Mijloace de Obtinere a Luminii Polarizate

Cuprins

Argument

Natura luminii

I Ecuațiile lui Maxwell

1. Câmpul electromagnetic

2. Unde electromagnetice armonice plane

3. Unde electromagnetice armonice sferice

4. Energia undelor electromagnetice.

II.Medii anizotrope

1. Relația dintre vectorii și

2. Propagarea luminii în medii anizotrope

3. Dubla refracție în cristale anizotrope

4. Proprietăți de absorbție ale cristalelor anizotrope

5. Anizotropia indusă

III. Moment electric de dipol

Dipoli electrici induși in atomi

2. Dipolii electrici induși în molecule

3. Momente dipolare permanente

IV. Polarizarea luminii

1. Mijloace de obținere a luminii polarizate

2. Rotirea naturală a planului de polarizare a radiațiilor optice

3. Aplicații ale polarizării luminii

V. Proiectarea activității didactice

1. Studierea programei școlare

2. Realizarea planificării calendaristice (modele

3.Unități de învățare (modele

4. Evaluarea rezultatelor învățării

Concluzie

Bibliografie

Argument

Rolul învățământului este în primul rând de a educa , de a largi orizontul cunoașterii. Acest lucru se poate realiza printr-o împletire a tot ceea ce este necesar, interesant, frumos , științific (precis sau imprecis) , tot ce incita simțurile, memoria , creativitatea.

Cunoașterea este consecința curiozității native și a nevoilor omului din cursul existenței sale. Toate interacțiunile între om și natură au constituit obiect de cunoaștere , însuși omul este o parte a naturii , a evoluției Universului , deci prin om Universul încearcă să se explice pe sine , eventual să-și cunoască traiectoria de evoluție sau chiar să o anticipeze și să o controleze.

În aceasta lucrare am încercat sa reliefez aspectele importante ce țin de unul din fenomenele fizice studiate în ciclul superior al liceului și anume polarizarea luminii.

Lucrarea conține cinci  capitole ; în primele patru capitole este făcută o analiza asupra naturii luminii și pentru explicarea fenomenului se pleacă de la caracterul său ondulatoriu . Sunt prezentate ecuațiile lui Maxwell care reprezintă o formulare matematică a principalelor postulate ale electrodinamicii clasice și care permit determinarea univocă a câmpului electromagnetic.

Plecând de la toate aceste considerente teoretice , este prezentat fenomenul de polarizare a luminii si mijloacele prin care se poate obține acesta precum și importanța sa.

În capitolul cinci sunt prezentate aspecte importante din teoria metodică cu privire la proiectarea activităților didactice astfel încât să fie atractive, motivante și accesibile pentru toți elevii, indiferent de ruta educațională urmată și să susțină un demers didactic orientat spre aspectele practice și spre potențarea învățării pe parcursul întregii vieți.

În acest secol cunoașterea experimentală cât și cunoașterea rațională nu mai concurează în topul aflării adevărului , ele se ajută și se completează reciproc în scopul aflării acestuia .Prin natura sa omul descoperă lumea într-un mod experimental , simțurile fiindu-i instrumentele primare.

Cunoașterea , în sensul cel mai larg al cuvântului a fost înțeleasă sub diverse abordări filosofice care din punct de vedere conceptual s-au structurat în diverse curente ; toate însă aveau ca obiectiv explicarea existenței noastre ca ființe și a Universului în ansamblu cât și a fenomenelor în care este implicată materia.

Natura luminii

Lumina, generată sau reflectată de diverse corpuri constituie agentul fizic care, prin intermediul retinei, face ca ochiul să poată vedea aceste corpuri (gr. Opsis = știința despre vedere).
Natura luminii si comportamentul ei au preocupat pe oameni din cele mai vechi timpuri, dar o dată cu dezvoltarea metodelor experimentale de verificare a ipotezelor, cercetarea a devenit din speculativa, științifică.

Radiațiile optice sunt radiații electromagnetice care au lungimile de undă cuprinse intre 185 nm și 20.000 nm. Principalele caracteristici ale radiațiilor optice sunt :viteza de propagare, direcția de propagare a energiei radiante, compoziția spectrala, starea de polarizare si gradul de coerența.

Pe măsura descoperirii și explicării fenomenelor optice, s-au cristalizat concepțiile asupra naturii luminii, care pot fi grupate in doua categorii:

concepția corpusculara, adoptata de Pitagora, Democrit, Euclid, Newton Planck, Einstein

concepția ondulatorie, având ca adepți pe Aristotel, Leonardo da Vinci, Huygens, Euler, Young, Fresnel, Maxwell.

Antichitatea și evul mediu au avut contribuții minore în acest sens. Epoca

renașterii fundamentează caracterul experimental al științelor naturii ca urmare a dezvoltării interesului pentru cercetarea naturii prin observație și experiment, începând cu secolul XVII-lea, au fost concepute aparate și dispozitive menite să lărgească universul cunoașterii . Snellius dovedește în 1626 că lumina se propagă în linie dreaptă, iar în 1637 Descartes enunța legile refracției.

In 1670, Bartholinus descoperă proprietatea unor cristale de a descompune, prin refracție, un fascicul de lumina in doua fascicule (dubla refracție) Römer, în 1675, determină pentru prima dată viteza luminii printr-o metodă astronomică.

Bazele teoriei ondulatorii au fost puse de către Huygens in lucrarea : „Tratat despre lumină", in 1692 in care a arătat ca legile reflexiei și refracției pot fi explicate pe baza unei teorii ondulatorii și că explica fenomenul recent descoperit dubla refracție . În 1746, Euler publică lucrarea ,,0 noua teorie a luminii și culorii", în care:

evidențiază caracterul periodic al undelor luminoase;

atribuie fiecărei radiații o lungime de undă, făcând primul legătura dintre culoare și lungimea de undă.

Young stabilește, în 1807, diferența dintre undele coerente și cele necoerente și enunță "Principiul interferentei luminii".

Între particulele încărcate cu sarcini electrice au loc interacțiuni care arata că studiul câmpurilor electric și magnetic nu se poate trata independent. Cercetările în domeniul interacțiunilor electrice au arătat ca mișcările corpurilor de dimensiuni foarte mici (punctiforme) încărcate cu sarcini electrice , în limitele mecanicii clasice, pot fi exprimat cantitativ cu ajutorul unor câmpuri de forte , date prin formula:

Unde:

este vectorul de poziție al punctului in care se afla corpul punctiform;

q este sarcina corpului punctiform

este viteza corpului;

câmp vectorial numit intensitate de câmp electric

câmp vectorial numit inducție magnetică.

Maxwell a dedus teoretic existenta undelor electromagnetice, fără ca existența acestora să fie stabilită experimental. Era însă cunoscută, din determinări experimentale, viteza de propagare a luminii. Dată fiind corespondența dintre valoarea acestei viteze și viteza determinata de Maxwell:

acesta din urmă a afirmat că lumina este un exemplu de undă electromagnetică, punând

astfel bazele teoriei electromagnetice referitoare la natura radiațiilor optice.

Aceasta teorie a fost acceptată numai după ce Hertz a generat în laborator unde electromagnetice (cu lungimi de undă în afara domeniului optic) și a arătat că aceste

se comporta la fel ca radiațiile optice.

Teoria clasică electromagnetică nu a reușit să explice fenomenele de emisie și absorbție . În 1905 Einstein extinde ideea lui Planck și explică legile efectului fotoelectric extern, confirmând teoria corpusculară a luminii.

