1 Zjawisko polaryzacji światła Wyk. Agata Niezgoda Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Światło jako fala elektromagnetyczna Światło jest falą elektromagnetyczną czyli rozchodzącym się w przestrzeni zaburzeniem pola elektromagnetycznego (wektory natężenia pola elektrycznego i indukcji magnetycznej drgają w płaszczyznach do siebie prostopadłych tak jak na rysunku): Rysunek ten przedstawia światło spolaryzowane.

3 Światło emitowane przez źródła makroskopowe (np. żarówkę czy Słońce) jest światłem niespolaryzowanym czyli mieszaniną fal, których kierunki wektorów natężenia pola elektrycznego (a więc także prostopadłych do nich wektorów indukcji magnetycznej) są różne.

4 Mechanizm polaryzacji światła za pomocą filtra polaryzującego. Jeśli światło niespolaryzowane przepuścimy przez polaryzator, wówczas wektor natężenia pola elektrycznego będzie drgał tylko w jednej płaszczyźnie – płaszczyźnie polaryzacji polaryzatora (rys poniżej). Dzieje się tak dlatego, że polaryzator przepuszcza tylko fale, których wektor natężenie pola elektrycznego ma kierunek zgodny z kierunkiem polaryzacji.

5 Światło, którego wektor natężenia pola elektrycznego drga w jednym kierunku nazywamy spolaryzowanym liniowo (koniec wektora E zakreśla w czasie linię prostą). Jeśli koniec wektora natężenia pola elektrycznego zakreśla okrąg lub elipsę, wówczas mamy do czynienia ze światłem spolaryzowanym kołowo lub eliptycznie. Jeśli koniec wektora E zakreśla okrąg w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, wówczas jest to polaryzacja kołowa prawoskrętna, a jak w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, to polaryzacją kołową lewoskrętną.

6 Schemat polaryzacji liniowej Schemat polaryzacji kołowej Schemat polaryzacji eliptycznej Źródło: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d7/Polarisation_%28L inear%29.svg/48px -Polarisation_%28Linear%29.svg.png

7 Jeśli światło po przejściu przez jeden polaryzator pada na drugi, o innym kierunku polaryzacji niż pierwszy, wówczas traci część energii, a co za tym idzie, jego natężenie maleje. Dzieje się tak, ponieważ analizator (II polaryzator) przepuszcza tylko składową natężenia pola elektrycznego, która jest równoległa do kierunku polaryzacji drugiego polaryzatora, a składowa prostopadła jest pochłaniana.

8 Poniżej umieszczono animację przedstawiającą doświadczenie z dwoma filtrami polaryzującymi, które ustawiono jeden za drugim. Filtry są obracane względem siebie i obserwujemy przygasanie i rozbłyskiwania światła. Jeśli płaszczyzny polaryzacji są takie same, to efekt jest taki jak dla jednego filtra. Natomiast gdy dwa filtry polaryzacyjne są ustawione tak, że przepuszczają tylko fale w prostopadłych płaszczyznach, to światło nie przechodzi. Źródło: http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Animation_polariseur_2.gif&fil etimestamp=20061103231246

9 Sposoby polaryzacji Najpopularniejszymi polaryzatorami są używane przez fotografów polaroidy. Jest to specjalnie otrzymana folia polimerowa, która podczas wyrobu jest wyciągana, przez co cząsteczki zostają uporządkowane w równoległych szeregach. Kiedy światło przechodzi przez polaroid, składowe wektora E wzdłuż jednego kierunku są przepuszczane, natomiast składowe prostopadłe do tego kierunku są absorbowane przez cząsteczki.

10 Naturalnymi polaryzatorami występującymi w przyrodzie są tzw. kryształy dwójłomne, np. kalcyt. Promień światła padający na taki kryształ ulega podwójnemu załamaniu, tzn. rozdziela się na dwa promienie, załamujące się pod różnymi kątami. Obydwa te promienie są spolaryzowane, ale w płaszczyznach do siebie prostopadłych.

