Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Ако свободният край на въже, завързано за стабилен предмет, редовно се „развява“, тогава върху него ще се образува напречна вълна. Тя може да бъде трептяща в една равнина - вертикална, хоризонтална или под определен ъгъл спрямо хоризонталата. Такава вълна се нарича поляризирана. Ако въжето вибрира неравномерно, в различни равнини, през него ще се разпространи неполяризирана вълна. Светлината, която е електромагнитна вълна, се държи като вълна върху струна. Това свойство се използва например в 3D очила за разграничаване на изображението за лявото и дясното око.

Напречната вълна се нарича равнинно поляризирана, ако трептенията във всички нейни точки възникват само в една равнина.

По отношение на светлината терминът поляризация е въведен през 1704-1706 г. от Нютон.

Поляризирана светлинна вълна

Светлината е вълна от електромагнитно излъчване, т.е. смущение на електрическото и магнитното поле, движещи се в пространството. За простота ще говорим за монохроматична светлина, тоест хармонична вълна с определена честота и дължина на вълната.

Електромагнитната вълна е напречна вълна. Това означава, че неговото електрическо поле E е винаги перпендикулярно (осцилира перпендикулярно) на посоката на разпространение на вълната. Казваме, че една вълна е поляризирана, ако електрическото поле във всяка точка има една и съща посока. Пример за поляризирана вълна е показан на фигура 1.

И така, поляризацията на светлината описва посоката на трептене на вектора на електрическото поле.

Поляризирана вълна (от англ. polarized wave) - вълна, чието електрическо поле осцилира в една равнина.

Ориз. 1. Поляризирана вълна

Вълната, показана на фиг. 1 осцилира във вертикална посока. Посоката на трептене на поляризирана вълна се нарича посока на поляризация. Тази посока може да бъде произволна - вълната може да трепти вертикално (фиг. 2. b), хоризонтално (фиг. 2. a) или под определен ъгъл (фиг. 2. c).

Ориз. 2. Вълни с различни посоки на поляризация

Неполяризирана вълна

Не всички вълни са поляризирани. При някои вълни посоката на електрическото поле се променя произволно от място на място. Такава вълна се нарича неполяризирана (фиг. 3).

Ориз. 3. Неполяризирана вълна

Това е естеството на светлината, излъчвана от нагрят метал, като например волфрамова жичка на обикновена електрическа крушка. Светлината, излъчвана от светещ атомен газ, като например неонова лампа (неонови атоми светят) или пламък на горелка за саламура (натриеви атоми светят), също е неполяризирана.

Използвайки последния пример, ще обясним защо тези вълни не са поляризирани. В резултат на нагряване на тялото, атомите започват да вибрират и светят, за да се освободят от излишната енергия. Посоките на вибрациите на тези атоми са произволни и следователно посоката на електрическото поле на излъчваната електромагнитна вълна също се променя произволно. На фиг. 4 виждаме три атома, които са източник на вълни с различна поляризация. Резултатът от тяхната комбинация е неполяризирана вълна.

Ориз. 4. Вибриращите атоми са източник на вълни с различна поляризация

Разлагане на всяка вълна на две поляризирани вълни

Всяка вълна може да се разложи на две поляризирани вълни с произволно избрани перпендикулярни посоки на електрическото поле. Това следва от простия факт, че всеки вектор в равнината може да бъде представен като сбор от два вектора, перпендикулярни един на друг.Това се отнася както за поляризирани, така и за неполяризирани вълни.

Такова разлагане на поляризирана вълна с „всяка“ посока на поляризация на вълна с вертикално електрическо поле (зелена вълна) и хоризонтално електрическо поле (червена вълна) е показано на фиг. 5.

Ориз. 5. Разлагане на поляризирана вълна с "всяка" посока на поляризация във вълна с вертикално електрическо поле (зелена вълна) и хоризонтално електрическо поле (червена вълна)

Поляризатор

Поляризаторът е устройство, което предава само онези електромагнитни вълни от падащата неполяризирана светлина, чийто електрически вектор лежи в посоката, зададена от поляризатора.

Системата, наречена поляризатор, работи по следния начин. Има определена посока. На фиг. 6 е хоризонталната посока.