1. Câmpul electromagnetic

Unul din rezultatele remarcabile ale ecuațiilor lui Maxwell a fost demonstrarea faptului că interacțiunile electromagnetice sau câmpul electromagnetic variabil în timp se propagă din aproape în aproape cu o viteză finită sub formă de unde electromagnetice.

Din relațiile Maxwell-Ampere și Maxwell-Faraday rezultă următoarea concluzie: orice câmp magnetic variabil în timp produce în regiunea din spațiu pe care o ocupă un câmp electric variabil, ale căror linii de câmp sunt închise .

Ansamblul câmpurilor electric și magnetic care oscilează și se generează reciproc, fiind localizate simultan în aceeași regiune din spațiu, se numește câmp electromagnetic. O proprietate fundamentală a câmpului electromagnetic este capacitatea lui de a se propaga în spațiu și care depinde natura mediului. Propagarea câmpului electromagnetic are un caracter de undă care decurge din teoria câmpului electromagnetic a lui Maxwell.

Unda electromagnetică o considerăm formată din compunerea unei unde electrice cu o undă magnetică, ce se află în plane reciproc perpendiculare și care se intersectează după direcția lor de propagare.

Propagarea câmpului electromagnetic în vid

Se consideră un mediu omogen, izotrop, nedisipativ și fără distribuții de sarcină (ρ =0, J =0). Ecuațiile lui Maxwell având forma diferențială (1) :

Prima ecuație reprezintă legea lui Gauss pentru fluxul electric

A doua ecuație reprezintă legea lui Gauss pentru fluxul magnetic

A treia ecuație reprezintă legea lui Faraday a inducției electromagnetice

Ultima ecuație reprezintă legea lui Maxwell-Ampère a circuitului magnetic, care evidențiază modul de producere al câmpului magnetic (câmpuri electrice si curenți electrici variabili în timp)

Aplicând operația ” rotor” legii inducției electromagnetice se obține o ecuație diferențială de tip D’ Alembert:

(2)

(3)

Ecuațiile de tip (3) exprimă procese de propagare, astfel că Maxwell afirmă că în anumite condiții câmpurile electrice și magnetice se pot propaga în spațiu sub formă de unde cu viteza finită :

Soluțiile propuse vor fi de forma :

(4)

j și k fiind versorii axelor Oy și Oz.

În cazul undelor armonice, funcțiile f1 și f2 sunt funcții sinusoidale , astfel încât :

(5)

unde k , din argumentul funcției sinus ,este numărul de undă.

Propagarea câmpului electromagnetic în substanță

Substanțele se pot clasifica în funcție de structură în :

Substanțe amorfe (dispunere haotică a elementelor de structură)

Substanțe cristaline ( dispunerea ordonată a grupelor de sisteme atomice)

sisteme cu rețele cristaline de simetrie de simetrie redusă

sisteme cu rețele cristaline de simetrie de simetrie mijlocie

sisteme cu rețele cristaline de simetrie de simetrie mare

Într-un alt mediu, caracterizat de valorile relative ale permitivității și permeabilității εr ,μr,viteza undelor electromagnetice nu mai este aceeași ca în vid , se notează cu v în loc de c:

Unde n se numește indice de refracție al mediului.

Într-un mediu omogen , liniar, izotrop ,conservativ fără polarizare permanentă, în absența sarcinilor libere și a curenților, ecuațiile lui Maxwell (1) capătă forma (6):

I

II

III

IV

Starea câmpului electromagnetic este definită de următoarele mărimi vectoriale :

Vectorul inducție electrică , care măsoară starea electrică a câmpului prin sarcinile care produc câmpul ;

Vectorul intensitate câmp magnetic , care măsoară starea magnetică a câmpului prin curenții totali care produc câmpul ;

Vectorul intensitate câmp electric , care măsoară starea electrică a câmpului prin interacțiunile pe care le produce ().

Formele integrale corespunzătoare acestor ecuații sunt (7):

Pentru determinarea câmpurilor electrice și magnetice , ecuațiile lui Maxwell se completează cu relațiile de material impuse de polarizarea electrică și magnetică a corpurilor care , în general , se scriu astfel :

(8)

unde :

este vectorul polarizație electrică

se numește polarizare magnetică

se numește susceptibilitate magnetică

Pentru undele electromagnetice care se propagă în medii liniare, omogene, izotrope și conservative , aflate în repaus , putem sintetiza următoarele caracteristici:

undele electromagnetice sunt unde transversale, produse prin interacțiunea dintre un câmp electric și un câmp magnetic , ambele variabile în timp , care se condiționează reciproc ;

câmpul electromagnetic se propagă în spațiul liber sub formă de unde electromagnetice, având în medii ideale o viteză de fază constantă independentă de caracteristicile undei și egală cu viteza de grup

vectorii și oscilează în fază fiind perpendiculari , atât între ei cât și pe direcția de propagare definită prin versorul astfel încât

, și alcătuiesc un triedru drept;

mărimile și sunt proporționale între ele deoarece (raportul se numește impedanță intrinsecă a mediului , iar pentru vid are valoarea : Z0 =120 π Ω );

densitatea volumică a energiei electromagnetice se divide în părți egale între densitățile volumice de energie electrică și magnetică;

densitatea fluxului de energie (vectorul Poynting ,) este paralelă și de același sens cu viteza de propagare a undelor electromagnetice.

2. Propagarea luminii în medii anizotrope

În mediile anizotrope parametrii elastici și electrici variază cu direcția vectorului cauză Anizotropia afectează și proprietățile optice ale corpului, astfel că indicele de refracție și viteza de fază a luminii au valori ce depind de direcția considerată și aceasta provine din modul de orientare și de deplasare a purtătorilor de sarcina ale mediului sub acțiunea componentei electrice a undei.

Una dintre caracteristicile de bază ale cristalelor anizotrope constă în producerea a două raze refractate pentru fiecare rază incidentă. Acest fenomen de dublă refracție sau de birefringență, observat în anul 1669 de către Bartholinus la spatul de Islanda este specific tuturor cristalelor cu excepția celor care cristalizează în sistemul cubic.

Pentru orice rază incidentă a cărei direcție nu coincide cu direcția axului optic, vor rezulta două raze refractate, din care una trece prin lamela tăiată din cristal, fără a

fi deviată și este numită rază extraordinară (o), iar cea de-a doua, fiind deviată, deci nerespectând legile refracției, este numită rază extraordinară (e).

Planul ce conține axa optică și raza incidentă la fața de intrare se numește plan principal sau secțiune principală a cristalului.

Planul ce conține axa optică și raza ordinară se numește plan principal al razei ordinare.

Planul ce conține axa optică și raza extraordinară se numește plan principal al razei extraordinare.

Raza ordinară se află întotdeauna în planul de incidență, iar vectorul luminos

este orientat perpendicular la planul principal, deci perpendicular pe axa optică.

Raza extraordinară se află într-un plan ce face un unghi α cu cel al razei ordinare, iar vectorul acesteia este conținut în planul principal, formând cu axa optică toate unghiurile posibile.

Raza ordinară se propagă prin cristal cu aceeași viteză în toate direcțiile, în timp ce raza extraordinară se propagă cu o viteză variabilă, a cărei valoare depinde de unghiul dintre vectorul de undă și axa optică.

IV. Polarizarea luminii

Fenomenul de polarizare a luminii se poate explica (ca și interferența și difracția) ținând cont de natura electromagnetică a luminii și de faptul că senzația de lumină este dată de câmpul electric, caracterizat de vectorul , numit și vector luminos.

