Mi a fénypolarizáció és gyakorlati alkalmazása

A polarizált fény eloszlásában különbözik a normál fénytől. Nagyon régen fedezték fel, és mind fizikai kísérletekhez, mind a mindennapi életben használják bizonyos mérések elvégzésére. A polarizáció jelenségének megértése nem nehéz, ez lehetővé teszi bizonyos eszközök működési elvének megértését, és megtudhatja, hogy bizonyos körülmények között miért nem terjed a fény a szokásos módon.

A polarizációs szűrő nélküli és vele együtt készült fényképek összehasonlítása, a második esetben szinte nincs tükröződés.

Mi a fénypolarizáció

A fény polarizációja bizonyítja, hogy a fény keresztirányú hullám. Vagyis általában az elektromágneses hullámok polarizációjáról beszélünk, és a fény az egyik fajtája, amelynek tulajdonságaira általános szabályok vonatkoznak.

A polarizáció a keresztirányú hullámok tulajdonsága, amelyek rezgésvektora mindig merőleges a fény vagy valami más terjedési irányára.Vagyis ha a vektor azonos polarizációjú fénysugarak közül választ, akkor ez lesz a polarizáció jelensége.

Leggyakrabban polarizálatlan fényt látunk magunk körül, mivel annak intenzitásvektora minden lehetséges irányba mozog. A polarizáltság érdekében anizotróp közegen vezetik át, amely minden rezgést levág, és csak egy marad meg.

A közönséges és a polarizált fény összehasonlítása.

Ki fedezte fel a jelenséget és mit bizonyít

A vizsgált fogalmat a történelem során először használta egy híres brit tudós I. Newton 1706-ban. De egy másik kutató elmagyarázta a természetét - James Maxwell. Akkor még nem ismerték a fényhullámok természetét, de a különféle tények felhalmozásával és a különböző kísérletek eredményeivel egyre több bizonyíték jelent meg az elektromágneses hullámok keresztirányú voltára.

Az első, aki kísérleteket végzett ezen a területen, egy holland kutató volt Huygens, ez 1690-ben történt. Fényt engedett át egy izlandi spárgalapon, aminek eredményeként felfedezte a sugár keresztirányú anizotrópiáját.

A fény polarizációjának első bizonyítékát a fizikában egy francia kutató szerezte meg E. Malus. Két tányér turmalint használt, és végül kitalált egy róla elnevezett törvényt. Számos kísérletnek köszönhetően bebizonyosodott a fényhullámok keresztirányú volta, ami segített megmagyarázni azok természetét és terjedési jellemzőit.

Honnan származik a fény polarizációja, és hogyan szerezheti meg saját maga

A legtöbb fény, amit látunk, nem polarizált. Nap, mesterséges világítás - egy fényáram, amelynek vektora különböző irányban rezeg, minden irányban korlátlanul terjed.

A polarizált fény azután jelenik meg, hogy áthaladt egy anizotróp közegen, aminek különböző tulajdonságai lehetnek. Ez a környezet megszünteti a legtöbb ingadozást, és az egyetlen dolog marad meg, ami a kívánt hatást biztosítja.

Leggyakrabban a kristályok polarizátorként működnek. Ha korábban főleg természetes anyagokat használtak (például turmalint), akkor most számos lehetőség kínálkozik a mesterséges eredetre.

Ezenkívül polarizált fényt nyerhetünk bármilyen dielektrikumról való visszaverődéssel. A lényeg az, hogy mikor fényáram két közeg találkozásánál megtörik. Ez könnyen belátható, ha egy ceruzát vagy csövet egy pohár vízbe helyez.

Ezt az elvet alkalmazzák a polarizáló mikroszkópokban.

A fénytörés jelensége során a sugarak egy része polarizálódik. Ennek a hatásnak a megnyilvánulási foka a helytől függ fényforrás és beesési szöge a törésponthoz képest.

Ami a polarizált fény megszerzésének módszereit illeti, a feltételektől függetlenül a három lehetőség egyikét használják:

1. Nicolas prizma. Nevét Nicolas William skót felfedezőről kapta, aki 1828-ban feltalálta. Hosszú ideig végzett kísérleteket, és 11 év után kész eszközt tudott kapni, amelyet továbbra is változatlanul használnak.
2. Reflexió dielektrikumról. Itt nagyon fontos az optimális beesési szög kiválasztása és a mérték figyelembevétele fénytörés (minél nagyobb a különbség a két közeg fényáteresztésében, annál jobban megtörnek a sugarak).
3. Anizotróp környezet használata. Leggyakrabban ehhez megfelelő tulajdonságokkal rendelkező kristályokat választanak ki. Ha rájuk irányítja a fényáramot, megfigyelheti annak párhuzamos szétválását a kimeneten.

A fény polarizációja visszaverődéskor és fénytörés két dielektrikum határfelületén

Ezt az optikai jelenséget egy skóciai fizikus fedezte fel David Brewster 1815-ben. Az általa levezetett törvény megmutatta két dielektrikum mutatói közötti összefüggést a fény bizonyos beesési szögében. Ha a feltételeket választjuk, akkor a két közeg határfelületéről visszaverődő sugarak a beesési szögre merőleges síkban polarizálódnak.

A Brewster-törvény illusztrációja.

