Cos'è la polarizzazione della luce e la sua applicazione pratica

La luce polarizzata differisce dalla luce standard nella sua distribuzione. È stato scoperto molto tempo fa e viene utilizzato sia per esperimenti fisici che nella vita di tutti i giorni per eseguire alcune misurazioni. Comprendere il fenomeno della polarizzazione non è difficile, questo ti permetterà di capire il principio di funzionamento di alcuni dispositivi e scoprire perché, in determinate condizioni, la luce non si propaga come al solito.

Confronto di foto senza filtro polarizzatore e con esso, nel secondo caso non ci sono quasi riflessi.

Cos'è la polarizzazione della luce

La polarizzazione della luce dimostra che la luce è un'onda trasversale. Cioè, stiamo parlando della polarizzazione delle onde elettromagnetiche in generale e la luce è una delle varietà, le cui proprietà sono soggette a regole generali.

La polarizzazione è una proprietà delle onde trasversali, il cui vettore di oscillazione è sempre perpendicolare alla direzione di propagazione della luce o qualcos'altro.Cioè, se selezioni dai raggi di luce con la stessa polarizzazione del vettore, questo sarà il fenomeno della polarizzazione.

Molto spesso, vediamo luce non polarizzata intorno a noi, poiché il suo vettore di intensità si muove in tutte le direzioni possibili. Per renderlo polarizzato, viene fatto passare attraverso un mezzo anisotropo, che interrompe tutte le oscillazioni e ne lascia solo una.

Confronto tra luce ordinaria e luce polarizzata.

Chi ha scoperto il fenomeno e cosa dimostra

Il concetto in esame è stato utilizzato per la prima volta nella storia da un famoso scienziato britannico I. Newton nel 1706. Ma un altro ricercatore ha spiegato la sua natura - James Maxwell. Quindi la natura delle onde luminose non era nota, ma con l'accumulo di vari fatti e i risultati di vari esperimenti apparvero sempre più prove della trasversalità delle onde elettromagnetiche.

Il primo a condurre esperimenti in quest'area è stato un ricercatore olandese Huygens, questo accadde nel 1690. Ha fatto passare la luce attraverso una lastra di longarone islandese, a seguito della quale ha scoperto l'anisotropia trasversale del raggio.

La prima prova della polarizzazione della luce in fisica è stata ottenuta da un ricercatore francese E. Malus. Ha usato due piatti di tormalina e alla fine ha escogitato una legge che porta il suo nome. Grazie a numerosi esperimenti, è stata dimostrata la trasversalità delle onde luminose, che ha contribuito a spiegarne la natura e le caratteristiche di propagazione.

Da dove viene la polarizzazione della luce e come ottenerla da soli

La maggior parte della luce che vediamo non è polarizzata. Sole, illuminazione artificiale - un flusso luminoso con un vettore oscillante in diverse direzioni, si diffonde in tutte le direzioni senza alcun vincolo.

La luce polarizzata appare dopo che è passata attraverso un mezzo anisotropo, che può avere proprietà diverse. Questo ambiente rimuove la maggior parte delle fluttuazioni, lasciando l'unica cosa che fornisce l'effetto desiderato.

Molto spesso, i cristalli agiscono come un polarizzatore. Se in precedenza venivano utilizzati principalmente materiali naturali (ad esempio tormalina), ora ci sono molte opzioni per l'origine artificiale.

Inoltre, la luce polarizzata può essere ottenuta per riflessione da qualsiasi dielettrico. La linea di fondo è che quando flusso luminoso viene rifratto all'incrocio di due mezzi. Questo è facile da vedere mettendo una matita o un tubo in un bicchiere d'acqua.

Questo principio è utilizzato nei microscopi polarizzatori.

Durante il fenomeno della rifrazione della luce, parte dei raggi viene polarizzata. Il grado di manifestazione di questo effetto dipende dalla posizione fonte di luce e l'angolo della sua incidenza rispetto al punto di rifrazione.

Per quanto riguarda i metodi per ottenere la luce polarizzata, viene utilizzata una delle tre opzioni indipendentemente dalle condizioni:

1. Prisma Nicola. Prende il nome dall'esploratore scozzese Nicolas William che lo inventò nel 1828. Ha condotto esperimenti per molto tempo e dopo 11 anni è stato in grado di ottenere un dispositivo finito, che viene ancora utilizzato invariato.
2. Riflessione da un dielettrico. Qui è molto importante scegliere l'angolo di incidenza ottimale e tenere conto del grado rifrazione (maggiore è la differenza nella trasmissione luminosa dei due mezzi, più i raggi vengono rifratti).
3. Utilizzo di un ambiente anisotropo. Molto spesso, per questo vengono selezionati cristalli con proprietà adeguate. Se dirigi un flusso luminoso verso di loro, puoi osservarne la separazione parallela all'uscita.

Polarizzazione della luce per riflessione e rifrazione all'interfaccia di due dielettrici

Questo fenomeno ottico è stato scoperto da un fisico scozzese David Brewster nel 1815. La legge da lui derivata mostrava la relazione tra gli indicatori di due dielettrici a un certo angolo di incidenza della luce. Se scegliamo le condizioni, i raggi riflessi dall'interfaccia di due mezzi saranno polarizzati su un piano perpendicolare all'angolo di incidenza.

Un'illustrazione della legge di Brewster.