Acțiunea câmpului magnetic al undelor electromagnetice luminoase se neglijează în cadrul fenomenului de polarizare care apare la interacțiunea luminii cu substanța.

Pentru a studia fenomenul de polarizare trebuie să stabilim ce relații există între amplitudinile și fazele a două câmpuri transversale independente.

Când undele electromagnetice interacționează cu substanța, rezultatele sunt diferite și depind de starea de polarizare a acestora. Ca rezultat al interacțiunii, starea inițială de polarizare se poate modifica. Acest lucru poate avea consecințe importante.

Starea de polarizare a radiațiilor optice se poate determina, spre exemplu, prin analiza schimbării stării de polarizare a radiațiilor la trecerea printr-o substanță cu proprietăți cunoscute. Pe de altă parte, analizând schimbarea stării de polarizare a fasciculului luminos, putem analiza anumite proprietăți ale substanței.

Starea de polarizare a radiațiilor optice implică studiul variației direcției intensității de câmp electric în raport cu o direcție fixă din spațiu. Unghiul pe care îl formează vectorul intensitate de câmp electric cu o direcție fixă din spațiu se numește azimut.

Radiațiile pentru care azimutul intensității câmpului electric, în domeniul de definiție ia valori stabilite la întâmplare, cu aceeași probabilitate, se numesc radiații nepolarizate.

Radiație nepolarizată este echivalentă cu două radiații necoerente (independente una de alta), liniar polarizate cu planele de vibrație ortogonale.

Radiațiile pentru care variația azimutului câmpului electric poate fi exprimată printr-o anumită legitate se numesc radiații total polarizate.

Radiațiile total polarizate pentru care azimutul este constant în timp se numesc radiații liniar polarizate.

Lumină nepolarizată Lumină liniar polarizată Lumină parțial polarizată

Pentru radiațiile liniar polarizate se definesc planul de vibrație (plan care conține direcția de propagare și vectorul intensitate de câmp electric) și planul de polarizare (plan ce conține direcția de propagare și este perpendicular pe planul de vibrație).

Radiațiile al căror azimut variază periodic după o lege de forma , unde este pulsația câmpului electromagnetic, iar t este variabila timp se numesc radiații total polarizate eliptic sau circular.

Radiațiile pentru care, într-un punct de pe direcția de propagare, vectorul intensitate de câmp electric (având originea în acel punct) execută o mișcare circulară uniformă se numește eliptic polarizată dacă extremitatea vectorului descrie o elipsă și circular polarizată dacă descrie un cerc.

Între radiațiile nepolarizate și cele liniar polarizate există o gamă largă de radiații cu azimutul variind aleator care se numesc radiații parțial polarizate și sunt caracterizate prin faptul că fluxul măsurat pe două direcții reciproc perpendiculare dintr-un plan perpendicular la direcția de propagare, are valori extreme (maxima și minima ).

Radiațiile parțial polarizate pot fi caracterizate printr-o mărime numită grad de polarizare P, definită prin relația:

(1)

unde reprezintă valoarea maximă a fluxului iar reprezintă valoarea minimă a fluxului în punctul în care exprimăm mărimea P.

Pentru radiațiile nepolarizate = deci P=0 iar pentru radiațiile liniar polarizate =0 deci P=1. În cazul radiațiilor parțial polarizate

Sunt posibile, de asemenea, unde electromagnetice care nu corespund la nici o
stare de polarizare.

Mijloace de obținere a luminii polarizate

Lumina poate fi polarizata prin :

Reflexie

Refracție

Absorbție selectivă (dicroism)

Dubla refracție (sau birefringență)

Difuzie

În primele doua cazuri se folosesc medii dielectrice izotrope, iar în cel de-al treilea caz se folosesc medii dielectrice anizotrope.

O rază de lumină care cade pe o suprafață de separație reflectantă a unui mediu dielectric ,omogen si izotrop , sub un unghi de incidenta oarecare , devine după reflexie parțial polarizată.

Polarizarea luminii reflectate este totala dacă planul de polarizarea este perpendicular pe planul de incidență (radiația incidentă cade sub unghi Brewster).

Starea de polarizare totală nu se obține niciodată în cazul refracției , dar se poate mari gradul de polarizare prin refracții succesive.

Pentru a explica polarizarea luminii prin reflexie si refracție fără a face toate calculele matematice , se utilizează formulele lui Fresnel, care dau amplitudinile undelor reflectate în funcție de amplitudinile undelor incidente.

Polarizarea prin reflexie

A fost descoperită de Etienne Louis Malus în anul 1808. El a observat că dacă un fascicul de lumină este reflectat pe un geam de sticlă sau pe o oglindă dielectrică , o parte din lumina reflectată este polarizată, polarizarea este completă când unghiul de incidență este de 57°.

S-a constatat experimental că o rază de lumină naturală care cade pe o oglindă sub un unghi de incidență iB dat și se reflectă, se polarizează liniar, oscilațiile vectorului intensității de câmp electric făcându-se după o direcție paralelă la fața oglinzii, adică perpendicular la planul de incidență (planul format de direcția razei incidente și normala la suprafața oglinzii).

Gradul de polarizare P a luminii este funcție de unghiul de incidență i. Lumina reflectată este total polarizată (P=1) atunci când iB(oglinda este din sticlă)

Legea lui Malus. Intensitatea luminii dată de un polarizor depinde de unghiul format de planurile principale ale polarizorului și analizorului. Fie unghiul diedru format de cele doua planuri de vibrație a polarizorului OP și a analizorului OA (figura ). Să notăm cu EP amplitudinea intensității de câmp electric a undei care a traversat polarizorul.

Ca rezultat al reflexiei luminii pe cea de-a doua oglindă (analizor) mărimea amplitudinii intensității câmpului electric EA conținută în planul de vibrație a analizorului este funcție de unghiul fiind dată de relația:

(2) EA= EP

De remarcat este faptul ca EA este singura componentă a intensității câmpului electric care trece de analizor, cealaltă componentă a intensității de câmp electric, ortogonală la direcția OA, este absorbită.

Deoarece intensitatea luminoasă este proporțională cu pătratul amplitudinii intensității de câmp electric rezultă că între mărimea intensității luminoase la ieșirea din sistem și cea care intră în sistem există relația:

(3)

aceasta este legea lui Malus și arată că:

– dacă sau rezulta și I=I0 (maxim)

– dacă sau rezulta și I=0 (minim)

Condiția de polarizare totală se obține pentru unghi de incidență i dat de relația :

(4)

Relația (4) este cunoscută sub numele de condiția Brewster , iar incidența corespunzătoare se numește incideță brewsteriană.

Pentru sticlă n=1,5 unghiul are valoarea i=56°39’.

Dacă unda incidentă este polarizată liniar și cade sub incidență brewsteriană unda reflectată nu există.

1.2.Polarizarea prin refracție

Analizând lumina refractată, se constată că aceasta este parțial polarizată, oscilațiile intensității de câmp electric făcându-se în planul de incidență . Brewster a constatat că gradul de polarizare a razelor refractate este maxim (P<1) dacă unghiul de incidență satisface relația:

(5) tg iB = n

unde n este indicele de refracție al mediului transparent.

Pentru sticla iB =56°30' , valoare care se numește incidență la unghi brewester. În cazul incidenței la unghi brewester iB direcția razei reflectate este perpendiculară pe direcția razei refractate.

