Warto przeczytać

Falami nazywamy rozchodzące się zaburzenia ośrodka, podczas którego drgające cząsteczki ośrodka przekazują energię drgań kolejnym cząsteczkom. W zależności od ich kierunku rozchodzenia się, fale dzielimy na poprzeczne i podłużne.

W falach podłużnych kierunek rozchodzenia się fali jest równoległy do kierunku drgania cząsteczek ośrodka. Fale poprzeczne rozchodzą się w kierunku prostopadłym do kierunku drgań cząsteczek. Więcej o falach poprzecznych i podłużnych dowiesz się w e‑materiałach „Fale poprzeczne” i „Fale podłużne”.

Światło również ma charakter falowy – jest falą elektromagnetyczną. Jednak fale elektromagnetyczne rozchodzą się w próżni, więc nie może być mowy o drganiach cząsteczek ośrodka. W tym przypadku w przestrzeni rozchodzą się drgania wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego (Rys. 1.).

R1JUgBvxgSjXb

Rys. 1. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym zaprezentowano schematycznie rozkład pól elektrycznego i magnetycznego dla rozchodzącej się fali elektromagnetycznej. Rysunek przedstawia trójwymiarowy i prostokątny układ współrzędnych narysowany kolorowymi strzałkami. Oś pozioma układu skierowana jest w prawo i widoczna jest w postaci czarnej strzałki. Przedstawia ona kierunek rozchodzenia się fali. Os pionowa układu skierowana jest w górę i narysowano ją niebieskim kolorem. Pionowa oś układu przedstawia kierunek zmian pola elektrycznego, będącego składową fali elektromagnetycznej. Trzecia oś układu narysowana została w postaci czerwonej strzałki, prostopadłej do dwóch pozostałych osi i skierowanej w lewo i w dół. Czerwona oś układu przedstawia kierunek zmian pola magnetycznego, które również jest składową fali elektromagnetycznej. Wzdłuż kierunku pionowego widoczna jest niebieska funkcja w postaci sinusoidy. Przedstawia ona zmianę pola elektrycznego. Pomiędzy osią przedstawiającą kierunek rozchodzenia się fali a niebieską funkcją widoczne są niebieskie strzałki skierowane od osi do profilu funkcji. Druga funkcja narysowana została czerwonym kolorem . Również przedstawia ona funkcję sinusoidalną ale wzdłuż czerwonej osi. Czerwona funkcja przedstawia zmiany pola magnetycznego. Pomiędzy osią przedstawiającą kierunek rozchodzenia się fali a czerwoną funkcją widoczne są czerwone strzałki skierowane od osi do profilu funkcji. Płaszczyzna w której widoczne są zmiany natężeń pól elektrycznego i magnetycznego są wzajemnie prostopadłe.

Wektory natężeń tych pól są prostopadłe do siebie i do kierunku rozchodzenia się fali.

Fala elektromagnetyczna, a więc i światło, jest falą poprzeczną.

Falowy charakter światła potwierdzają takie zjawiska, jak dyfrakcjadyfrakcjadyfrakcja i interferencjainterferencjainterferencja. Jednak o tym, że światło jest falą poprzeczną, świadczy zjawisko polaryzacji światła.

Światło pochodzące z naturalnych źródeł (takich jak Słońce) jest światłem niespolaryzowanym. Oznacza to, że drgania wektorów pola elektrycznego mają przypadkowe kierunki, prostopadłe do kierunku rozchodzenia się światła. W świetle spolaryzowanym drgania wektora pola elektrycznego odbywają się w jednym kierunku. Rys. 2. przedstawia przykładowe kierunki drgań wektora pola elektrycznego fali elektromagnetycznej biegnącej prostopadle do ekranu.

