпат, тъй като те са много подходящи за изследвания.

Между другото! Ако погледнете околната среда през кристала, тогава очертанията на всички обекти ще се разделят на две.

Въз основа на експерименти с кристали Етиен Луи Малус формулира закона през 1810 г годината, в която е получил името му. Той изведе ясна зависимост на линейно поляризирана светлина след преминаването й през поляризатор, направен на базата на кристали. Интензитетът на лъча след преминаване през кристала намалява пропорционално на квадрата на косинуса на ъгъла, образуван между равнината на поляризация на входящия лъч и филтъра.

Видео урок: Поляризация на светлината, физика 11 клас.

Практическо приложение на поляризацията на светлината

Разглежданото явление се използва в ежедневието много по-често, отколкото изглежда. Познаването на законите за разпространение на електромагнитните вълни помогна при създаването на различно оборудване. Основните опции са:

1. Специалните поляризиращи филтри за камери ви позволяват да се отървете от отблясъците при правене на снимки.
2. Очилата с този ефект често се използват от шофьорите, тъй като премахват отблясъците от фаровете на насрещните превозни средства.В резултат на това дори дългите светлини не могат да заслепят водача, което подобрява безопасността.
   Липсата на отблясъци се дължи на ефекта на поляризация.
3. Използваното в геофизиката оборудване дава възможност да се изследват свойствата на облачните маси. Използва се и за изследване на особеностите на поляризацията на слънчевата светлина при преминаване през облаци.
4. Специални инсталации, които снимат космически мъглявини в поляризирана светлина, помагат да се изучат особеностите на магнитните полета, които възникват там.
5. В машиностроенето се използва така нареченият фотоеластичен метод. С него можете ясно да определите параметрите на напрежението, които възникват във възлите и частите.
6. Оборудване използван при създаване на театрални декори, както и в концертния дизайн. Друга област на приложение са витрините и изложбените щандове.
7. Устройства, които измерват нивото на захарта в кръвта на човек. Те работят, като определят ъгъла на въртене на равнината на поляризация.
8. Много предприятия от хранително-вкусовата промишленост използват оборудване, способно да определи концентрацията на конкретен разтвор. Съществуват и устройства, които могат да контролират съдържанието на протеини, захари и органични киселини чрез използване на поляризационни свойства.
9. 3D кинематографията работи именно чрез използването на феномена, разгледан в статията.

Между другото! Познатите на всички монитори и телевизори с течни кристали също работят на базата на поляризиран поток.

Познаването на основните характеристики на поляризацията ви позволява да обясните многото ефекти, които се случват наоколо. Също така, това явление се използва широко в науката, технологиите, медицината, фотографията, киното и много други области.