Ni vigumu kubainisha ni nani alikuwa wa kwanza kugundua mwanga wa polarized. Watu wa kale wangeweza kuona mahali pa pekee kwa kutazama anga katika mwelekeo fulani. Polarization ina quirks nyingi, inajidhihirisha katika maeneo tofauti ya maisha, na leo ni somo la utafiti wa wingi na matumizi, sababu ya kila kitu ni sheria ya Malus.
Ugunduzi wa mwanga wa polarized
Vikings huenda walitumia ubaguzi wa anga kuabiri. Hata kama hawakufanya hivyo, kwa hakika walipata Iceland na jiwe la ajabu la calcite. Spar ya Kiaislandi (calcite) ilijulikana hata katika nyakati zao, ni wenyeji wa Iceland ambao anadaiwa jina lake. Madini hayo yaliwahi kutumika katika urambazaji kutokana na sifa zake za kipekee za macho. Ilichukua jukumu kubwa katika ugunduzi wa kisasa wa ubaguzi na inaendelea kuwa nyenzo ya chaguo la kutenganisha vipengee vya mgawanyiko wa mwanga.
Mnamo 1669, mwanahisabati wa Denmark kutoka Chuo Kikuu cha Copenhagen, Erasmus Bartholinus, sio tu kwamba aliona mwanga maradufu, bali pia alifanya baadhi ya majaribio, akiandika kumbukumbu ya kurasa 60. Hii niilikuwa maelezo ya kwanza ya kisayansi ya athari ya utengano, na mwandishi anaweza kuchukuliwa kuwa mgunduzi wa mali hii ya ajabu ya mwanga.
Christian Huygens alianzisha nadharia ya mawimbi ya mawimbi ya mwanga, ambayo alichapisha mwaka wa 1690 katika kitabu chake maarufu Traite de la Lumiere. Wakati huo huo, Isaac Newton aliendeleza nadharia ya corpuscular ya mwanga katika kitabu chake Opticks (1704). Mwishowe, zote mbili zilikuwa sawa na mbaya, kwani nuru ina asili mbili (wimbi na chembe). Bado Huygens alikuwa karibu na uelewa wa kisasa wa mchakato.
Mnamo 1801, Thomas Young alifanya jaribio maarufu la uingiliaji wa sehemu mbili. Imethibitishwa kuwa nuru hufanya kama mawimbi, na uwekaji wa juu wa mawimbi unaweza kusababisha giza (kuingilia kati kwa uharibifu). Alitumia nadharia yake kueleza mambo kama vile pete za Newton na mikunjo ya upinde wa mvua isiyo ya kawaida. Mafanikio katika sayansi yalikuja miaka michache baadaye wakati Jung alipoonyesha kuwa ubaguzi unatokana na asili ya mawimbi ya mwanga.
Kijana Etienne Louis Malus aliishi katika enzi ya misukosuko - wakati wa Mapinduzi ya Ufaransa na enzi ya ugaidi. Alishiriki pamoja na jeshi la Napoleon katika uvamizi wa Misri, pamoja na Palestina na Syria, ambapo alipata tauni iliyomuua miaka michache baadaye. Lakini aliweza kutoa mchango muhimu katika uelewa wa ubaguzi. Sheria ya Malus, ambayo ilitabiri ukubwa wa mwanga unaopitishwa kupitia polarizer, imekuwa mojawapo ya maarufu zaidi katika karne ya 21 wakati wa kuunda skrini za kioo kioevu.
Sir David Brewster, mwandishi mashuhuri wa sayansi, alisoma masomo ya fizikia ya macho kama vile dichroism na spectra.kunyonya, pamoja na masomo maarufu zaidi kama vile upigaji picha wa stereo. Maneno maarufu ya Brewster yanajulikana: "Kila kitu ni wazi isipokuwa kioo".
Pia alitoa mchango muhimu katika utafiti wa mwanga:
- Sheria inayoelezea "pembe ya ubaguzi".
- Uvumbuzi wa kaleidoscope.
Brewster alirudia majaribio ya Malus kwa vito vingi na nyenzo nyingine, kugundua hitilafu kwenye kioo, na kugundua sheria - "Brewster's angle". Kulingana na yeye, “… wakati boriti inapowekwa katika mgawanyiko, boriti iliyoakisiwa huunda pembe ya kulia na boriti iliyoangaziwa.”