R17ZB1aLvObBK

Rys. 2. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym przedstawiono schematycznie trzy rodzaje polaryzacji światła dla fali elektromagnetycznej, której kierunek drgań wektora pola elektrycznego jest prostopadły do ekranu. Ilustracja podzielona jest na trzy części mała litera a z nawiasem prawym, mała litera b z nawiasem prawym i mała litera c z nawiasem prawym. Poszczególne części ilustracji widoczne są na tej samej wysokości obok siebie. Z lewej strony widoczna jest część opisana małą literą z nawiasem prawym. Przedstawia ona kierunek polaryzacji narysowany w postaci niebieskiej i dwustronnej strzałki zakończonej grotami na obu końcach. Kierunek wyznaczony przez strzałka biegnie od lewej i dolne części ekranu do prawej i górnej części ekranu. W środku widoczna jest część opisana małą literą b z nawiasem prawym. Przedstawia ona polaryzację pionową, narysowaną w postaci niebieskiej i pionowej, podwójnej strzałki zakończonej grotami na obu końcach. Po prawej stronie widoczna jest część ilustracji opisana małą literą c z nawiasem prawym. Ta część rysunku przedstawia światło niespolaryzowane, widoczne w postaci wielu niebieskich i podwójnych strzałek, których środki się pokrywają. Poza poziomą i pionową strzałką widoczne są również strzałki wyznaczające inne, skośne kierunki. Strzałki tworzą okrąg.

Zjawisko polaryzacji fali łatwiej zrozumieć na przykładzie fali mechanicznej, w której możemy obserwować drgania cząsteczek ośrodka. Rys. 3. pokazuje falę poprzeczną wzbudzoną w elastycznym sznurze. Drgania sznura wymuszane są w różnych przypadkowych kierunkach – jest to fala niespolaryzowana. Po przejściu przez pierwszą, pionową szczelinę, fala staje się spolaryzowana – drgania cząsteczek sznura odbywają się tylko w kierunku pionowym. Po przejściu przez druga szczelinę - poziomą - fala uległa wygaszeniu.

R1FyVEkDN3Ny6

Rys. 3. Ilustracja przedstawia rysunek, na którym widoczna jest fala wytworzona na poziomo zamocowanym sznurku przechodząca przez dwie szczeliny. Z lewej strony ilustracji widoczny jest rysunek przedstawiający ludzką dłoń trzymającą w palcach sznurek. Sznurek narysowano w postaci pomarańczowej i ciągłej linii w kształcie zbliżonym do sinusoidy. Ciągłą linią narysowano sinusoidę drgającą w kierunku pionowym. Obok sinusoidy narysowanej ciągłą linią widoczne są dwie inne pomarańczowe ale przerywane linie przypominające sinusoidy, które drgają w kierunkach innych niż pionowy. Sinusoidy symbolizują falę niespolaryzowaną, czyli taką w której kierunek drgań nie jest stały. Na drodze propagacji fali, po prawej stronie widoczna jest szczelina, narysowana w postaci szarego prostopadłościanu. Szczelina ustawiona jest w kierunku pionowym. Za szczeliną widoczna jest dalsza część sznurka, w którym wytworzona została fala. Fala za szczeliną również jest sinusoidalna ale drga tylko w kierunku pionowym. Pionowa szczelina symbolizuje polaryzator, który transmituje jedynie falę o ściśle określonej polaryzacji, w tym przypadku związanej z drganiami w kierunku pionowym. Pionowo spolaryzowana fala napotyka na swojej drodze propagacji kolejną szczeliną widoczną w postaci szarego prostopadłościanu. Druga szczelina ustawiona jest w kierunku poziomym. Pozioma szczelina działa jak kolejny polaryzator, który transmituje jedynie fale drgające w kierunku poziomym. Padająca na polaryzator fala drga jednak w kierunku pionowym i nie posiada składowej poziomej, a zatem za szczeliną następuje całkowite wygaszenie fali. Sznurek za drugą szczeliną widoczny jest w postaci pomarańczowej i poziomej linii przymocowanej do czarnego haku przytwierdzonego do szarej i pionowej ściany. Rysunek przedstawia szczególny przypadek, w którym na drodze początkowo niespolaryzowanej fali ustawione są kolejna dwa skrzyżowane polaryzatory. Pierwszy z polaryzatorów przepuszcza falę o konkretnie zadanej polaryzacji liniowej, która następnie pada na kolejny polaryzator przepuszczający falę o polaryzacji ortogonalnej. Jednak padająca na drugi polaryzator fala nie posiada składowej, która mogłaby być transmitowana, a zatem obserwowane jest całkowite wygaszenie fali.