    Ако поляризирана вълна попадне върху поляризатор, в който посоката на електрическото поле съвпада с посоката на избраната вълна, то тя преминава през него, без да променя амплитудата (фиг.6. а).
  1. Ако върху него попадне поляризирана вълна, в която посоката на електрическото поле е перпендикулярна на избраната посока, то тя изобщо не преминава (фиг. 6. b).
  2. Ако върху него попадне поляризирана вълна, при която посоката на поляризацията образува ненулев ъгъл с избраната посока, то само нейната компонента преминава по избраната посока (фиг. 6. c и 6. d) . След като премине през него, вълната очевидно се поляризира.
  3. Ако неполяризирана вълна падне върху поляризатор, тогава през нея преминава само нейната компонента в избраната посока. Очевидно това е поляризирана вълна. Така поляризаторът преобразува неполяризираната вълна в поляризирана.
Ориз. 6. През поляризатора преминава само компонента на напрегнатостта на електрическото поле в избрана посока – тук тя е хоризонтална.

В наши дни за поляризиране на светлината обикновено се използват специални пластмасови филми, наречени поляризационни филтри. Такива филми се използват в компютърни монитори.

Поляризационен филтър (от англ. polarizing filter) - по-известен като полароид; прозрачна плоча или филм, който действа като поляризатор, т.е. устройство, което предава само онези електромагнитни вълни от падащата неполяризирана светлина, чийто електрически вектор лежи в посоката, посочена от поляризатора.

Частично поляризирана светлина

Има още една възможност. Електрическите полета на светлинната вълна приемат всички възможни посоки, но вероятността за възникването им не е еднаква. За определена посока тя е най-голяма, а за перпендикулярна на нея посока е най-малка. Когато изследваме такава светлина с въртящ се поляризатор, получаваме резултата, показан на фиг. 7. Говорим за такава светлина, че тя е частично поляризирана.

Ориз. 7. Графика на зависимостта на интензитета на светлината от ъгъла на завъртане на поляризатора, получена при изпитване на частично поляризирана светлина.

Поляризация на светлината при отражение

В ежедневието постоянно наблюдаваме преминаването на светлината през прозорците с двоен стъклопакет. Виждаме, че обикновено светлината навлиза в стъклото и същевременно се отразява от повърхността му. Оказа се обаче, че при правилен избор на източник на светлина и ъгъл на наклон светлината може изобщо да не се отрази. Това се определя от поляризацията на светлинната вълна.

Да приемем, че лъч поляризирана светлина пада върху повърхността на две среди под ъгъл α ≠ 0⁰. Равнината, съдържаща падащия лъч и нормалата, се нарича равнина на падане. На фигура 8 тази равнина е маркирана в синьо.

Когато разглеждаме падането на поляризирана светлина върху повърхност, трябва да правим разлика между два основни случая. Те са показани на фиг. 8. И в двата случая светлинният лъч се движи по права линия x:

  • a. Електрическо поле (червени вектори) на електромагнитна вълна, перпендикулярна на равнината на падане (синя равнина),
  • b. Електрическото поле E на хармонична електромагнитна вълна е успоредно на равнината на падане (червените вектори лежат върху синята равнина). Тогава това поле образува ъгъл α с границата на средата. Този ъгъл също лежи в равнината на падане (синя равнина).
Ориз. 8. Вълна, падаща на повърхността

Беше изследвано как величината на електрическото поле на отразената светлина зависи от ъгъла на падане за вещество с индекс на пречупване n в тези ситуации. На фиг. 9 показва отношението на големината на амплитудата на електрическото поле на отразената светлина към амплитудата на падащата светлина E0, когато светлината преминава от въздух в среда с индекс на пречупване n=1,5, в зависимост от ъгъла на падане. Такъв материал е например стъклото.

Ориз. 9. Съотношението на големината на амплитудата на електрическото поле на отразената светлина към амплитудата на падащата светлина в зависимост от ъгъла на падане.

a. Синята крива съответства на поляризацията (а) на фиг. 8. За перпендикулярно падане, т.е. α=0⁰, отношението E/E0е 0,2. С увеличаването на ъгъла α се увеличава стойността на E/E0. Това означава, че все повече и повече от падащата светлина се отразява, а не се пречупва. Съотношението E/E0 достига 1 при стойности на ъгъл α, приближаващи се до 90°. Тогава цялата светлина се отразява.

