Warto przeczytać

Zarówno światło słoneczne, jak i pochodzące z żarówki, jest niespolaryzowane. Oznacza to, że wektory natężenia pola elektrycznego $\overrightarrow{E}$ są ułożone w przypadkowych kierunkach, prostopadłych do kierunku rozchodzenia się danej fali (Rys. 1.). Opisując polaryzacjęPolaryzacjapolaryzację fali elektromagnetycznej, czyli rozchodzących się zaburzeń pola elektrycznego i magnetycznego, mówi się zwyczajowo wyłącznie o jej składowej elektrycznej, gdyż składowa magnetyczna jest do niej prostopadła i zgodna w fazie, więc jej zmiany następują analogicznie.

RGlSIxiPoSplf

Rys. 1. przedstawia falę elektromagnetyczną rozchodzącą się w przestrzeni. Czarna długa strzałka – nachylona pod kątem około 30 stopni do poziomu – obrazuje kierunek rozchodzenia się fali i jest jednocześnie osią sinusoidy narysowaną kolorem czerwonym z zaznaczonymi wektorami natężenia pola elektrycznego. Wektory są koloru czarnego i wypełniają każdy grzbiet i dolinę sinusoidy, Trzykrotnie nad schematem fali umieszczono symbol wektora natężenia pola elektrycznego, wielkie E.

Jednym ze sposobów „uporządkowania” takiej fali jest skierowanie jej na polaryzator, czyli swego rodzaju filtr optyczny przepuszczający tylko jeden kierunek drgań (Rys. 2.).

R1Wxpq9VLvWmh

Rys. 2. przedstawia przejście światła niespolaryzowanego przez polaryzator. Od lewej: obiekt w kształcie czterech czerwonych przecinających się w jednym punkcie odcinków zakończonych strzałkami obrazuje światło niespolaryzowane; niebieska długa strzałka obrazuje kierunek promienia przechodzącego przez polaryzator. Na drodze światła znajduje się filtr polaryzacyjny – szary prostokąt z układem szczelin. Szczeliny są pionowe, równoległe do siebie. Na polaryzatorze zaznaczono oś polaryzacji w postaci czarnego pionowego odcinka zakończonego strzałkami. Światło po przejściu przez polaryzator zostaje spolaryzowane, tzn. jest wyróżniony jeden kierunek pola elektrycznego – zgodny z osią polaryzacji oznaczony wektor wielkie E. Przy odpowiednich elementach rysunku znajdują się opisy tych elementów: filtr polaryzacyjny (polaryzator), kierunek polaryzacji, kierunek promienia, oś.

Po przejściu nieuporządkowanej fali świetlnej przez polaryzator, uzyskamy falę, w której drgania wektora natężenia pola będą zachodziły w jednym kierunku – zgodnym z ustawieniem polaryzatora. O takim świetle powiemy, że jest spolaryzowane liniowoPolaryzacja liniowaspolaryzowane liniowo (oznacza to, że w trakcie propagacji wektor natężenia pola leży w jednej płaszczyźnie).

Efektem ubocznym swoistego „uporządkowania” fali jest zmniejszenie natężenia światła w zależności od kąta miedzy płaszczyzną polaryzacji padającego światła oraz płaszczyzną polaryzacji polaryzatora. Zależność tę opisuje prawo Malusa, zgodnie z którym: natężenie światła spolaryzowanego liniowo po przejściu przez polaryzator równe jest iloczynowi natężenia światła padającego i kwadratu cosinusa kąta między płaszczyzną polaryzacji światła padającego a płaszczyzną polaryzacji światła po przejściu przez polaryzator:

gdzie:

$I_{0}$ – natężenie światła padającego,

$\theta$ – kąt między płaszczyzną polaryzacji światła padającego i płaszczyzną polaryzacji polaryzatora.

Jeśli na drodze światła niespolaryzowanego umieścimy polaryzator, jego natężenie spadnie o połowę. Dlaczego? Każdy wektor natężenia pola można rozłożyć na dwa prostopadłe do siebie kierunki: jeden zgodny z orientacją polaryzatora, a drugi do niej prostopadły. Tylko składowe mające orientację równoległą do osi polaryzatora przez niego przejdą. Składowe prostopadłe są wygaszane. Wszystkie pozostałe składowe są wycinane w stopniu zależnym od tego, pod jakim kątem padają. Średnia wartość $\cos^{2}\theta$ wynosi 0,5. Z tego względu:

Zależność tę można stosować jedynie wówczas, gdy padające światło jest niespolaryzowane.

Rozważmy, co otrzymamy, gdy światło niespolaryzowane przejdzie przez dwa polaryzatory.

a) Jeśli kierunki polaryzacji obu polaryzatorów są równoległe (Rys. 3.), to kąt $\theta$ będzie miał miarę 0°, zatem $\cos^{2}\theta$ przybierze wartość 1, a natężenie światła nie ulegnie zmianie.