Urządzenia służące do polaryzacji światła nazywamy polaryzatorami. Gdy światło niespolaryzowane przepuścimy przez polaryzator, to uzyskamy falę, w której drgania pola elektrycznego zachodzą tylko w jednym, stałym kierunku. Mówimy, że światło takie jest spolaryzowane liniowo, a kierunek drgań wektora pola elektrycznego nazywamy kierunkiem polaryzacji. Polaryzator przepuszcza tylko taką część światła, która ma kierunek drgań pola elektrycznego wyznaczony przez polaryzator.

Najpopularniejszymi polaryzatorami są używane przez fotografów polaroidy. Są to płytki z polimerów zbudowanych z cząsteczek organicznych, tworzących długie włókna. Polaryzator przepuszcza tylko takie fale świetlne, których wektory pola elektrycznego mają kierunek wyznaczony przez polaryzator, pozostałe fale są zatrzymywane. Ubocznym skutkiem działania polaryzatora jest więc zmniejszenie natężenia światła. Gdy na drodze światła spolaryzowanego liniowo umieścimy drugi polaryzator ustawiony prostopadle do kierunku polaryzacji, nastąpi wygaszenie wiązki światła - podobnie, jak dzieje się to w przypadku fali poprzecznej biegnącej w sznurze (Rys. 3.). Więcej o tym zjawisku przeczytasz w e‑materiale „Badanie zmiany natężenia światła po przejściu przez dwa polaryzatory ustawione równolegle i prostopadle”.

Polaryzacja światła podczas odbicia.

Zjawisko polaryzacji światła występuje także w warunkach naturalnych. Światło odbite od powierzchni przezroczystych ośrodków, jak woda czy szkło, jest częściowo spolaryzowane, a przy określonym kącie padania (tzw. kącie Brewstera) –spolaryzowane całkowicie. Wektor pola elektrycznego odbitej, spolaryzowanej wiązki, jest równoległy do powierzchni odbijającej.

Światło odbite od gładkiej nawierzchni drogi, wody lub śniegu, znacznie pogarsza widoczność. Tworzy się wtedy oślepiająca, biała poświata (Rys. 4a.). Aby uniknąć tego efektu, stosuje się w okularach słonecznych i korekcyjnych filtry polaryzacyjne. Jak działają filtry polaryzacyjne w okularach?

R1GrImKGUjkZH

Rys. 4a. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczna jest szosa podczas zachodu słońca. Po prawej oraz lewej stronie asfaltowej szosy widoczne są zazielenione pola. W oddali widoczne są ciemnozielone drzewa. Nad horyzontem widoczne jest jasnopomarańczowe niego w trakcie zachodu słońca. Promienie zachodzącego słońca odbijają się od asfaltowej szosy rażąc w oczy obserwatora i utrudniając obserwację otoczenia. Światło odbite od szosy jest w dużym stopniu spolaryzowane liniowo w kierunku poziomym.

RR5m252SopFWy

Rys. 4b. Ilustracja przedstawia zdjęcie, na którym widoczna jest szosa podczas zachodu słońca. Po prawej oraz lewej stronie asfaltowej szosy widoczne są zazielenione pola. W oddali widoczne są ciemnozielone drzewa. Nad horyzontem widoczne jest jasnopomarańczowe niego w trakcie zachodu słońca. Zdjęcie wykonano z wykorzystaniem filtra polaryzacyjnego, dzięki czemu światło odbite od szosy, które jest w dużym stopniu spolaryzowane liniowo w kierunku poziomym jest osłabione. Skutkuje to zaciemnieniem obrazu, ponieważ część światła słonecznego odbitego od asfaltowej szosy nie jest transmitowana przez filtr, a zatem natężenie światła za filtrem jest mniejsze niż w przypadku braku zastosowania filtra. Pozytywnym skutkiem zastosowania filtra polaryzacyjnego jest ograniczenie natężenia światła odbitego, które nie razi w oczy obserwatora w takim stopniu, jak w przypadku braku filtra. Obserwator może z łatwością dostrzec szczegóły otoczenia szosy.

Odbite promienie świetlne są w dużym stopniu spolaryzowane. Jeśli odbicie następuje od poziomej płaszczyzny, jak nawierzchnia drogi, fala świetlna spolaryzowana jest poziomo (kierunek wektora pola elektrycznego jest poziomy). Przepuszczenie światła przez polaryzator ustawiony pionowo osłabia natężenie odbitych promieni, likwidując odblaski. Obraz staje się bardziej kontrastowy, a barwy intensywniejsze (Rys. 4b.).

Slowniczek