(6) Într-adevăr,

iar din legea refracției: (7)

de unde rezultă că: (8) deci .

Dacă peste lama considerată se suprapun 8-10 lame de sticlă atunci, în condițiile iluminării sub unghi brewster, raza refractată emergentă R este total polarizată, planul ei de vibrație este planul de incidență.

Așadar prin refracția unei raze de lumina oblice se obține o preponderență a vibrațiilor paralele cu planul de incidență , lumina refractată este polarizată parțial.

Dacă raza reflectată traversează o serie de lame paralele va crește și gradul de polarizare se accentuează.

1.3.Polarizarea radiațiilor optice prin absorbție selectivă

(dicroism)

În anumite cristale uniax, razele ordinară și extraordinară nu numai că se propagă cu viteze diferite, corespunzându-le indici de refracție diferiți, dar sunt absorbite diferit în substanța care alcătuiește cristalul.

Spre exemplu turmalina (boro silicat de aluminiu) care este un cristal uniax negativ, absoarbe total raza ordinară chiar la grosimi de ordinul centimetrilor dar lasă să treacă raza extraordinară.

Fenomenul se numește dicroism și constă în variația absorbției luminii cu direcția de vibrație a vectorului intensitate de câmp electric. Prin urmare, o lamă de turmalină poate servi drept polarizor sau analizor. Dicroismul stă la baza construirii filtrelor de polarizare.

În prezent polarizoarele dicroice sunt alcătuite dintr-un număr mare de mici cristale de herapatit (periodură de sulfat de chinină) orientate și montate între două foi transparente sau înglobate intr-un strat de masă plastică transparentă.

Când substanța este încă într-o suspensie lichidă, microcristalele sunt orientate sub acțiunea unui câmp electric puternic. După întărire stratul este introdus între două placi de sticlă. Lama obținută este birefringentă și dicroică, deci poate servi ca filtru de polarizare sau ca analizor.

1.4. Polarizarea prin birefringență

Există substanțe cristaline transparente care deși sunt omogene, sunt anizotrope. Viteza undei luminoase în interiorul lor nu este aceeași în toate direcțiile. Cristalele care au această proprietate se numesc dublu refractante sau birefringente.

Dacă se folosește o lamelă din spat de Islanda (CaCO2) datorită birefringenței lamelei , raza incidentă va produce doua raze refractate:

Raza ordinară I0

Raza extraordinară Ie

Presupunem că la ieșirea din lamela acestea întâlnesc o oglindă din sticlă , pe care cad sub incidență brewsteriană , reflectându-se pe direcțiile OM si ON.

Rotind oglinda O în jurul razelor incidente I0 și Ie se constată că intensitatea luminii la spoturile formate în M și N trece, pentru fiecare din cele doua raze, de câte două ori prin valori minime și maxime și că maximului de intensitate al razei ordinare îi corespunde o intensitate zero pentru raza extraordinară și invers.

Aceasta arată că cele două raze, ordinară și extraordinară, ce apar datorită birefringenței lamelei, sunt raze de lumină polarizate total și vibrațiile acestora au loc în plane perpendiculare.

Deoarece raza extraordinară este stinsă când planul de incidentă al oglinzii O este paralel cu planul principal al lamelei birefringente, rezultă că vibrează în planul secțiunii principale.

Raza ordinară prezentând o intensitate maximă în condițiile descrise în figura de mai jos, dar stingându-se complet pentru o rotație a oglinzii O de 90°, rezultă că vibrează într-un plan perpendicular pe cel al secțiunii principale.

Din observațiile experimentale rezultă că orice rază de lumină naturală (nepolarizată) ce pătrunde într-un cristal birefrigent , este descompusă în două raze polarizată total având planele de polarizare perpendiculare între ele.

1.5. Polarizarea radiațiilor optice prin difuziune

Considerăm un fascicul de lumină naturală care cade pe o cuvă care conține o suspensie de particule foarte fine într-un mediu transparent. Suspensia împrăștie lumina în toate direcțiile.

Dacă vom studia starea de polarizare a luminii împrăștiate după o direcție perpendiculară la direcția de propagare folosind un analizor pe care îl rotim în jurul direcției radiațiilor analizate, se constată că pe parcursul unei rotații complete analizorul lasă să treacă de doua ori un fascicul cu intensitate maximă și de doua ori un fascicul de intensitate redusă (nenulă). Difuzia luminii este însoțită deci de polarizarea ei.

Aceasta polarizare este numai parțială, ceea ce explică faptul că valoarea minimă a intensității fasciculului emergent este nenulă.

2. Rotirea naturală a planului de polarizare

a radiațiilor optice

Dacă o undă armonică plană (polarizată liniar) se propagă într-o substanță anizotropă pe direcția axei optice ea trebuie să-și conserve stare a de polarizare liniară oricare ar fi orientarea planului ei de polarizare.

Pentru a verifica această concluzie se poate folosi un dispozitiv format dintr-un

polarizor P, un analizor A și un receptor de radiații R, ca în figura următoare:

Experimentul se efectuează în felul următor:

La început, polarizorul și analizorul se orientează cu direcțiile de transmisie

reciproc perpendiculare astfel încât receptorul R indică flux egal cu zero.

După aceasta între P și A se introduce eșantionul de substanță anizotropă uniax

cu axa optică A în lungul direcției de propagare a radiațiilor.

Dacă radiația nu trece prin sistem oricare ar fi grosimea L a stratului de substanță rezultă ca în procesul de propagare în substanță. radiația își conserva starea de polarizare liniară și orientarea planului de polarizare.

Experimentele efectuate cu un număr mare de substanțe anizotrope confirmă conservarea stării de polarizare liniară și a orientării planului de polarizare în cazul propagării radiației pe direcția axei optice.

Fenomenul de rotire a planului de polarizare a fost descoperit de către Arago în

1811.Experimentele efectuate cu eșantioane solide de grosimi diferite au arătat că

unghiul de rotire a planului de polarizare poate fi exprimat prin formula:

(9) α = [α]. L

în care [α] este o mărime caracteristică substanței numită rotație specifică, care este o mărime numeric egală cu unghiul de rotire a planului de polarizare produs de un strat de substanța cu grosimea egală cu unitatea. În cazul corpurilor solide , mărimea [a] se exprimă convențional în grade / mm.

Substanțele care rotesc planul de polarizare a radiației optice se numesc

substanțe optic active.

Teoria care explică fenomenul de rotire naturală a planului de polarizare a fost dată de către Fresnel.

Conform acestei teorii o undă plană armonică (liniar polarizată) la intrarea în substanța optic activă (pe direcția axei optice) se descompune în doua unde armonice plane circular polarizate, una la stânga și alta la dreapta, care se propagă în substanță pe aceeași direcție, dar cu viteze diferite.

Parcurgând în substanță un drum oarecare L cele două unde sunt defazate cu o cantitate determinată astfel încât prin compunerea lor se obțin din nou o undă plană liniar polarizată , dar cu planul de polarizare rotit cu un anumit unghi.

Teoria arată că rotația specifică poate fi exprimată prin formula:

(10) [α] =

în care ns și nd sunt indicii de refracție ai substanței optic active pentru componenta polarizată circular la stânga și, respectiv, la dreapta.

În conformitate cu aceasta relație vom avea :

pentru substanțe optic active pozitive trebuie să avem: ns – nd > 0

pentru substanțe optic active negative: ns – nd < 0 .