R1Q03uDpyVxIM

Rys. 3. przedstawia przejście światła niespolaryzowanego przez dwa polaryzatory o takich samych osiach polaryzacji. Od lewej: obiekt w kształcie czterech czerwonych przecinających się w jednym punkcie odcinków zakończonych strzałkami obrazuje światło niespolaryzowane; niebieska długa strzałka obrazuje kierunek promienia przechodzącego przez polaryzator. Na drodze światła znajdują się dwa polaryzatory – szare prostokąty z układem szczelin. Szczeliny są pionowe, równoległe do siebie. Na obu polaryzatorach zaznaczono oś polaryzacji w postaci czarnego pionowego odcinka zakończonego strzałkami. Światło po przejściu przez pierwszy polaryzator zostaje spolaryzowane, tzn. jest wyróżniony jeden kierunek pola elektrycznego – zgodny z osią polaryzacji. Po przejściu przez polaryzator nie zmienia się wektor pola elektrycznego – jest taki sam jak przed drugim polaryzatorem. Przy odpowiednich elementach rysunku znajdują się opisy tych elementów: filtr polaryzacyjny (polaryzator), oś (odpowiada kierunkowi polaryzacji).

b) Jeśli kierunki polaryzacji obu polaryzatorów są prostopadłe (Rys. 4.), to kąt $\theta$ będzie miał miarę 90°, zatem $\cos^{2}\theta$ przybierze wartość 0, a fala ulegnie wygaszeniu (światło nie przejdzie więc przez drugi polaryzator). Drugi z polaryzatorów nazywany jest analizatorem.

RoqjmByp3fx9C

Rys. 4. przedstawia przejście światła niespolaryzowanego przez dwa polaryzatory o osiach polaryzacji wzajemnie prostopadłych. Od lewej: obiekt w kształcie czterech czerwonych przecinających się w jednym punkcie odcinków zakończonych strzałkami obrazuje światło niespolaryzowane; niebieska długa strzałka obrazuje kierunek promienia przechodzącego przez polaryzator. Na drodze światła znajdują się dwa polaryzatory – szare prostokąty z układem szczelin. W pierwszym polaryzatorze szczeliny są pionowe, równoległe do siebie; w drugim – poziome, równoległe do siebie. Na obu polaryzatorach zaznaczono oś polaryzacji w postaci czarnego pionowego odcinka zakończonego strzałkami. Światło po przejściu przez pierwszy polaryzator zostaje spolaryzowane, tzn. jest wyróżniony jeden kierunek pola elektrycznego – zgodny z osią polaryzacji. Po przejściu przez drugi polaryzator nie widać żadnego wektora E – światło nie przechodzi. Przy odpowiednich elementach rysunku znajdują się opisy tych elementów: filtr polaryzacyjny (polaryzator), oś (odpowiada kierunkowi polaryzacji).

c) Jeśli kierunki polaryzacji będą pod kątem $0^o\lt\theta\lt 90^o$ (Rys. 5), to natężenie światła zmniejszy się zgodnie z podaną wyżej zależnością.

R1eimtqCQe7jj

Rys. 5. przedstawia przejście światła niespolaryzowanego przez dwa polaryzatory o osiach polaryzacji nachylonych do siebie pod kątem mniejszym niż 90 stopni. Od lewej: obiekt w kształcie czterech czerwonych przecinających się w jednym punkcie odcinków zakończonych strzałkami obrazuje światło niespolaryzowane; niebieska długa strzałka obrazuje kierunek promienia przechodzącego przez polaryzator. Na drodze światła znajdują się dwa polaryzatory – szare prostokąty z układem szczelin. Na obu polaryzatorach zaznaczono oś polaryzacji w postaci czarnego pionowego odcinka zakończonego strzałkami. Światło po przejściu przez pierwszy polaryzator zostaje spolaryzowane, tzn. jest wyróżniony jeden kierunek pola elektrycznego – zgodny z osią polaryzacji. Po przejściu przez drugi polaryzator światło zostanie częściowo wygaszone. Przy odpowiednich elementach rysunku znajdują się opisy tych elementów: filtr polaryzacyjny (polaryzator), oś (odpowiada kierunkowi polaryzacji).

Przyjrzyjmy się jeszcze, jak to wygląda w praktyce. Spójrzmy na wizerunek Mikołaja Kopernika:

1. przez jeden polaryzator (Rys. 6.):

RQYQAEJKtLcrk

Rys. 6. przedstawia wizerunek Mikołaja Kopernika oglądany przez polaryzator ustawiony pionowo. Widać fragment figury odlanej z brązu na tle szarej ściany. Do obserwatora dociera światło o mniejszym natężeniu z lewej strony z uwagi na to, że przeszło przez polaryzator. Oglądany obraz jest w związku z tym ciemniejszy.

2. przez dwa polaryzatory ustawione równolegle (Rys. 7.):

RwDH1pgBzgOjF

Rys. 7. przedstawia wizerunek Mikołaja Kopernika oglądany przez dwa polaryzatory ustawione równolegle. Widać fragment figury odlanej z brązu na tle szarej ściany. Światło spolaryzowane przez pierwszy polaryzator przechodzi w całości przez drugi polaryzator. Do obserwatora dociera światło o mniejszym natężeniu z lewej strony z uwagi na to, że przeszło przez polaryzatory. Oglądany obraz jest w związku z tym ciemniejszy.

3. przez dwa polaryzatory ustawione prostopadle (Rys. 8.):

RbkGn37uKIAM5

Rys. 8. przedstawia wizerunek Mikołaja Kopernika oglądany przez dwa polaryzatory ustawione prostopadle. Widać fragment figury odlanej z brązu na tle szarej ściany. Światło spolaryzowane przez pierwszy polaryzator jest całkowicie wygaszone przy przejściu przez drugi polaryzator. Do obserwatora nie dociera światło z uwagi na to, że zostało całkowicie wygaszone. Polaryzatory ułożone jeden przy drugim dają obraz w postaci czarnego prostokąta.

Obserwacje potwierdzają więc przytoczone wcześniej rozważania teoretyczne.

Słowniczek