b. Червената крива съответства на поляризацията (b) на фиг. 8. За α=0⁰, т.е. светлината пада перпендикулярно на повърхността, съотношението E/E0е 0,2. Тогава няма разлика между случай (а) и случай (б). С увеличаването на ъгъла α стойността на E/E0първоначално изобщо не се увеличава, а по-скоро намалява. Светлината се отразява все по-малко. Стойността на E/E0достига нула за определен ъгъл. Този ъгъл αBсе нарича ъгъл на Брустър. Зависи от коефициента на пречупване на веществото. За n=1,5 е αB=56,3°.За ъгли, по-големи от αB, съотношението E/E0 се увеличава и се доближава до единица, когато α се доближава до 90°. Тогава целият свят се държи като в случай (a).

Ъгълът на Брустър отговаря на простата връзка tg αB=n .

Пълна поляризация на светлината чрез отражение

Нека разгледаме по-нататък какво се случва, ако неполяризирана светлина, например от обикновена електрическа крушка, падне върху стъклото под ъгъл на Брустър. Такава вълна може да се разложи на две поляризирани вълни с перпендикулярни посоки на електрическото поле, едната от тип (a), а другата от тип (b).

Всяка вълна може да се разложи на две поляризирани вълни с произволно избрани перпендикулярни посоки на електрическото поле. Това следва от простия факт, че всеки вектор в равнината може да бъде представен като сбор от два вектора, перпендикулярни един на друг (фиг. 10). Това важи както за поляризираните, така и за неполяризираните вълни.

Ориз. 10. Разлагане на вектора на електрическото поле в две перпендикулярни посоки

В случай на неполяризирана вълна, когато я разложим на компоненти, се оказва, че вълна (a) ще бъде частично отразена (синя крива на фиг. 9.), а вълна (b) няма да бъде изобщо се отразява, но ще проникне напълно в стъклото (червена крива на фиг. 9.). Така отразената светлина ще съдържа само един компонент, т.е. то ще бъде напълно поляризирано, с посока на електрическото поле като на фиг. 2a.

Частична поляризация на светлината при отражение

За всички ъгли α, различни от αB и двата компонента присъстват в отразената светлина: (a) и (b). С изключение на α=0⁰ и α до 90°, компонент (a) е средно по-голям от компонент (b). Когато поляризаторът се върти, наблюдаваният интензитет на светлината се променя. За някои ъгли това е най-високият ъгъл, а за други е най-ниският.Въпреки това не се наблюдава пълно изчезване на интензитета на светлината. Графика на интензитета на светлината в зависимост от ъгъла, под който е завъртян поляризаторът, е показана на фиг. 11.

Ориз. 11. Графика на интензитета на светлината в зависимост от ъгъла, под който е монтиран поляризаторът, за ъгли на падане, различни от ъгъла на Брустър

Ние наричаме такава светлина частично поляризирана.

Видове поляризация

Поляризацията се разделя на различни типове в зависимост от това как се държат посоката на трептенето на електрическото поле и неговата големина.

  • Линейна поляризация: посоката на електрическото поле е постоянна, но големината му се променя периодично.
  • Кръгова поляризация: тук големината на електрическото поле е постоянна, но посоката на неговите трептения се променя с фиксирана ъглова скорост.
  • Елиптична поляризация: при този тип поляризация се променя както големината на електрическото поле, така и посоката на неговите трептения.

Името на видовете поляризация идва от факта, че когато се гледа отпред, векторът на електрическото поле има следните геометрични форми (виж Фигура 12).

Ориз. 12. Видове поляризация на светлината

При линейна поляризация, например, векторът на електрическото поле се движи по линия, докато при кръгова поляризация се движи по окръжност.

Примери за използване на поляризация на светлината

Накрая, ето кратък списък от области, където поляризацията на светлината е критична. Те включват

  • течнокристални дисплеи (наричани още LCD),
  • слънчеви очила,
  • 3D филми,
  • анализ на напрежението в прозрачни пластмаси,
  • на снимката.

Референция

    Жилко В. В., Маркович Я. Г. Физика. 11 клас. - 2011.
  1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика. 11 клас. Урок.
  2. Касянов В. А. Физика, 11 клас. - 2004.
  3. Какичашвили Ш. Д. Поляризационна холография / дупки. изд. Ю. Н. Денисюк. - Л.: "Наука" , 1989. - 141 с.

Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!

Категория:

Сграда