3.Aplicații ale polarizării luminii

3.1. Polarizori

Polarizorii sunt elemente optice utilizate în măsurarea stării de polarizare, fiind folosiți la punerea în evidență a diverselor fenomene. Ei sunt folosiți atât în domeniul vizibil, cât și în domeniile adiacente, ultraviolet și infraroșii.

Majoritatea dispozitivelor polarizoare folosesc calcitul și cuarțul.

Calcitul este birefringent și are transmisie bună din ultraviolet până în infraroșul apropiat Mai jos de λ = 2000 Å , el absoarbe puternic, iar peste λ = 2,8 μm începe să prezinte fenomenul de dicroism (absorbție selectivă a diferitelor direcții de oscilație). Calcitul este folosit pentru construirea polarizorilor in domeniul infraroșului apropiat.

Cuarțul prezintă o birefringență liniară mai mică și este folosit pentru confecționarea de întârzietori de fază simpli, deoarece grosimile de calcit necesare pentru acest scop sunt prea mici și greu de manipulat. Cuarțul este folosit și în afara domeniului pentru calcit, atât în ultraviolet, cât și

în infraroșu.

Alte materiale folosite pentru birefringență lor sunt: mica, nitratul de sodiu și

fluorura de magneziu.

Un polarizor perfect este un dispozitiv al cărui fascicul emergent este polarizat liniar, indiferent de starea de polarizare a fasciculului incident. El poate funcționa, atât prin transmisie, cat și prin reflexie.

Direcția de oscilație a luminii emergente polarizată liniar este o proprietate a

polarizorului și definește direcția de transmisie a acestuia. Polarizorul care folosește două fascicule polarizate liniar după direcții perpendiculare poate fi considerat ca fiind format din doi polarizori independenți, prezenți simultan în același dispozitiv, cu axele perpendiculare.

Primul se numește polarizor, iar al doilea analizor.

Un polarizor perfect, definit ca mai sus, nu este practic realizabil, deoarece anularea componentei cu direcția de oscilație perpendiculară pe axa de transmisie a polarizorului nu este completă. Gradul de polarizare al acestui fascicul luminos este o măsura a eficienței polarizorului

I. Prisma polarizatoare cu separarea razelor. Prisma Nicol

Este realizată dintr-un cristal de calcit , având unghiul ascuțit al secțiunii principale de 68°.

Cristalul este tăiat apoi după un plan diagonal care este perpendicular pe planul secțiunii principale și a cărui proiecție pe planul secțiunii principale este axa AA' ,care face cu fața AB un unghi de 90°.

Cele doua părți obținute prin secționare se lipesc cu Balsam de Canada, al cărui indice de refracție nb este cuprins ca valoare între cel al undelor ordinară și extraordinară pentru spatul de Islanda (no = 1,658 ,nb = 1,54, ne = 1,486)

Într-o astfel de prismă raza ordinară va suferi un proces de reflexie totală pe stratul de balsam de Canada, fiind deviată spre baza prismei unde este absorbită. Raza extraordinară care își continuă drumul și în a doua parte a prismei emerge din cristal fiind total polarizată în planul secțiunii principale, prisma Nicol constituind un dispozitiv de polarizare liniară totală a luminii. Astfel de dispozitive sunt cunoscute sub numele de polarizatori.

Utilizarea prismei Nicol pentru polarizarea luminii prezintă următoarele limitări:

dacă fasciculul de lumină incident este convergent, unghiul de convergentă al fasciculului trebuie să fie mai mic decât câmpul polarizorului care este de 29° . În caz contrar lumina emergentă nu mai este polarizată complet.

dimensiunea redusă a cristalelor de calcit naturale limitează lărgimea fasciculului care poate fi polarizat;

datorită celor două refracții pe fețele de intrare și ieșire din cristal se

produce o deplasare a fasciculului emergent în raport cu cel incident.

Pentru înlăturarea sau atenuarea unora dintre aceste dezavantaje s-au realizat și

alte tipuri de polarizoare: prisma Foucault, între cele două părți componente din calcit ale prismei Nicol există un strat de aer, unghiul de 90 ° din punctul A al prismei fiind redus la 50 °.

II. Polarizori birefringenți

1) Prismele Rochon și Wolaston

Sunt confecționate din două prisme de calcit sau cuarț, lipite între ele, și folosesc fenomenul de birefringență pentru a împarți un fascicul de lumină în două componente polarizate liniar după direcții perpendiculare.

Prisma Rochon

Prima prismă are axa optică paralelă cu direcția de propagare incidentă, iar a

doua prisma are axa optică perpendiculară pe direcția de propagare incidentă .

Raza ordinară O este transmisă fără a fi deviată (pentru incidență normală), pe când raza extraordinară E este deviată la interfața calcit-calcit și, nemaiavând incidență normală, este deviată și pe interfața calcit-aer.

Deviația totală este de ordinul de mărime 1 sau 2 și poate depinde de unghiul

prismei și de indicele de refracție al materialului (calcit sau cuarț).

Dacă se folosesc prismele de cuarț, raza extraordinară este deviată în sens invers, adică spre baza prismei.

2) Prisma Senarmont

Are aceleași performanțe ca și prisma Rochon. Diferența constă în faptul că axa optică a celei de-a doua prisme este tot perpendiculară pe direcția de propagare incidentă, dar este perpendiculară și pe baza prismei.

3) Prisma Wollaston

Cu această prisma se obține o deviație mai mare a fasciculelor emergente. În această prisma axele optice ale celor doua prisme componente sunt perpendiculare între ele și pe direcția de propagare incidentă.

Prisma Wollaston

Pe interfața internă componentele ordinare și extraordinare sunt mai întâi deviate prin refracție în sensuri opuse și apoi deviate și mai mult prin refracție la ieșire.

Deviația unghiulară a componentelor depinde de unghiul prismelor și de lungimea de undă a luminii folosite.

Deviațiile ambelor fascicule prezintă dispersie.

Se pot obține deviații unghiulare considerabil mai mari dacă se folosește, pe lângă birefringență, și fenomenul de reflexie internă.

Unul dintre primii polaroizi care a folosit reflexia internă a fost construit de Nicol, în 1828. El folosește birefringența calcitului și elimină una din razele rezultate din birefringență prin reflexie internă și absorbție.

Neajunsurile acestei prisme sunt acelea că fețele de intrare și ieșire sunt înclinate față de direcția drumului optic al fasciculului și că raza transmisă iese lateral și este puțin polarizată eliptic.

4) Polarizorul Ahrens

Acest dispozitiv este confecționat din trei prisme de calcit, lipite intre ele cu

Balsam de Canada.

Axele optice ale prismelor sunt paralele între ele și paralel cu fetele de intrare și ieșire. La suprafața de contact a două componente apare reflexia totală.

Prisma Ahrens

Raza ordinară O este reflectată spre fețele laterale ale prismei deoarece, la interfață, indicele de refracție al razei ordinare O depășește cu mult valoarea indicelui de refracție al liantului.

Raza extraordinară E traversează prisma fără a fi deviată. Pentru a apărea reflexia internă, raportul dintre lungimile și lățimea prismei trebuie sa fie de aproximativ 1,9.

Fețele de intrare și ieșire ale acestui tip de prismă sunt perpendiculare pe direcția de propagare incidentă.

5) Polarizorul Glazerbrook

Daca prisma Ahrens va fi împărțită printr-un plan paralel cu fetele cele mai lungi și care trece prin vârfu1 prismei centrale, fiecare jumătate va constitui un astfel de polarizor.