Sheria ya Ugawanyiko wa Malus
Kabla hatujazungumza kuhusu ubaguzi, lazima kwanza tukumbuke kuhusu mwanga. Nuru ni wimbi, ingawa wakati mwingine ni chembe. Lakini kwa hali yoyote, polarization ina maana ikiwa tunafikiria mwanga kama wimbi, kama mstari, unaposafiri kutoka kwa taa hadi kwa macho. Nuru nyingi ni mchanganyiko wa mawimbi ya mwanga ambayo yanatetemeka pande zote. Mwelekeo huu wa oscillation inaitwa polarization ya mwanga. Polarizer ni kifaa kinachosafisha uchafu huu. Inakubali chochote kinachochanganya mwanga na kuruhusu tu kupitia mwanga unaozunguka kuelekea upande mmoja mahususi.
Uundaji wa Sheria ya Malus ni: wakati mwanga tambarare ulioimarishwa unaangukia kwenye kichanganuzi, nguvu ya mwanga inayopitishwa na kichanganuzi ni sawia moja kwa moja na mraba wa kosini ya pembe kati ya mhimili wa upokezaji wa kichanganuzi na polarizer.
Wimbi linalopita la sumakuumeme lina uga wa umeme na sumaku, na uga wa umeme katika wimbi la mwanga unategemea mwelekeo wa uenezi wa wimbi la mwanga. Mwelekeo wa mtetemo wa mwanga ni vekta ya umeme E.
Kwa boriti ya kawaida isiyo na polar, vekta ya umeme huendelea kubadilisha mwelekeo wake nasibu wakati mwanga unapitishwa kupitia polaroid, mwanga unaotokana na ndege huwa umechangiwa huku vekta yake ya kielektroniki ikitetemeka kuelekea upande fulani. Mwelekeo wa vekta ya boriti inayojitokeza inategemea uelekeo wa polaroid, na ndege ya ubaguzi imeundwa kama ndege iliyo na vekta ya E na boriti ya mwanga.
Kielelezo hapa chini kinaonyesha mwanga bapa uliochanika kutokana na vekta ya wima ya EI na vekta mlalo EII.
Mwanga usio na polar hupitia Polaroid P 1 na kisha kupitia Polaroid P 2, na kutengeneza pembe θ na shoka y. Baada ya mwanga kueneza kando ya mwelekeo wa x kupita kwenye Polaroid P 1, vekta ya umeme inayohusishwa na mwanga wa polarized itatetemeka tu kwenye mhimili y.
Sasa ikiwa tutaruhusu boriti hii iliyochanganuliwa kupita kwenye sehemu ya P 2 tena, na kutengeneza pembe θ kwa mhimili y, basi ikiwa E 0 ni ukubwa wa eneo la tukio la umeme kwenye P 2, basi amplitude ya wimbi linalotoka kwa P 2, litakuwa sawa na E 0 cosθ na, kwa hiyo, ukubwa wa boriti inayojitokeza itakuwa kwa mujibu wa Sheria ya Malus (formula) I=I 0 cos 2 θ
ambapo mimi 0 ni ukubwa wa boriti inayojitokeza kutoka P2 wakati θ=0θ ni pembe kati ya ndege za upokezi za kichanganuzi na polarizer.
Mfano wa kukokotoa mwangaza wa mwanga
Sheria ya Malus: I 1=I o cos 2 (q);
ambapo q ni pembe kati ya mwelekeo wa mgawanyiko wa mwanga na mhimili wa usambazaji wa polarizer.
Mwanga usio na ncha wenye nguvu I o=16 W/m 2 huanguka kwenye jozi ya polarizer. Polarizer ya kwanza ina mhimili wa upokezaji uliopangiliwa kwa umbali wa 50[deg.] kutoka kwa wima. Polarizer ya pili ina mhimili wa upokezaji uliopangiliwa kwa umbali wa 20o kutoka kwa wima.