11 Światło ulega polaryzacji również przy odbiciu od powierzchni przezroczystych izolatorów, np. szkła. Całkowita polaryzacja zachodzi dla określonego kąta padania, zwanego kątem Brewstera. Jest to taki kąt padania, przy którym promień załamany tworzy z promieniem odbitym kąt 90 o. n1n1 n2n2

12 Zastosowania zjawiska polaryzacji Polaryzacja ma zastosowanie w: okularach przeciwsłonecznych wyświetlaczach LCD projektorach obrazu trójwymiarowego defektoskopii mikroskopach polaryzacyjnych radioastronomii i radarach Zoologii, itp.

13 Filtry polaryzacyjne stosowane w okularach przeciwsłonecznych zmniejszają jasność nieba w słoneczny dzień, blokują spolaryzowane światło odbite od poziomych płaszczyzn (co jest szczególnie ważne przy kierowaniu samochodem) i zwiększają kontrastowość obrazu. Filtry tego rodzaju są też stosowane w fotografii.

14 Wyświetlacze LCD Kryształ, do którego przyłoży się napięcie elektryczne, powoduje zmianę płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez niego światła. Jeśli połączy się szereg ciekłych kryształów oddziałujących z różnymi długościami promieniowania, to można w ten sposób uzyskać obraz kolorowy. Zmiana polaryzacji światła dotyczy tylko promieni biegnących prostopadle do płaszczyzny ekranu. Zatem gdy patrzy się na wyświetlacz LCD z boku obraz staje się niewyraźny. Ludzkie oko nie dostrzega polaryzacji i dlatego ekran może zawierać filtry polaryzacyjne. Schemat wyświetlacza LCD 1-polaryzator pionowy, 2 i 4- szyba z przeźroczystymi elektrodami, 3-ciekły kryształ, 5-polaryzator poziomy, 6-powierzchnia odbijająca http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/23/Lcd_layers.png/2 50px-Lcd_layers.png

15 Projektory obrazu trójwymiarowego m.in. w kinach IMAX Kamera IMAX, posiada dwa obiektywy i rejestruje równocześnie dwa obrazy. Osie optyczne tych obiektywów przesunięte są względem siebie o odległość równą w przybliżeniu rozstawowi ludzkich oczu (lub inną odległość w przypadku efektów specjalnych). Projektor także jest podwójny. Dwa obrazy wyświetlane są równocześnie, każdy z nich przez swój obiektyw, wyposażony w filtr polaryzacyjny. Filtry obrócone są względem siebie o 90°. Okulary, które zakłada widz wyposażone są w filtry polaryzacyjne. Płaszczyzny polaryzacji w lewym i prawym okularze są ustawione analogicznie do filtrów w projektorze, dzięki czemu do każdego oka widza dociera tylko jeden, przeznaczony dla niego obraz. W efekcie jedno oko widzi film wyświetlany przez lewy projektor, a drugie przez prawy i do mózgu widza dociera taki sam obraz, jak gdyby osobiście znajdował się na planie filmowym. Dzięki zdolności człowieka do widzenia stereoskopowego pojawia się wrażenie głębi. Ekran stanowi jakby okno, przez które widoczna jest sfilmowana scena, przy czym pewne obiekty mogą „wychodzić” przed ekran, powodując szczególnie silne i niecodzienne odczucia.

16

17

18 Defektoskopia Jeśli przezroczysty materiał wykazuje właściwości anizotropowe (w różnych kierunkach wykazuje różne właściwości chemiczne i fizyczne), to często powoduje zmiany polaryzacji przechodzącego przez niego światła (np. w kryształach). Źródłem anizotropii może być również występowanie naprężeń wewnątrz materiału. Zjawisko to można wykorzystać we wczesnym wykrywaniu uszkodzeń maszyn, czyli w defektoskopii, lub do badania prototypów. Model części urządzenia wykonany z przezroczystego materiału może zostać poddany próbom wytrzymałościowym. Odpowiedni układ optyczny pozwala na obserwację charakterystycznych prążków wyznaczających linie naprężeń wewnątrz materiału. Technikę tę wykorzystuje się w elastooptyce (zdjęcia obok).

