31. Polaryzacja

31.1 Wstęp

  Teoria Maxwella przewiduje, że światło jest falą poprzeczną tzn. kierunki drgań wektorów E i B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali.

Na rysunku 31.1 poniżej przedstawiono falę elektromagnetyczną, która wyróżnia się tym, że wektory E są do siebie równoległe we wszystkich punktach fali. Dotyczy to również wektorów B. O takiej fali mówimy, że jest płasko spolaryzowana lub spolaryzowana liniowo . Wektory E tworzą z kierunkiem ruchu fali płaszczyznę zwaną płaszczyzną drgań.

 Rys. 31.1. Fala elektromagnetyczna płasko spolaryzowana (spolaryzowana liniowo)

Przykładem fal spolaryzowanych liniowo są fale elektromagnetyczne radiowe emitowane przez antenę dipolową omawiane w rozdziale 27. Na rysunku-animacji poniżej pokazane jest pole E wytwarzane przez taki oscylujący dipol (przez taka antenę).

W dużej odległości od dipola, wektor pola elektrycznego jest równoległy do osi dipola (anteny). Emitowana fala jest więc spolaryzowana liniowo. Kiedy taka fala pada na antenę odbiorczą wówczas zmienne pole elektryczne (zmienny wektor E fali) wywołuje w antenie odbiorczej drgania elektronów w górę i w dół. W efekcie prąd zmienny popłynie w układzie wejściowym odbiornika. Jeżeli jednak obrócimy antenę o 90° wokół kierunku padania fali, to wektor E będzie prostopadły do anteny i nie wywoła ruchu elektronów (antena nie odbiera sygnału).

Kliknij w dowolnym miejscu na rysunku żeby uruchomić animację. Ponowne kliknięcie oznacza powrót do początku.

 Rys. 31.2. Fala elektromagnetyczna emitowana przez drgający dipol elektryczny

Źródła światła widzialnego różnią się od źródeł fal radiowych min. tym, że atomy (cząsteczki) emitujące światło działają niezależnie. W konsekwencji rozchodzące się światło składa się z niezależnych ciągów fal, których płaszczyzny drgań zorientowane są przypadkowo wokół kierunku ruchu fali. Takie światło chociaż jest falą poprzeczną jest niespolaryzowane .

Na rysunku 31.3 pokazana jest schematycznie różnica między falą poprzeczną spolaryzowaną liniowo (a) i falą poprzeczną niespolaryzowaną (b). Na rysunku (a) wektor E drga w jednej płaszczyźnie, podczas gdy w sytuacji pokazanej na rysunku (b) płaszczyzny drgań wektora E zorientowane są przypadkowo.

Rysunek (c) przedstawia inny równoważny opis niespolaryzowanej fali poprzecznej: traktujemy ją jako złożenie dwóch spolaryzowanych liniowo fal o przypadkowo zmiennej różnicy faz. Oznacza to, że wypadkowy wektor E ma zmienną (ale prostopadłą) orientację względem kierunku rozchodzenia się fali. Orientacja kierunków drgań składowych pól E jest też przypadkowa chociaż zawsze prostopadła względem kierunku rozchodzenia się fali.

 Rys. 31.3. Orientacja wektora elektrycznego E (a) w fali spolaryzowanej liniowo (b) w fali niespolaryzowanej (c) równoważny opis fali niespolaryzowanej

Z dotychczas omawianych doświadczeń z interferencją i dyfrakcją nie wynika poprzeczny charakter fal świetlnych bo fale podłużne też interferują i ulegają ugięciu. Natomiast zjawisko polaryzacji jest charakterystyczne dla fal poprzecznych. Jednak, aby móc odróżnić od siebie różne fale poprzeczne biegnące w tym samym kierunku potrzebna jest metoda, która pozwoliłaby rozdzielić fale o różnych płaszczyznach drgań. Dotyczy to również badania fal świetlnych niespolaryzowanych.