Jaribio la Sheria ya Malus linaweza kufanywa kwa kukokotoa jinsi mwanga ulivyo mkali unapoibuka kutoka kwa polarizer ya kwanza:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
Mwanga haujagawanywa, kwa hivyo mimi 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Uzito wa mwanga kutoka kwa polarizer ya pili:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Ikifuatwa na Sheria ya Malus, uundaji wake ambao unathibitisha kwamba wakati mwanga unaondoka kwenye polarizer ya kwanza, ni polarized kwa 50o. Pembe kati ya hii na mhimili wa usambazaji wa polarizer ya pili ni 30[deg.]. Kwa hivyo:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Sasa mgawanyiko wa mstari wa miale ya mwanga yenye nguvu ya 16 W/m 2 huangukia kwenye jozi sawa za polarizer. Mwelekeo wa mgawanyiko wa mwanga wa tukio ni 20o kutoka kwa wima.
Mzigo wa mwanga unaotoka kwenye polarizer ya kwanza na ya pili. Kupitia kila polarizer, kiwango hupungua kwa sababu ya 3/4. Baada ya kuacha polarizer ya kwanzanguvu ni 163/4 =12 W/m2 na inapungua hadi 123/4 =9 W/m2 baada ya kupita ya pili.
Mgawanyiko wa sheria za Kimalusi unasema kuwa ili kugeuza mwanga kutoka upande mmoja wa ubaguzi hadi mwingine, hasara ya nguvu hupunguzwa kwa kutumia vidhibiti zaidi.
Tuseme unahitaji kuzungusha mwelekeo wa ubaguzi kwa 90o.
| N, idadi ya polarizer | Angle kati ya polarizer mfululizo | Mimi 1 / mimi o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] N |
Ukokotoaji wa Angle ya Kuakisi Brewster
Mwangaza unapogonga uso, baadhi ya mwanga huakisiwa na baadhi hupenya (hurudiwa nyuma). Kiasi cha jamaa cha kutafakari na kukataa hii inategemea vitu vinavyopita kwenye mwanga, pamoja na angle ambayo mwanga hupiga uso. Kuna angle mojawapo, kulingana na dutu, ambayo inaruhusu mwanga kukataa (kupenya) iwezekanavyo. Pembe hii mojawapo inajulikana kama angle ya mwanafizikia wa Scotland David Brewster.
Kokotoa pembeBrewster kwa mwanga mweupe wa kawaida uliochanika hutengenezwa kwa fomula:
theta=arctan (n1 / n2), ambapo theta ni pembe ya Brewster, na n1 na n2 ni fahirisi za kuakisi za media mbili.
Ili kukokotoa pembe bora zaidi ya mwangaza wa juu zaidi wa kupenya kupitia glasi - kutoka kwa jedwali la faharasa refractive tunapata kwamba faharasa ya refractive ya hewa ni 1.00 na faharasa ya refriactive ya glasi ni 1.50.
Pembe ya Brewster itakuwa arctan (1.50 / 1.00)=arctan (1.50)=digrii 56 (takriban).
Kukokotoa pembe bora ya mwanga kwa upeo wa juu wa kupenya kwa maji. Kutoka kwa jedwali la fahirisi za refractive inafuata kwamba faharisi ya hewa ni 1.00, na faharisi ya refractive kwa maji ni 1.33.
Pembe ya Brewster itakuwa arctan (1.33 / 1.00)=arctan (1.33)=digrii 53 (takriban).
Matumizi ya mwanga wa polarized
Mtu rahisi hawezi hata kufikiria jinsi polarizers hutumika ulimwenguni. Mgawanyiko wa mwanga wa sheria ya Malus unatuzunguka kila mahali. Kwa mfano, vitu maarufu kama miwani ya jua ya Polaroid, na vile vile utumiaji wa vichungi maalum vya polarizing kwa lensi za kamera. Vyombo mbalimbali vya kisayansi hutumia mwanga wa polarized unaotolewa na leza au kwa kuweka mwangaza wa taa za incandescent na vyanzo vya fluorescent.
Viweka polarizer wakati mwingine hutumika katika mwangaza wa chumba na jukwaa ili kupunguza mwangaza na kutoa mwanga zaidi na kama miwani ili kutoa hisia ya kina kwa filamu za 3D. Walivuka polarizers hatahutumika katika vazi la angani ili kupunguza kwa kiasi kikubwa kiwango cha mwanga kinachoingia kwenye macho ya mwanaanga wakati amelala.