6) Polarizorul Glan-Foucault

Unghiul prismei este de aproximativ 38,5°, permițând folosirea prismei în ultraviolet, dar restrânge unghiul de incidenta la 7°. Componenta transmisă este cea extraordinară. În acest caz, axele optice ale celor două prisme sunt paralele cu fețele de intrare și ieșire, iar reflexia internă totală este realizată folosind un strat de aer în locul unui liant.

Acest tip de prisme prezintă dezavantajul că intensitatea transmisă a componentei dorite este mică (circa 50%), datorită pierderilor prin reflexie pe interfețele calcit-aer-calcit.

7) Prisme cu birefringență liniară și reflexie totală

Exista prisme adaptate în așa fel încât ambele componente să poată fi utilizate și

care se bazează pe fenomenele de birefringență liniară și de reflexie totală.

Prisma este compusă din doua piese de calcit lipite cu un material ce nu prezintă birefringență și al cărui indice de refracție este cât se poate de apropiat de indicele de refracție ordinar al calcitului.

Cu o astfel de prisma este posibila obținerea unei deviații unghiulare de aproximativ 45° .

8) Polarizorul Jamaguti

Jamaguti prezintă următoarea modalitate de a construi un polarizor. Un cristal

birefringent de azotat de sodiu (NaN03 ) este crescut între două plăci de sticlă, în așa fel încât axa sa optică este paralelă cu fețele lamelor de sticlă. Indicele de refracție al plăcilor de sticlă este in concordanță cu cel al razei ordinare O în cristal.

Componenta O a fasciculului incident pe dispozitiv nu prezintă nici o discontinuitate a indicelui de refracție și traversează dispozitivul nedeviată. Raza extraordinară E prezintă două discontinuități ale indicelui de refracție și datorită neșlefuirii interfețelor este împrăștiată în toate direcțiile.

III. Polarizori dicroici

Absorbția undei electromagnetice însoțește întotdeauna propagarea printr-un

mediu. Exista unele efecte de absorbție importante care depind de starea de polarizare.

În anul 1804, Wallaston a constatat că lumina transmisă prin colopalatidul de potasiu (K 2PdC/4) apare roșie sau verde, în funcție de poziția direcției de propagare față de axul cristalului. Fenomenul a căpătat numele de pleocroism.

Dacă lumina alba traversează un cristal dicroic, iar fasciculul emergent traversează în continuare un cristal anizotrop birefringent, cele două fascicule au culori diferite.

În anul 1837, Babinet a arătat că fenomenul se datorează faptului că cele două direcții de oscilație ale undei ordinare și extraordinare au dependențe diferite ale coeficientului de absorbție cu lungimea de undă.

Dicromorful este materialul care, străbătut fiind de o lumină albă și care apoi trece printr-un cristal birefringent, da fascicule emergente diferite, unul "alb" și unul ,,negru", adică având intensitățile nulă și nenulă , independent de lungimea de undă.

Substanța numită turmalină, care este un borosilicat natural de sodiu, calciu, magneziu și aluminiu, cristalizat în sistemul romboedric mai ales sub forma de prisme și cristale alungite de culoare neagra, brună, verde închis, roșie, prezintă fenomenul de dicroism.

Dicroismul este folosit pentru producerea celor mai răspândiți polarizori.În loc de a se folosi un singur cristal, efectul pe o substanța dată poate fi realizat folosind un șir de particule dicroice aliniate într-un material plastic. Acesta este un polaroid.

Tipurile cele mai importante de polaroizi sunt:

1) tipul H – iodină fixată în polivinilalcool alungit;

2) tipul K – fabricat prin încălzirea unor straturi de polivinilalcool în prezenta unui catalizator care să producă polivinilind iromorfor.

Litera N indică faptul că polaroidul are o culoare neutră iar numărul indică valoarea aproximativă a transmitanței pentru lumina albă nepolarizată.

Polarizorii au un unghi de incidență foarte mare și de aceea pot fi folosiți în

lumina convergentă.

3.2.Analiza stării de polarizare. Compensatori.

Considerăm un fascicul de lumină a cărei stare de polarizare urmează să o analizăm. Cea mai simplă metodă este cea care presupune utilizarea unui analizor plasat în calea fasciculului de lumină și care se poate roti în jurul direcției de propagare.

Dacă fasciculul care cade pe analizor este liniar polarizat, prin rotirea completă a analizorului se vor obține două poziții în care intensitatea radiației care străbate analizorul este maximă și doua poziții în care ea este minimă. Dacă fasciculul este parțial polarizat sau eliptic polarizat minimele nu sunt nule.

Dacă fasciculul care cade pe analizor este circular polarizat atunci oricare ar fi poziția analizorului, intensitatea radiației care străbate analizorul rămâne neschimbată.

Același rezultat se obține și în cazul în care fasciculul de lumină analizat este nepolarizat. Pentru a deosebi radiațiile cu stări de polarizare circulare și eliptice de cele nepolarizate sau parțial polarizate vor fi utilizate lame anizotrope compensatoare. Acestea se mai numesc și compensatori.

Cel mai simplu compensator este lama sfert de undă. Să introducem în calea fasciculului de lumină circular polarizată o lamă sfert de undă. În acest mod, între cele două componente de câmp electric și se introduce o diferență de fază suplimentară de . Deoarece fasciculul incident este circular polarizat rezultă că diferența de fază dintre componentele intensității de câmp electric și este de . După traversarea lamei diferența de fază totală este de sau deci lumina devine liniar polarizată.

Un analizor introdus în calea fasciculului de lumină cu starea de polarizare schimbată va indica două poziții de maxim respectiv de minim ale intensității radiației transmise. Dacă fasciculul incident analizat este nepolarizat nu se mai pot obține minime de intensitate luminoasă.

În mod asemănător poate fi folosită lama sfert de undă pentru a distinge lumina eliptic polarizată de cea parțial polarizată liniar. Prin introducerea diferenței de fază suplimentare de lumina eliptic polarizată este transformată în lumină polarizată liniar care poate fi stinsă în anumite poziții ale analizorului.

Deoarece diferența de fază introdusă de lamă este funcție de lungimea de undă, rezultă că toate rezultatele de mai sus sunt valabile doar în cazul unor fascicule de radiații monocromatice care au lungimea de undă bine determinată funcție de mărimea fazei. Pentru a înlătura acest neajuns, în practică, se folosesc combinații de lame anizotrope.

Un exemplu îl constituie compensatorul Babinet care este alcătuit din doua prisme de cuarț care au unghiul la vârf tăiate astfel încât una să aibă axa optică în planul figurii iar cealaltă perpendicular pe planul figurii.

Când o rază de lumină SI cade pe compensator, prima prismă de cuarț descompune unda incidentă în doua unde, ordinară și extraordinară, care au între ele o diferență de fază:

(11)

La traversarea celei de-a doua prisme diferența de fază dintre cele două unde este:

(12)

Diferența de fază totală este , . Din figura se observă că: și .

Diferența de fază introdusă de compensator este funcție de distanța x dintre planul median al compensatorului și direcția fasciculului de lumină:

(13)

Rezultă că fasciculul de lumină care traversează compensatorul prin planul median unde x=0 nu suferă nici o schimbare a fazei inițiale iar starea de polarizare rămâne neschimbată. În funcție de regiunea prin care radiațiile optice liniar polarizate străbat compensatorul Babinet se pot obține la ieșirea din compensator radiații total polarizate liniar, eliptic sau circular.

