Поляризация волн
У этого термина существуют и другие значения, см. Поляризация.
Описание поляризации волн
Поляриза́ция волн — характеристика поперечных волн, описывающая поведение вектора колеблющейся величины в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны. В плоском пространстве она определяет работу для вектора колеблющейся величины, который перпендикулярен направлению распространения волны.
Для демонстрации поляризации волн можно использовать шнур от ротора, который перед щелью колеблется по кругу, а за щелью до точки закрепления — линейно.
Эффект поляризации при квантовомеханическом рассмотрении
Аналогичный эффект поляризации наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином. Состояние отдельной частицы в данном случае не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности. Для частицы со спином ½ (например, для электрона) это эрмитова матрица 2×2 со следом 1.
Степень поляризации частицы
Степень поляризации частицы определяется с помощью величины, которая выражается как вектор, составленный из матриц Паули, и вектор среднего спина частицы. Это вещественное число, которое соответствует полностью поляризованному пучку частиц.
Отличие волн с круговой и плоской поляризацией
Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору с точностью до движения пространства. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор амплитуды показывает, в какую сторону происходят колебания.
Причины возникновения поляризации волн
Поляризация описывается фигурами Лиссажу и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты с различным сдвигом фаз. При равенстве частоты колебаний фигуры Лиссажу представляют собой эллипс, крайние формы которого — круг и отрезок прямой.
Применение поляризации волн
Поляризация волн может использоваться для создания различных оптических эффектов и в 3D-кинематографе (технология IMAX), где она используется для разделения изображений для правого и левого глаза.
Скорость распространения волны также может зависеть от её поляризации. Линейно поляризованные волны, распространяющиеся под прямым углом друг к другу, не интерферируют.
Круговая поляризация в антеннах и свете
Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. Вращение космического аппарата не влияет на возможность связи.
Направление вращения круговой поляризации должно совпадать с направлением вращения другой антенны, работающей с космической. Поляризационная развязка используется для работы антенн противоположных направлений вращения или ортогональных с линейной поляризацией.
Сложности антенн круговой поляризации
Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации, для этого требуется поляризатор. Переделка антенны справа налево упрощается поворотом на 90 градусов относительно оси вращения поляризатора. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации – с левым или правым направлением вращения.
Круговая поляризация в свете
Круговая поляризация света используется в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage для сохранения стереоэффекта и избежания двоения изображения при наклонах головы.
Поляризация электромагнитных волн
Поляризация для электромагнитных волн – направленное колебание векторов напряжённости электрического поля E или напряжённости магнитного поля H. Возможны разные разложения волн на поляризованные составляющие, как линейные, так и круговые.
Свет солнца не имеет поляризации, но рассеянный свет неба может иметь частичную линейную поляризацию. Поляризация света меняется при отражении, что используется в фотографии и других областях.
Линейную поляризацию обычно имеет излучение антенн. Изменяя поляризацию света при отражении, можно судить о структуре поверхности и других параметрах.
Ограничить прохождение поляризованного света можно с помощью поляризационных фильтров.
Применение поляризации света в современных технологиях
Сегодня полное понимание явления поляризации света позволяет применять его в различных сферах технологий. Одним из таких примеров являются жидкокристаллические экраны, которые широко используются в современных мониторах, телевизорах, и смартфонах.
Жидкие кристаллы в таких экранах обладают анизотропными оптическими свойствами, то есть их характеристики зависят от направления. Приложение электрического поля к жидким кристаллам позволяет изменять их поляризацию, что позволяет управлять прохождением света через экран и, следовательно, отображением изображения.
Заключение
История открытия и понимание поляризации света открывает перед нами широкие перспективы для использования этого явления в разных областях науки и технологий. От жидкокристаллических экранов до оптических приборов, полное понимание поляризации света помогает нам создавать все более эффективные и инновационные устройства.
Поляризация света: история и теория
В 1808 году французский физик Этьен Луи Малюс, изучая свет сквозь кусок исландского спата, заметил интересное явление. При определенном положении кристалла видно было только одно изображение. Это привело к тому, что он предположил, что свет может быть поляризованным.
Корпускулярная теория света
Малюс опирался на корпускулярную теорию света Ньютона и предположил, что корпускулы в солнечном свете ориентированы беспорядочно, но после отражения или прохождения через кристалл они приобретают определенную ориентацию, порождая поляризованный свет.
Волновая теория света
Тем не менее, в 1815 году Ампер предложил новую гипотезу, утверждая, что свет может быть объяснен волновой теорией. Позднее, Френель разработал волновую теорию поляризации света, которая считается более точной.
Монохроматические волны и поляризация
Одним из ключевых понятий в поляризации света является монохроматическая волна. Компоненты вектора напряженности электрического и магнитного полей меняются согласно гармоническому закону.
Уравнение движения вектора поля позволяет описать эллипс. Поворот эллипса на угол определяет поляризацию света. Величина вектора Пойнтинга и разность фаз также играют важную роль в вычислении параметров эллиптически поляризованной волны.
С помощью соотношений и уравнений можно провести расчеты и определить характеристики такой волны. Понимание поляризации света имеет большое значение для различных областей науки и техники.