Siri za optics asilia
Kwa nini anga ya buluu, machweo mekundu na mawingu meupe? Maswali haya yanajulikana kwa kila mtu tangu utoto. Sheria za Malus na Brewster hutoa maelezo kwa athari hizi za asili. Anga yetu ni ya kupendeza sana, shukrani kwa jua. Nuru yake nyeupe nyeupe ina rangi zote za upinde wa mvua zilizowekwa ndani: nyekundu, machungwa, njano, kijani, bluu, indigo na violet. Chini ya hali fulani, mtu hukutana na upinde wa mvua, au machweo ya jua, au jioni ya kijivu. Anga ni bluu kwa sababu ya "kutawanyika" kwa mwanga wa jua. Rangi ya samawati ina urefu mfupi wa wimbi na nishati zaidi kuliko rangi zingine.
Kutokana na hayo, rangi ya samawati humezwa kwa kuchagua na molekuli za hewa, na kisha kutolewa tena katika pande zote. Rangi nyingine ni chini ya kutawanyika na kwa hiyo kwa kawaida hazionekani. Jua la mchana ni njano baada ya kunyonya rangi yake ya bluu. Wakati wa jua au machweo, mwanga wa jua huingia kwa pembe ya chini na lazima upite kupitia unene mkubwa wa anga. Matokeo yake, rangi ya bluu hutawanywa kabisa, ili wengi wao kufyonzwa kabisa na hewa, kupotea na kutawanya rangi nyingine, hasa machungwa na nyekundu, na kujenga upeo wa rangi ya utukufu.
Rangi za mwanga wa jua pia huwajibika kwa rangi zote tunazopenda Duniani, iwe ni kijani kibichi au bahari ya turquoise. Uso wa kila kitu huchagua rangi maalum ambayo itaonyesha ilikujitofautisha. Mawingu mara nyingi huwa na rangi nyeupe kwa sababu ni viakisi bora au visambazaji vya rangi yoyote. Rangi zote zilizorejeshwa zinaongezwa pamoja hadi nyeupe zisizo na upande. Baadhi ya nyenzo huakisi rangi zote kwa usawa, kama vile maziwa, chaki na sukari.
Umuhimu wa unyeti wa ubaguzi katika unajimu
Kwa muda mrefu, uchunguzi wa sheria ya Malus, athari za ubaguzi katika unajimu ulipuuzwa. Mwangaza wa nyota karibu hauna polarized na unaweza kutumika kama kiwango. Uwepo wa mwanga wa polarized katika astronomia unaweza kutuambia jinsi mwanga ulivyoundwa. Katika supernovae fulani, mwanga unaotolewa sio unpolarized. Kulingana na sehemu ya nyota inayotazamwa, mgawanyiko tofauti unaweza kuonekana.
Maelezo haya kuhusu mgawanyiko wa mwanga kutoka maeneo mbalimbali ya nebula yanaweza kuwapa watafiti vidokezo kuhusu eneo la nyota yenye kivuli.
Katika hali nyingine, kuwepo kwa mwangaza wa polarized kunaweza kufichua maelezo kuhusu sehemu nzima ya galaksi isiyoonekana. Matumizi mengine ya vipimo vinavyoathiri ubaguzi katika unajimu ni kugundua uwepo wa sehemu za sumaku. Kwa kuchunguza mgawanyiko wa duara wa rangi mahususi sana za mwanga unaotoka kwenye mwamba wa jua, wanasayansi wamegundua habari kuhusu nguvu za uga wa sumaku katika maeneo haya.
Mikroskopu ya macho
Hadubini ya nuru ya polarized imeundwa kutazama na kupiga picha vielelezo vinavyoonekana kupitiaasili yao ya macho ya anisotropiki. Vifaa vya anisotropic vina mali ya macho ambayo hubadilika na mwelekeo wa uenezi wa mwanga kupita kwao. Ili kukamilisha kazi hii, darubini lazima iwe na polarizer iliyowekwa kwenye njia nyepesi mahali fulani mbele ya sampuli, na kichanganuzi (polarizer ya pili) kuwekwa kwenye njia ya macho kati ya tundu la nyuma la lengo na mirija ya kutazama au mlango wa kamera..
