Wat is lichtpolarisatie en de praktische toepassing ervan

Gepolariseerd licht verschilt van standaardlicht in zijn voortplanting. Het is reeds lang geleden ontdekt en wordt zowel voor natuurkundige experimenten als in het dagelijks leven gebruikt om enkele metingen uit te voeren. Inzicht in het verschijnsel polarisatie is niet moeilijk, het helpt te begrijpen hoe bepaalde apparaten werken en waarom licht zich onder bepaalde omstandigheden niet voortplant zoals normaal het geval is.

Vergelijk de foto met en zonder polarisatiefilter, in het laatste geval is er nauwelijks schittering.

Wat is lichtpolarisatie

De polarisatie van licht bewijst dat licht een transversale golf is. Dat wil zeggen, wij hebben het over de polarisatie van elektromagnetische golven in het algemeen, en licht is een van de soorten waarvan de eigenschappen aan algemene regels gehoorzamen.

Polarisatie is de eigenschap van transversale golven waarvan de trillingsvector altijd loodrecht staat op de voortplantingsrichting van licht of iets anders. Dat wil zeggen, als je lichtstralen met dezelfde polarisatievector isoleert, zou dat het verschijnsel polarisatie zijn.

Vaker wel dan niet zien we ongepolariseerd licht om ons heen, omdat het een vector van intensiteit heeft die in alle mogelijke richtingen beweegt. Om het gepolariseerd te maken, wordt het door een anisotroop medium geleid, dat alle trillingen afsnijdt en slechts één overlaat.

Een vergelijking van gewoon en gepolariseerd licht.

Wie het fenomeen ontdekte en wat het bewijst

Het concept in kwestie werd voor het eerst gebruikt door de beroemde Britse wetenschapper И. Newton in 1706.. Maar het was een andere onderzoeker die de aard ervan verklaarde. James Maxwell.. In die tijd was de aard van lichtgolven niet bekend, maar naarmate verschillende feiten en de resultaten van diverse experimenten zich opstapelden, kwamen er steeds meer bewijzen voor de transversale aard van elektromagnetische golven.

De eerste die op dit gebied experimenteerde was de Nederlandse ontdekkingsreiziger Huygens, in 1690.. Hij liet licht door een plaat van IJslands rondhout gaan en ontdekte daardoor de transversale anisotropie van de straal.

Het eerste bewijs van de polarisatie van licht in de natuurkunde werd verkregen door de Franse onderzoeker Э. Malus. Hij gebruikte twee platen toermalijn en leidde daaruit uiteindelijk de naar hem genoemde wet af. Dankzij talrijke experimenten werd de transversale aard van lichtgolven bewezen, hetgeen hielp om hun aard en voortplantingseigenschappen te verklaren.

Waar komt de polarisatie van licht vandaan en hoe krijg je die zelf

Het meeste licht dat wij zien is niet gepolariseerd. Zon, kunstlicht - Een lichtstraal met een in verschillende richtingen oscillerende vector plant zich zonder enige beperking in alle richtingen voort.

Gepolariseerd licht verschijnt nadat het door een anisotroop medium is gegaan, dat verschillende eigenschappen kan hebben. Dit medium verwijdert de meeste trillingen, zodat er slechts één overblijft, die het gewenste effect geeft.

De meest gebruikte polarisator is die van kristallen. Terwijl in het verleden vooral natuurlijke materialen (b.v. toermalijn) werden gebruikt, zijn er nu veel door de mens vervaardigde opties.

Gepolariseerd licht kan ook worden geproduceerd door weerkaatsing van een diëlektricum. Het idee is dat wanneer het licht lichtstroom op de kruising van de twee media, wordt het gebroken. Dit kan gemakkelijk worden gezien door een potlood of een buisje in een glas water te leggen.

Dit principe wordt gebruikt in polarisatiemicroscopen.

Bij het verschijnsel lichtbreking wordt een deel van de stralen gepolariseerd. De omvang van dit effect hangt af van de positie lichtbron en de hoek van inval van het licht ten opzichte van de plaats van breking.

Wat de methode voor het produceren van gepolariseerd licht betreft, wordt een van de drie varianten gebruikt, ongeacht de omstandigheden:

1. Nicolas prisma. Genoemd naar de Schotse ontdekkingsreiziger Nicolas William, die het in 1828 uitvond. Hij experimenteerde lang en na 11 jaar was hij in staat een afgewerkt toestel te produceren, dat vandaag nog steeds ongewijzigd in gebruik is.
2. Reflectie van een diëlektricum. Hier is het zeer belangrijk om de optimale invalshoek te vinden en rekening te houden met de mate van van breking (Hoe groter het verschil in doorlaatbaarheid tussen de twee media, hoe meer de stralen worden gebroken).
3. Gebruik van een anisotroop medium. Kristallen met geschikte eigenschappen worden meestal voor dit doel geselecteerd. Als er licht op wordt gericht, kan aan de uitgang een parallelle scheiding worden waargenomen.

Polarisatie van licht door reflectie en breking op het grensvlak van twee diëlektrische materialen

Dit optische fenomeen werd ontdekt door de Schotse natuurkundige door David Brewster in 1815.. De wet die hij afleidde toonde de correlatie aan van de indices van twee diëlektrische stoffen bij een bepaalde invalshoek van het licht. Indien de voorwaarden zijn gekozen, zullen de stralen die worden weerkaatst van de kruising van de twee media, gepolariseerd zijn in het vlak loodrecht op de invalshoek.

Een illustratie van de wet van Brewster.