Compensatorul Babinet este utilizat pentru determinarea stării de polarizare și a măsurării birefringentei . Un astfel de dispozitiv care cuprinde următoarele componente:

Un polarizor și un analizor care au direcțiile de transmisie perpendiculare;

Un compensator Babinet care este utilizat astfel încât axele optice să fie orientate la 45° față de direcțiile de transmisie ale polarizorului și analizorului;

Sursă albă și monocromatică de radiații optice;

Receptor de radiații optice (fotomultiplicator, cameră video, etc), sisteme de achiziții de date și de calcul ale datelor înregistrate. Pentru analize de ordin calitativ sau de precizie redusă poate fi utilizat și ochiul în calitate de receptor.

Dacă polarizorul și analizorul sunt în cruce iar compensatorul lipsește atunci prin analizor nu trece lumina.

În cazul în care se introduce și compensatorul Babinet iar polarizorul este iluminat cu lumină albă, la ieșirea din analizor se observă un ansamblu de benzi colorate dispuse simetric în raport cu o bandă centrală întunecată.

Banda întunecată centrală se datorează faptului că radiațiile de lungimi de undă diferite care traversează planul median al compensatorului nu suferă o schimbare de fază deci acestea rămân liniar polarizate având direcția de vibrație a intensității de câmp electrice perpendiculare la direcția de transmisie a analizorului. Este evident că aceste radiații nu pot trece prin analizor și astfel se explica banda întunecată.

Benzile colorate se explica astfel. Doar pentru anumite distante x și anumite lungimi de undă compensatorul introduce diferențe de fază :

(14) , ()

În acest caz, radiațiile de diferite lungimi de undă (culori) la ieșirea din compensator rămân liniar polarizate însă direcția de vibrație a intensității de câmp electric este rotita cu 90° față de direcția de transmisie a polarizorului și este paralelă cu direcția de transmisie a analizorului. În aceste condiții lumina emergentă are intensitate maximă și are culoarea caracteristică determinată de mărimea fazei .

Dacă consideram un fascicul de radiații optice cu lungimi de undă cuprins intr-un interval restrâns astfel încât să se poată considera că birefringența cuarțului este aproximativ constantă atunci, pentru obținerea benzilor luminoase, trebuie satisfăcută relația:

(15) sau

unde este o constantă a compensatorului.

În cazul benzilor întunecate. Acestea se obțin pentru radiațiile care, la ieșirea din compensatorul Babinet, au (). Radiațiile emergente care "dispar" sunt cele care au lungimile de unda care satisfac relația:

(16) sau ()

În lumină monocromatică, la ieșirea din analizor, se vor obține benzi luminoase și întunecate echidistante alternante (culoarea benzilor luminoase este dată de lungimea de undă a radiației utilizate).

Pentru calculul birefringenței unei lame anizotrope oarecare compensatorul trebuie etalonat. Această operație constă în obținerea unei dependențe între poziția benzilor întunecate și ordinul k, măsurat în raport cu banda centrală .

Experimental se obține o dependență liniară din a cărei pantă se deduce constanta compensatorului Babinet CB pentru o lungimea de unda dată:

(17) CB= rezultă

În lumină albă, la introducerea lamei anizotrope și prin rotirea compensatorului în jurul direcției de propagare se constată că banda centrală întunecată se deplasează față de poziția inițială atunci când nu era prezentă lama anizotropă; să notam cu x0 această deplasare.

Înainte de intrare în compensator radiațiile care au o stare de polarizare oarecare (în general eliptică) au o diferența de faza oarecare și au semiaxele elipsei de polarizare paralele cu axele optice ale compensatorului.

Acesta introduce o diferență de faza astfel încât la ieșire (pentru radiațiile care dau banda întunecată centrală) avem condiția . Această condiție se obține pentru radiațiile care străbat compensatorul la distanta x0 de planul median.

(18)

unde d este grosimea lamei anizotrope.

(19)

Birefringența lamei anizotrope se determină din relația:

(20)

3.3. Împrăștierea luminii

Lumina cerului ziua este albastră, apusurile sunt roșii. La baza acestor efecte sta fenomenul de polarizarea al luminii.

Lumina solară (nepolarizată) lovind una din moleculele din atmosfera pământului, face să vibreze sarcinile electrice din interiorul său. Această vibrație este forțată, asemănătoare oscilației unui corp fixat de un resort elastic.

Amplitudinea oscilațiilor forțate crește și are valoare maximă atunci când frecvența se apropie de frecvența proprie. Pentru atmosfera terestră radiațiile vizibile sunt din domeniul radiațiilor ultraviolete.

La ieșirea luminii din moleculă, va fi parțial polarizată (se poate verifica cu ajutorul unei plăci polarizoare) și se împarte în două componente :una de-a lungul axei Ox și una pentru axa Oy.

Singura care ajunge la un observator de pe suprafața pământului este cea de-a lungul axei Oy. Acest proces se mai numește și împrăștiere.

Cu cât frecvența impusa de radiația luminoasă este mai apropiată de frecvența moleculei intensitatea luminii împrăștiate este mai mare. Lumina albastră va fi împrăștiată mai mult decât ce roșie, ceea ce face ca lumina cerului să aibă o nuanță albastră.

Seara lumina solară are de străbătut o distanță mai mare prin atmosferă , o parte din lumina albastră a fost extrasă prin împrăștiere. Dacă din lumina albă este extrasă radiația albastră va avea o nuanță galbenă sau roșie.

3.4. Producerea culorilor

Se consideră o lamă cristalină jumătate de undă pentru lumina roșie. Dacă radiația incidentă este lumina albă , numai componenta roșie va ieși din ea, liniar polarizată. Toate celelalte vor fi polarizate eliptic sau circular. Analizorul dacă este în poziția în care va transmite complet lumina roșie, va tăia toate celelalte lungimi de undă.

Când analizorul este rotit cu 90° va tăia complet lumina roșie , iar celelalte radiații vor fi transmise la o intensitate mai mică, nuanța rezultantă va fi verde-albastră.

Pentru o lamă cristalină de grosime neuniformă de selenit. O mică parte din ea se va comporta ca o lamă jumătate de undă pentru radiația roșie, o altă regiune va servi ca lamă jumătate de undă pentru lumina galbenă și tot așa în funcție de grosime.

Atunci când se folosește o lentilă pentru a proiecta imaginea lamei, imaginea va avea pete de culori diferite. Aceste culori se vor schimba în complementarele lor atunci când analizorul este rotit cu 90°.

3.5. Aplicații ale luminii liniar polarizate în biologie

Aplicațiile luminii polarizate în biologic se bazează pe observația că lumina polarizată poate produce modificări în structura specifică a celulei vii. Alte aplicații includ analiza spectrală a elementelor chimice din celule, numărarea automată a celulelor în culturi, microscopic tridimensionale, etc.

Lumina polarizata nu este o invenție noua. În 1903, fizicianul danez  Niels Ryberg Finsen a fost recompensat cu Premiul Nobel pentru descoperirea sa legată de folosirea luminii în terapeutica. El a construit un aparat care putea emite o lumină cu lungimi de unda similare cu cele solare. Astfel, a reușit să trateze cu succes lupusul vulgaris, o forma de tuberculoza a pielii. De atunci, oamenii de știința au căutat să dezvolte sisteme care să copieze natura, capabile să influențeze pozitiv sistemele biologice. Așa a fost posibilă dezvoltarea unui nou sistem de terapie, bazat pe Lumina Vizibila Incoerenta Polarizată.