Matumizi ya ubaguzi katika biomedicine
Mtindo huu maarufu leo unatokana na ukweli kwamba katika miili yetu kuna misombo mingi ambayo inafanya kazi kwa macho, ambayo ni, inaweza kuzungusha mgawanyiko wa nuru inayopita ndani yao. Michanganyiko mbalimbali ya opti inaweza kuzungusha mgawanyiko wa mwanga kwa viwango tofauti na katika mwelekeo tofauti.
Baadhi ya kemikali amilifu hupatikana katika viwango vya juu katika hatua za awali za ugonjwa wa macho. Madaktari wanaweza kutumia ujuzi huu kutambua magonjwa ya macho katika siku zijazo. Mtu anaweza kufikiria kwamba daktari huangaza chanzo cha mwanga kwenye jicho la mgonjwa na hupima polarization ya mwanga unaoonekana kutoka kwa retina. Inatumika kama njia isiyo ya vamizi kupima ugonjwa wa macho.
Zawadi ya usasa - skrini ya LCD
Ukitazama kwa makini skrini ya LCD, utagundua kuwa picha hiyo ni safu kubwa ya miraba ya rangi iliyopangwa katika gridi ya taifa. Ndani yao walipata matumizi ya sheria ya Malus.fizikia ya mchakato ambao uliunda hali wakati kila mraba au pikseli ina rangi yake. Rangi hii ni mchanganyiko wa mwanga nyekundu, kijani na bluu katika kila nguvu. Rangi hizi msingi zinaweza kutoa rangi yoyote ambayo jicho la mwanadamu linaweza kuona kwa sababu macho yetu yana rangi tatu.
Kwa maneno mengine, wao hukadiria urefu mahususi wa mawimbi ya mwanga kwa kuchanganua ukubwa wa kila chaneli tatu za rangi.
Maonyesho hutumia upungufu huu kwa kuonyesha urefu wa mawimbi tatu pekee ambao hulenga kila aina ya vipokezi kwa kuchagua. Awamu ya kioo kioevu ipo katika hali ya ardhini, ambapo molekuli huelekezwa katika tabaka, na kila safu inayofuata hujipinda kidogo ili kuunda muundo wa helical.
Onyesho la LCD la sehemu 7:
- elektrodi chanya.
- elektrodi hasi.
- Polarizer 2.
- Onyesho.
- Polarizer 1.
- Fuwele kioevu.
Hapa LCD iko kati ya sahani mbili za kioo, ambazo zina elektrodi. LCD za misombo ya kemikali ya uwazi na "molekuli zilizopotoka" zinazoitwa fuwele za kioevu. Hali ya shughuli za macho katika baadhi ya kemikali inatokana na uwezo wao wa kuzungusha ndege ya mwanga wa polarized.
filamu za 3D za Stereopsis
Polarization huruhusu ubongo wa binadamu kughushi 3D kwa kuchanganua tofauti kati ya picha mbili. Wanadamu hawawezi kuona katika 3D, macho yetu yanaweza tu kuona katika 2D. Picha. Hata hivyo, akili zetu zinaweza kuelewa jinsi vitu vilivyo mbali kwa kuchanganua tofauti za kile ambacho kila jicho linaona. Mchakato huu unajulikana kama Stereopsis.
Kwa sababu akili zetu zinaweza tu kuona pseudo-3D, watengenezaji filamu wanaweza kutumia mchakato huu kuunda udanganyifu wa vipimo vitatu bila kutumia hologramu. Filamu zote za 3D hufanya kazi kwa kutoa picha mbili, moja kwa kila jicho. Kufikia miaka ya 1950, ubaguzi ulikuwa umekuwa njia kuu ya kutenganisha picha. Ukumbi wa sinema ulianza kuwa na viboreshaji viwili vinavyofanya kazi kwa wakati mmoja, vikiwa na polarizer ya mstari juu ya kila lenzi.
Kwa kizazi cha sasa cha filamu za 3D, teknolojia imebadilika hadi kwenye mgawanyiko wa duara, ambao unashughulikia tatizo la uelekezaji. Teknolojia hii kwa sasa inatengenezwa na RealD na inachukua asilimia 90 ya soko la 3D. RealD ilitoa kichujio cha mduara ambacho hubadilika kati ya uwiano wa saa na kinyume cha saa kwa haraka sana, kwa hivyo projekta moja pekee ndiyo inatumika badala ya mbili.