De onderzoeker stelde vast dat de afgebogen straal ook gedeeltelijk gepolariseerd is in het vlak van de invalshoek. Dit weerkaatst niet al het licht, een deel ervan ontsnapt in de brekingsstraal. De Brewster invalshoek is de hoek waaronder gereflecteerd licht is volledig gepolariseerd. De weerkaatste en de brekingsstraal staan loodrecht op elkaar.

Om de reden van dit verschijnsel te begrijpen, moet men het volgende weten:

1. Bij elke elektromagnetische golf staat de trilling van het elektrische veld altijd loodrecht op de bewegingsrichting.
2. Het proces is verdeeld in twee fasen. In de eerste veroorzaakt de invallende golf een verstoring van de diëlektrische moleculen, en in de tweede zijn er brekings- en reflectiegolven.

Als we in het experiment een enkele plaat kwarts of een ander geschikt mineraal gebruiken, de intensiteit van vlak gepolariseerd licht zal gering zijn (in de orde van grootte van 4% van de totale intensiteit). Maar als je een stapel platen gebruikt, kun je een aanzienlijke prestatieverbetering bereiken.

Tussen haakjes! De wet van Brewster kan ook worden afgeleid met behulp van Fresnel-formules.

Polarisatie van licht door een kristal

Conventionele diëlektrische materialen zijn anisotroop en de kenmerken van het licht dat erop valt, hangen voornamelijk af van de invalshoek. Kristallen hebben verschillende eigenschappen. Wanneer er licht op valt, kan een birefringent effect worden waargenomen. Dit komt op de volgende manier tot uiting: wanneer de stralen door de structuur gaan, ontstaan er twee gebroken stralen; zij gaan in verschillende richtingen en hun snelheden zijn ook verschillend.

Kristallen met één as worden het vaakst gebruikt bij experimenten. Een van de stralen van breking gehoorzaamt aan de standaardwetten en wordt gewoon genoemd. De tweede straal is anders gevormd, hij wordt buitengewoon genoemd, omdat de eigenaardigheden van zijn breking niet overeenkomen met de gebruikelijke canons.

Zo ziet dubbele breking er in het diagram uit.

Als u het kristal draait, blijft de gewone straal onveranderd en beweegt de buitengewone straal rond de omtrek. Calciet of IJslandse veldspaat worden het vaakst gebruikt in experimenten, omdat zij zeer geschikt zijn voor onderzoek.

Tussen haakjes! Als je door een kristal naar je omgeving kijkt, zullen de omtrekken van alle voorwerpen zich splitsen.

Gebaseerd op experimenten met kristallen Etienne Louis Malus formuleerde een wet in 1810 in 1810, die naar hem vernoemd is. Hij leidde een duidelijke afhankelijkheid af van lineair gepolariseerd licht nadat het door een polarisator van kristallen is gegaan. De intensiteit van de lichtbundel na passage door het kristal neemt af naar evenredigheid van het kwadraat van de cosinus van de hoek tussen het polarisatievlak van de inkomende lichtbundel en het filter.

Video les: Polarisatie van licht, graad 11 natuurkunde.

Praktische toepassingen van lichtpolarisatie

Het verschijnsel in kwestie wordt in het dagelijks leven veel vaker gebruikt dan het lijkt. Kennis van de wetten van de voortplanting van elektromagnetische golven heeft bijgedragen tot de schepping van diverse apparaten. De belangrijkste opties zijn de volgende:

1. Met speciale polarisatiefilters voor camera's kunt u schitteringen tegengaan wanneer u foto's neemt.
2. Brillen met dit effect worden vaak gebruikt door chauffeurs, omdat ze de schittering van tegemoetkomende koplampen wegnemen. Daardoor kan zelfs het grootlicht de bestuurder niet verblinden, wat de veiligheid ten goede komt.
   De afwezigheid van schittering is te danken aan het polarisatie-effect.
3. De apparatuur die in de geofysica wordt gebruikt, maakt het mogelijk de eigenschappen van wolkenmassa's te bestuderen. Het wordt ook gebruikt om de polarisatiepatronen van zonlicht te bestuderen wanneer het door wolken gaat.
4. Speciale apparatuur die foto's maakt van kosmische nevels in gepolariseerd licht helpt bij het bestuderen van de eigenaardigheden van de magnetische velden die daar ontstaan.
5. In de werktuigbouwkunde wordt de zogenaamde foto-elastische methode gebruikt. Het kan worden gebruikt om de spanningen in componenten en samenstellingen duidelijk vast te stellen.
6. De uitrusting wordt gebruikt in theaterproducties en in concertdecors. Een andere toepassing is in vitrines en tentoonstellingsstands.
7. Apparaten die de bloedsuikerspiegel van een persoon bepalen. Zij werken door de hoek van rotatie van het polarisatievlak te bepalen.
8. Veel ondernemingen in de levensmiddelenindustrie gebruiken apparatuur waarmee de concentratie van een of andere oplossing kan worden bepaald. Er zijn ook apparaten waarmee proteïnen, suikers en organische zuren kunnen worden gecontroleerd door toepassing van polarisatie-eigenschappen.
9. 3D-cinematografie werkt juist door het gebruik van het in dit artikel besproken fenomeen.

Tussen haakjes! De bekende monitoren met vloeibare kristallen en TV-toestellen werken ook op basis van gepolariseerde flux.

Kennis van de basiskenmerken van polarisatie helpt veel van de effecten te verklaren die overal ter wereld worden aangetroffen. Het is ook een verschijnsel dat veel gebruikt wordt in de wetenschap, technologie, geneeskunde, fotografie, film en vele andere gebieden.