19 Mikroskop polaryzacyjny Podstawą działania mikroskopów polaryzacyjnych są dwa filtry polaryzacyjne. Dzięki wiedzy o własnościach światła spolaryzowanego wytwarzanego przez różne kryształy możliwe jest rozróżnianie ich rodzajów. Mineralodzy korzystają z mikroskopów polaryzacyjnych, w których poszczególne ziarna kryształów mienią się różnymi kolorami. Obserwowanie wielobarwnych tekstur tworzonych w mikroskopie polaryzacyjnym przez ciekłe kryształy umożliwia szybkie ustalenie ich rodzaju. Niektóre roztwory związków chemicznych, które posiadają tzw. aktywność optyczną mają zdolność do zmiany płaszczyzny polaryzacji przechodzącego przez nie światła, co można i wykorzystuje się do oznaczania stężenia związku w próbce, a także ustalenia ich tzw. czystości optycznej. Pomiary stopnia skręcenia płaszczyzny polaryzacji wykorzystuje się np. do pomiaru stężenia cukru w soku wytłoczonym z buraków cukrowych. Zdjęcie tekstury ciekłego kryształu

20 Radioastronomia i radary Spolaryzowane liniowo wiązki fal radiowych wykorzystywane są w technice radarowej. W radioastronomii obserwacja polaryzacji światła pozwala określić, czy zostało ono rozproszone przed dotarciem do teleskopu czy nie.

21 Zoologia Niektóre zwierzęta mają zdolność do postrzegania polaryzacji światła. Wykorzystują ją m.in. do określania kierunku w przestrzeni. Płaszczyzna polaryzacji światła rozproszonego przez niebo jest prostopadła do kierunku, z którego świeci Słońce. Tą własność światła wykorzystują m.in. pszczoły. Mózg pszczoły rejestruje odległość oraz azymut względem Słońca na trasie jaką pokonuje ona wracając z nektarem do gniazda. W gnieździe rozpoczyna ona specjalny taniec, którym przekazuje te informacje innym pszczołom, dzięki czemu mogą one łatwo odnaleźć bogate źródło pożywienia.

22 Polaryzacja postrzegana jest również przez ośmiornice, kałamarnice oraz mątwy, które wykorzystują światło spolaryzowane do komunikacji. Ich ciała pokryte są wzorami widocznymi tylko przez filtry polaryzacyjne. Niektóre głowonogi mają również zdolność do dynamicznych zmian tych wzorów. Dzięki temu mogą przekazywać sobie sygnały godowe lub odstraszać napastników. kałamarnica ośmiornica mątwy

23 Bibliografia  Berklejowski kurs fizyki tom Fale, F. C. Crawford, PWN, Warszawa, tłumaczenie z Berkeley Physics Coursee – Volume 3 Waves  Fizyka dla studentów nauk przyrodniczych Tom 2, D. Halliday i R. Resnick, PWN, Warszawa  D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy Fizyki, cz. 5, wyd. PWN, Warszawa 2003  P. Walczak, G. F. Wojewoda, Fizyka i astronomia, zakres podstawowy, podręcznik, cz. 3, wyd. OPERON, Gdynia 2007  http://pl.wikipedia.org/wiki/Polaryzacja_fali  http://images.google.pl/imgres?imgurl=http://www.underwater.pg.gd a.pl/didactics/ISPG/PMMA/Elstooptyka_files/Sel2.jpg&imgrefurl=http ://www.underwater.pg.gda.pl/didactics/ISPG/PMMA/Elstooptyka.htm &usg=___Xp9bhNBZJJo7ce9ZCJfFdTK6Eo=&h=494&w=467&sz=2 7&hl=pl&start=16&um=1&tbnid=IViiakx- qcNnjM:&tbnh=130&tbnw=123&prev=/images%3Fq%3Delastooptyk a%26hl%3Dpl%26lr%3D%26client%3Dfirefox- a%26channel%3Ds%26rls%3Dorg.mozilla:pl:official%26sa%3DG% 26um%3D1

24 Dziękuję za uwagę !!!