Il ricercatore ha notato che il raggio rifratto è parzialmente polarizzato nel piano di incidenza. In questo caso, non tutta la luce viene riflessa, parte di essa va nel raggio rifratto. Angolo birraio è l'angolo con cui luce riflessa completamente polarizzato. In questo caso, i raggi riflessi e rifratti sono perpendicolari tra loro.

Per capire il motivo di questo fenomeno, è necessario conoscere quanto segue:

1. In ogni onda elettromagnetica, le oscillazioni del campo elettrico sono sempre perpendicolari alla direzione del suo movimento.
2. Il processo è diviso in due fasi. Nella prima l'onda incidente provoca l'eccitazione delle molecole del dielettrico, nella seconda compaiono onde rifratte e riflesse.

Se nell'esperimento viene utilizzata una plastica di quarzo o altro minerale adatto, intensità luce polarizzata piana sarà piccolo (circa il 4% dell'intensità totale). Ma se usi una pila di piatti, puoi ottenere un aumento significativo delle prestazioni.

A proposito! La legge di Brewster può anche essere derivata usando le formule di Fresnel.

Polarizzazione della luce da un cristallo

I dielettrici ordinari sono anisotropi e le caratteristiche della luce quando li colpisce dipendono principalmente dall'angolo di incidenza. Le proprietà dei cristalli sono diverse, quando la luce li colpisce si può osservare l'effetto della doppia rifrazione dei raggi.Ciò si manifesta come segue: quando attraversano la struttura si formano due raggi rifratti, che vanno in direzioni diverse, anche le loro velocità differiscono.

Molto spesso, negli esperimenti vengono utilizzati cristalli uniassiali. In essi, uno dei raggi di rifrazione obbedisce a leggi standard ed è chiamato ordinario. Il secondo è formato in modo diverso, è chiamato straordinario, poiché le caratteristiche della sua rifrazione non corrispondono ai canoni usuali.

Ecco come appare la doppia rifrazione nel diagramma.

Se ruoti il ​​cristallo, il raggio ordinario rimarrà invariato e quello straordinario si sposterà attorno al cerchio. Molto spesso, negli esperimenti vengono utilizzati calcite o spato islandese, poiché sono adatti per la ricerca.

A proposito! Se guardi l'ambiente attraverso il cristallo, i contorni di tutti gli oggetti si divideranno in due.

Basato su esperimenti con i cristalli Étienne Louis Malus ha formulato la legge nel 1810 l'anno che ha ricevuto il suo nome. Ha dedotto una chiara dipendenza della luce polarizzata linearmente dopo il suo passaggio attraverso un polarizzatore realizzato sulla base di cristalli. L'intensità del raggio dopo il passaggio attraverso il cristallo diminuisce in proporzione al quadrato del coseno dell'angolo formato tra il piano di polarizzazione del raggio in ingresso ed il filtro.

Video lezione: Polarizzazione della luce, fisica Grado 11.

Applicazione pratica della polarizzazione della luce

Il fenomeno in esame è utilizzato nella vita di tutti i giorni molto più spesso di quanto sembri. La conoscenza delle leggi di propagazione delle onde elettromagnetiche ha aiutato nella creazione di varie apparecchiature. Le opzioni principali sono:

1. Filtri polarizzanti speciali per fotocamere consentono di eliminare l'abbagliamento quando si scattano foto.
2. Gli occhiali con questo effetto sono spesso utilizzati dai conducenti, poiché rimuovono l'abbagliamento dai fari dei veicoli in arrivo.Di conseguenza, anche gli abbaglianti non possono abbagliare il conducente, il che migliora la sicurezza.
   L'assenza di abbagliamento è dovuta all'effetto della polarizzazione.
3. Le apparecchiature utilizzate in geofisica consentono di studiare le proprietà delle masse nuvolose. Viene anche utilizzato per studiare le caratteristiche della polarizzazione della luce solare quando passa attraverso le nuvole.
4. Installazioni speciali che fotografano le nebulose cosmiche in luce polarizzata aiutano a studiare le caratteristiche dei campi magnetici che vi sorgono.
5. Nell'industria meccanica viene utilizzato il cosiddetto metodo fotoelastico. Con esso, puoi determinare chiaramente i parametri di sollecitazione che si verificano nei nodi e nelle parti.
6. Attrezzatura Usato durante la creazione di scenografie teatrali e nella progettazione di concerti. Un altro ambito di applicazione sono le vetrine e gli stand espositivi.
7. Dispositivi che misurano il livello di zucchero nel sangue di una persona. Funzionano determinando l'angolo di rotazione del piano di polarizzazione.
8. Molte imprese del settore alimentare utilizzano apparecchiature in grado di determinare la concentrazione di una particolare soluzione. Esistono anche dispositivi in ​​grado di controllare il contenuto di proteine, zuccheri e acidi organici attraverso l'uso di proprietà di polarizzazione.
9. La cinematografia 3D funziona proprio attraverso l'uso del fenomeno considerato nell'articolo.

A proposito! Familiare a tutti i monitor e televisori a cristalli liquidi funziona anche sulla base di un flusso polarizzato.

Conoscere le caratteristiche di base della polarizzazione consente di spiegare i numerosi effetti che si verificano intorno. Inoltre, questo fenomeno è ampiamente utilizzato nella scienza, nella tecnologia, nella medicina, nella fotografia, nel cinema e in molti altri campi.