Физика. 11 класс

После открытия электромагнитных волн у физиков возник ряд вопросов: это волны продольные или поперечные? Почему свет легко проходит через некоторые прозрачные вещества, а через другие не проходит? Почему изменяются свойства света при отражении или прохождении его через некоторые кристаллы? Ответы на эти вопросы позволило дать изучение явления поляризации света.

Результаты экспериментов по интерференции и дифракции света показали, что свет распространяется в виде волн. Хотя такие эксперименты позволили физикам точно измерить длины волн света, они не дали никакой информации о том, являются ли световые волны продольными или поперечными. Основная причина этого заключается в том, что и продольные, и поперечные волны могут одинаковым образом интерферировать и дифрагировать.

Соответственно, информацию о продольности или поперечности  световых волн можно получить, исследуя явление поляризации света. Наличие поляризации света является доказательством поперечности световых волн. В отличие от них, звуковые волны являются продольными.

Слово поляризация  происходит от лат. polus  — конец оси, полюс. Применительно к свету термин «поляризация» ввел в 1704—1706 гг. И. Ньютон.

Для того чтобы лучше разобраться в этом явлении, рассмотрим пример механической волны, бегущей по веревке. С ее помощью можно создать поперечные волны, колебания частиц веревки в которых могут происходить в одной плоскости, например, как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости (рис. 100-1 а, б).

Если в направлении распространения таких волн поставить два ящика со щелями, параллельными направлениям колебаний в волнах, то волны пройдут через оба из них (рис. 100-2, а). Если же один из ящиков повернуть на , так чтобы щели были взаимно перпендикулярны, то ни одна из волн не пройдет через второй ящик (рис. 100-2, б).

Таким способом поперечные волны можно «погасить». Продольные волны, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения волны, таким способом «погасить» невозможно, поскольку они будут проходить через щели ящиков при их произвольной взаимной ориентации.

Если представить теперь поперечную волну, колебания в которой происходят вдоль любых прямых линий в плоскости, перпендикулярной ее направлению распространения, то погасить такую волну можно, если пропустить ее через два ящика со скрещенными щелями (см. рис. 100-2, б). При пропускании такой волны через один ящик в ней будут оставаться колебания параллельные его щели.

Свет, испускаемый Солнцем или обычным источником, например лампами, представляет собой совокупность световых волн, которые излучаются огромным количеством частиц (атомов, молекул). Каждый отдельный атом или молекула излучает электромагнитную волну, для которой направление колебаний вектора напряженности электрического поля  строго фиксировано. Излучение любого атома (молекулы) не зависимо от других, поэтому колебания векторов , создаваемые источником света, происходят беспорядочно по всем направлениям, перпендикулярным к направлению распространения света. Такой свет, у которого вектор  хаотически (беспорядочно) колеблется по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественным или неполяризованным.

Явление поляризации света можно обнаружить, пропуская естественный свет через плоскопараллельные пластинки, изготовленные из природного кристалла турмалина. Эти пластинки вырезаны таким образом, что могут пропускать световые волны, с колебаниями вектора напряженности , происходящими только в одной определенной плоскости. Свет попадает в глаз наблюдателя, если пластинки расположены одинаково (рис. 100-3). Если поворачивать одну из пластинок в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света, то попадающий в глаз наблюдателя свет, будет постепенно ослабляться до тех пор, пока пластинки не будут скрещены. В этот момент свет вообще не проходит через систему пластинок. Дальнейшее вращение пластинок приведет к увеличению пропускаемого света. Максимальное пропускание будет при одинаковой ориентации пластинок.

Рассмотренный эксперимент является доказательством поперечности электромагнитных волн.

Прибор, например пластинка турмалина, превращающий естественный свет в поляризованный, называется поляризатором (см. рис. 100-3). Прибор, позволяющий установить, поляризована или нет проходящая через него волна, называется анализатором. Заметим, что анализатор по своей конструкции ничем не отличается от поляризатора. У этих устройств различные назначения: поляризатор выделяет поляризованное излучение из неполяризованного, а анализатор определяет направление и вид поляризации.

После прохождения пластинки поляризатора свет из естественного превращается в линейно-поляризованный или плоскополяризованный (рис. 100-5). Световая волна, вектор напряженности электрического поля  которой во всех точках совершает колебания параллельно одному определенному направлению, называется линейно или плоскополяризованной. Плоскость поляризации определяется как плоскость, содержащая вектор  и вектор скорости распространения волны  (рис. 100-4).

Если же конец вектора  при колебаниях описывает окружность (рис. 100-6 а, б, в), то свет называется поляризованным по кругу, а если — эллипс, то — эллиптически поляризованным (рис. 100-7 а, б).

Таким образом, явление поляризации — это выделение световых волн, направление электрического поля  у которых сохраняется неизменным в пространстве или изменяется по определенному закону.

Если смешать естественный свет с поляризованным, то получается частично-поляризованный свет. В нем колебания вектора одного направления  преобладают по амплитуде над колебаниями по всем другим направлениям.

В настоящее время в качестве поляризаторов широко применяются тонкие пленки толщиной 0,05—0,1 мм, изготовленные как из искусственных монокристаллов (например, герапатита), так и из множества одинаково ориентированных кристалликов, впрессованных в полимерную матрицу. Они намного дешевле, чем турмалин и позволяют изготавливать поляризаторы большой площади. Для защиты таких пленок от механических повреждений и действия влаги их помещают между двумя прозрачными пластинками или плёнками (рис. 100-8).

Поляризованный свет дают экраны калькуляторов, мобильных телефонов и жидкокристаллические мониторы. В этом легко убедиться с помощью поляроидных очков, вращая, например, экран мобильного телефона в плоскости, нормальной лучу зрения. При некотором положении телефона его экран практически полностью затемнится.