A kutató megjegyezte, hogy a megtört nyaláb részben polarizált a beesési síkban. Ebben az esetben nem minden fény verődik vissza, egy része a megtört sugárba kerül. Brewster szög az a szög, amelynél visszavert fény teljesen polarizált. Ebben az esetben a visszavert és megtört sugarak merőlegesek egymásra.

A jelenség okának megértéséhez ismernie kell a következőket:

1. Bármely elektromágneses hullámban az elektromos tér rezgései mindig merőlegesek a mozgási irányára.
2. A folyamat két szakaszra oszlik. Az elsőben a beeső hullám gerjeszti a dielektrikum molekuláit, a másodikban megtört és visszavert hullámok jelennek meg.

Ha egy kvarcot vagy más alkalmas ásványi anyagot használnak a kísérletben, intenzitás sík polarizált fény kicsi lesz (a teljes intenzitás körülbelül 4%-a). De ha egy köteg tányért használ, akkor jelentős teljesítménynövekedést érhet el.

Apropó! A Brewster-törvény Fresnel-képletekkel is levezethető.

A fény polarizációja kristály által

A közönséges dielektrikumok anizotrópok, és a fény jellemzői, amikor eltalálják őket, főként a beesési szögtől függenek. A kristályok tulajdonságai eltérőek, amikor fény éri őket, megfigyelhető a sugarak kettős törésének hatása.Ez a következőképpen nyilvánul meg: a szerkezeten áthaladva két megtört nyaláb keletkezik, amelyek különböző irányba mennek, sebességük is eltérő.

Leggyakrabban egytengelyű kristályokat használnak a kísérletekben. Bennük az egyik fénytörési nyaláb megfelel a szabványos törvényeknek, és közönségesnek nevezik. A második másképp van kialakítva, rendkívülinek nevezik, mivel fénytörésének jellemzői nem felelnek meg a szokásos kánonoknak.

Így néz ki a kettős fénytörés a diagramon.

Ha elforgatja a kristályt, akkor a közönséges sugár változatlan marad, a rendkívüli pedig a kör körül mozog. Leggyakrabban kalcitot vagy izlandi spótot használnak a kísérletekhez, mivel ezek kiválóan alkalmasak kutatásra.

Apropó! Ha a kristályon keresztül nézzük a környezetet, akkor az összes tárgy körvonala ketté válik.

Kristályokkal végzett kísérletek alapján Étienne Louis Malus fogalmazta meg a törvényt 1810-ben a nevét kapó év. A kristályok alapján készült polarizátoron való áthaladás után a lineárisan polarizált fény egyértelmű függésére következtetett. A sugár intenzitása a kristályon való áthaladás után a bejövő nyaláb és a szűrő polarizációs síkja között kialakult szög koszinuszának négyzetével arányosan csökken.

Videóóra: Fény polarizációja, fizika 11. évfolyam.

A fénypolarizáció gyakorlati alkalmazása

A vizsgált jelenséget sokkal gyakrabban használják a mindennapi életben, mint amilyennek látszik. Az elektromágneses hullámok terjedésének törvényeinek ismerete segítette a különféle berendezések létrehozását. A fő lehetőségek a következők:

1. A fényképezőgépek speciális polarizációs szűrői lehetővé teszik, hogy megszabaduljon a tükröződéstől a képek készítése közben.
2. Az ilyen hatású szemüveget gyakran használják a járművezetők, mivel eltávolítják a szembejövő járművek fényszóróinak tükröződését.Ennek eredményeként még a távolsági fényszórók sem tudják elvakítani a vezetőt, ami javítja a biztonságot.
   A tükröződés hiánya a polarizáció hatásának köszönhető.
3. A geofizikában használt berendezések lehetővé teszik a felhőtömegek tulajdonságainak tanulmányozását. Azt is használják, hogy tanulmányozzák a napfény polarizációjának jellemzőit a felhőkön áthaladva.
4. A kozmikus ködöket polarizált fényben fényképező speciális installációk segítenek az ott keletkező mágneses mezők jellemzőinek tanulmányozásában.
5. A gépiparban az úgynevezett fotoelasztikus módszert alkalmazzák. Ezzel egyértelműen meghatározhatja a csomópontokban és részeken előforduló feszültségi paramétereket.
6. Felszerelés használt színházi díszletek készítésekor, valamint a koncerttervezés során. Egy másik alkalmazási terület a vitrinek és a kiállítási standok.
7. Eszközök, amelyek mérik a cukor szintjét egy személy vérében. A polarizációs sík elfordulási szögének meghatározásával működnek.
8. Sok élelmiszeripari vállalkozás használ olyan berendezéseket, amelyek alkalmasak egy adott oldat koncentrációjának meghatározására. Vannak olyan eszközök is, amelyek polarizációs tulajdonságok segítségével szabályozhatják a fehérjék, cukrok és szerves savak tartalmát.
9. A 3D-s filmművészet pontosan a cikkben tárgyalt jelenség felhasználásán keresztül működik.

Apropó! Az összes folyadékkristályos monitor és TV számára ismert, hogy polarizált adatfolyamon is működik.

A polarizáció alapvető jellemzőinek ismerete lehetővé teszi a körülötte előforduló számos hatás magyarázatát. Ezt a jelenséget széles körben használják a tudományban, a technológiában, az orvostudományban, a fényképezésben, a moziban és sok más területen.