Направление вращения вектора определяется разностью фаз . Если , тогда поляризация называется правой, а если, напротив, , поляризация называется левой. В оптике (где важна плоскость изображения) если наблюдатель смотрит навстречу световому лучу, то правой поляризации соответствует движение конца вектора по часовой стрелке, а левой поляризации — против часовой стрелки. В радиофизике принято наоборот: если смотреть навстречу излучению, то вращение против часовой — правая поляризация, по часовой — левая. Если разность фаз равна , где — целое число, то эллипс вырождается в отрезок. Такая поляризация называется линейной. Другой важный случай возникает, когда и . В этом случае эллипс превращается в окружность, параметрическое уравнение которой имеет вид:
Нетрудно убедиться, что произвольная эллиптическая поляризация может быть разложена на сумму правой и левой круговых поляризаций.
Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре
Для описания поляризации плоской монохроматической волны достаточно трёх параметров, например:
амплитуд колебаний по осям X и Y (полудлин сторон прямоугольника, в который вписан эллипс поляризации) , и разностью фаз (между колебаниями по X и по Y), либо
полуосей эллипса , и угла между осью и большой осью эллипса (азимутального угла эллипса или азимута, иначе называемого углом наклона эллипса). Стоксом было предложено альтернативное описание поляризации с помощью четырёх параметров, получивших его имя.
Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:
И в этом представлении для описания поляризации плоской монохроматической волны достаточно знать три параметра за исключением того, что не будет известен знак вычисляемого , или .
Примечание: случай частичной поляризации с здесь не рассматривается.
Если использовать вспомогательные углы
азимут эллипса поляризации , то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:
Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .
S- и p-поляризации волн
Подробнее смотрите Формулы Френеля.
В сейсмологии p-волна (от англ. — первичный) — продольная волна, приходящая от эпицентра землетрясения первой. s-волна (от англ. — вторичный) — поперечная волна (shear wave), имеющая меньшую скорость распространения, чем продольная, и поэтому приходящая от эпицентра позднее.
Зеленое Солнце
Слава богу, ученые и прекрасные академики нам все объяснили. Солнце – оно зеленое. Иногда. Потому что вообще-то оно черное. Почему мы его считаем белым? Да потому что "Ах, обмануть меня не трудно! Я сам обманываться рад!"
Он пояснил, что свечение от звезд идет из-за температуры поверхности, точно так же, как светится раскаленное жало паяльника, кочерга или гвоздь. Для каждой температуры характерно излучение на своей длине волны. Свет красного карлика (малые и относительно холодные звезды) будет соответствовать 3000 градусов Кельвина, а для Солнца кривая излучения будет соответствовать примерно 5500 градусов Кельвина.
"Обобщая все это, мы видим следующее: максимум излучения Солнца согласно Закону Вина (устанавливает зависимость длины волны от температуры черного тела – ред.) наблюдается на длине волны 501 нанометров. Такой цвет можно назвать зеленым или бирюзовым. К зеленому можно отнести диапазон от 500 до 570 нанометров. И вот мы и получаем наш громкий заголовок – Солнце зеленое", – сказал Малыхин.
Однако, отметил ученый, не стоит торопиться с выводами. Цветом обозначается восприятие человеком определенного электромагнитного излучения. Человеческие глаза ограничены в широте восприятия цвета тремя типами фоторецепторов. Самый чувствительный рецептор L – отвечающий за желто-красный диапазон. M- и S-рецепторы – отвечают за восприятие зелено-желтого и фиолетово-синего цветов, соответственно. Самому чувствительному L-рецептору проще всего поймать сигнал, поэтому человек почти всегда должен видеть происходящее в красных тонах. Чтобы компенсировать разницу в получаемых сигналах мозг приводит их к цветовому балансу.
"Почти весь видимый диапазон солнечного света (380-780 нанометров) покрывается максимумом кривой излучения Солнца. Учитывая особенность восприятия наших органов зрения, излучение Солнца почти равномерно засвечивает L, M и S-колбочки. Наш мозг это корректирует и говорит, что каждого цвета примерно одинаковое количество, и мы видим в итоге белый цвет. О чем и говорится в исходной статье британского ученого", – рассказал Малыхин. (Отсюда.)
Лично мне кажется, что Солнце – желтое. Но если ученые и прекрасные академики утверждают, что Солнце – зеленое, хотя на самом деле оно черное, то у меня нет никаких причин им не верить. К тому же я подсветил Солнце фонариком, и оно мне реально ничего не отразило, ученый был совершенно прав!
Список вопросов теста
В металлическое кольцо в течение первых двух секунд вдвигают магнит, в течение следующих двух секунд магнит оставляют неподвижным внутри кольца, в течение последующих двух секунд его вынимают из кольца. В какие промежутки времени в катушке течет ток?
Варианты ответов
Сплошное проводящее кольцо из начального положения вначале смещают вверх относительно полосового магнита (см. рис.), затем из того же начального положения смещают вниз.
Вопрос 3
Свет какого цвета больше всего преломляется стеклянной треугольной призмой?
Вопрос 4
Примером дисперсии света
Вопрос 5
Как называется частица, излучаемая
атомом при переходе из возбуждённого
состояния в основное?
Вопрос 6
На рисунке приведены спектр поглощения неизвестного газа (в середине), спектры поглощения атомов водорода (вверху) и гелия (внизу). Что можно сказать о химическом составе газа?
Вопрос 7
Для демонстрации медленных электромагнитных колебаний собирается колебательный контур с конденсатором, емкость которого равна 3,5 мкФ. Какова должна быть индуктивность катушки при периоде колебания 0,3 с?
Вопрос 9
. Постоянный магнит вводят в замкнутое алюминиевое кольцо (см. рис.). При этом
Вопрос 10
Атом, находящийся в стационарном состоянии, фотоны