Lumina monocromatică polarizată a oferit posibilitatea de a demonstra influența radiației de o anumită lungime de undă asupra unui anumit proces, într-o varietate mare de experiențe. De exemplu, s-a arătat că radiația cu lungimea de undă λ = 3471,5 Å poate deteriora și distruge celulele nepigmentate într-o cultură de țesuturi, în timp ce radiația cu lungimea de undă λ = 6943 Å nu produce nici o schimbare morfologică a celulelor în aceeași cultură.

Este de așteptat ca cea mai importantă caracteristică a luminii polarizate în privința țesuturile vii este intensitatea. Iradierea cu fascicule de lumină polarizate conduce atât la ridicarea temperaturii, cât și la producerea undelor ultrasonore sau hipersonore. Aceste fenomene pot produce schimbări în structura celulei și a țesuturilor în condiții bine controlate.

Proprietatea de coerență a fasciculelor permite ușor alinierea și focalizarea critică a fotonilor în ținte cu diametru redus. Monocromaticitatea elimină problema aberațiilor cromatice. Variația intensității fasciculului poate produce efecte ce se întind de la alterarea fotochimică a cromoforelor până la producerea de perforații fizice în celule organice.

Iradierea cu microfascicule care lucrează în regiunea vizibilă a spectrului produce o deteriorare mai selectivă decât cea produsă cu lumină polarizată situată în ultraviolet. Componenții celulei pot fi supuși pericolului proceselor fotochimice sau termice ca urmare a faptului că acizii nucleici și proteinele absorb integral radiațiile din domeniul spectral UV îndepărtat.

Efectul terapeutic al luminii polarizate consta in calmarea durerilor, având acțiune antiinflamatoare, de creștere și potențare a circulației sangvine locale. O serie de studii făcute pe un lot de pacienți tratați pentru diferite afecțiuni au demonstrat că sângele, trecând prin zona expusă la lumina polarizată, beneficiază de o stimulare energetica a globulelor roșii și albe, în felul acesta făcându-se o stimulare a întregului organism.

3.6. Sistemele de comunicații cu sateliți

Fenomenul numit depolarizare cauzat de rotirea planului de polarizare

al oscilațiilor undelor electromagnetice la trecerea prin medii ionizate (efect Faraday) și prin zone cu ploaie și cristale de gheață , este cauzat de interacțiunea undelor electromagnetice cu particulele componente ale atmosferei : electroni și ioni liberi, atomi și molecule, vapori de apă,

picături de apă (ploaie, ceață), particule de gheață, particule în suspensie (fum, freon, …) etc. Aceste interacțiuni depind mult de frecvența undelor electromagnetice , devenind deosebit de intense peste 10GHz, cu excepția efectului Faraday.

Ionosfera, pătura situată între circa 100km și 400km altitudine, este un mediu neomogen și anizotrop, cu mare densitate de purtători liberi (plasmă) și în care acționează câmpul magnetic terestru, slab dar neneglijabil. Acest câmp imprimă

electronilor o componentă eliptică a mișcării, suprapusă peste agitația dezordonată, conferind mediului caracterul anizotrop.

O undă electromagnetică care intră într-un asemenea mediu, se descompune în două unde polarizate eliptic în sensuri opuse, care se propagă cu viteze diferite; acesta este fenomenul de birefringență. Cauza fenomenului constă în faptul că plasma în câmp magnetic terestru prezintă indici de refracție diferiți pentru câmp electric cu direcții de oscilație diferite.

Ca urmare, când cele două unde polarizate eliptic în sensuri opuse ies din ionosferă sunt defazate și oscilația rezultantă într-un punct este polarizată liniar dar pe o direcție diferită de aceea pe care o avea la intrarea în mediu. Rezultatul este că direcția (planul) de polarizare al undei se rotește cu un unghi dependent de distanța parcursă în ionosferă – acesta este fenomenul Faraday. (Rezultanta a două oscilații cu aceeași frecvență polarizate eliptic în sensuri opuse este o oscilațiepolarizată liniar.)

Necorespondența dintre planul de polarizare al undei și al antenei receptoare determină piederi de putere de semnal recepționat (teoretic, dacă unghiul celor două polarizări este π/2, semnalul recepționat este nul).

Rotația Faraday depinde de frecvență:

este mai mare la 2-4GHz și mai mică la 10-12GHz. La 4 – 6GHz, ro

este medie de 1-2º, ceea ce este mult;

maximele ajung la 6 – 8º determinând pierderi de putere de cca 20dB.

În principiu, rotația Faraday ar putea fi compensată prin rotirea polarizării antenei. Din cauză că proprietățile ionosferei se modifică mult și frecvent, procedeul nu prea dă rezultate.

În situațiile reale apar rotații ale direcțiilor de polarizare, cauzate de fenomenul Faraday și de efectele precipitațiilor. Ca urmare, la receptor cele două oscilații nu mai sunt ortogonal polarizate – se spune că sunt depolarizate.

.

Unde electromagnetice polarizate liniar pe direcții ortogonale se pot transmite cu același reflector excitat de iluminatori potriviți:

unul (V) pentru polarizare pe Oy (verticală)

altul (H) pentru polarizare pe Oz (orizontală)

La receptor, iluminatorul V recepționează, ideal, numai undele polarizate pe Oy (vertical) iar cel pe H numai undele polarizate pe Oz (orizontal).

În situații reale, o parte a puterii transmise cu polarizare V este recepționată de iluminatorul H și invers – transmisiile nu sunt perfect “izolate” chiar în condiții de propagare foarte bune.

O soluție a problemei depolarizării constă în utilizarea a două unde polarizate circular în sensuri opuse. În acest caz însă, se complică sistemele de excitare a antenelor, deoarece undele polarizate circular trebuie obținute în circuite înaintea iluminării.

Concluzie

Aplicarea flexibilă a curriculumului la clasă, într-un act educațional centrat pe elev, se realizează prin respectarea unor principii cum ar fi stabilirea unor sarcini de învățare adaptate nivelului elevilor si răspunsul la nevoile individuale de învățare ale elevilor explicate și însoțite de suport metodologic în programele școlare.

Parcurgerea conținuturilor se realizează prin sarcini de învățare care trebuie să faciliteze structurarea de nivel înalt a cunoștințelor dobândite prin studiul fizicii, conducând la înțelegerea relației dintre fenomene și legi din fizică și aplicațiile acestora în tehnologii, respectiv în produse ale tehnicii.

Fizica este poate cea mai importantă știință a naturii deoarece cu ajutorul ei pot fi explicate în principiu orice alte fenomene întâlnite în alte științe ale naturii cum ar fi de exemplu chimia sau biologia. Limitările sunt legate de incapacitatea noastră de a obține suficient de multe date experimentale, în cazul biologiei, ori de incapacitatea (până acum) sistemelor de calcul de a analiza dinamica moleculelor foarte complexe, în cazul chimiei.

Există probleme deschise în fizică care așteaptă a fi rezolvate. De exemplu, cuantificarea gravitației este poate cea mai arzătoare dintre probleme și cu siguranță și cea mai dificilă. Odată cu elucidarea acestei probleme, fizicienii vor avea o imagine mult mai clară despre interacțiile din natură și cu siguranță multe dintre fenomenele și obiectele pe care le întâlnim în astrofizică, de exemplu găurile negre, își vor găsi explicația într-un mod natural.

Bibliografie

Agârbiceanu I., Lumina polarizata și aplicațiile ei in știința si Tehnica, Editura Tehnica, București, 1956;

Bontas, I., Pedagogie, Editura ALL, București, 1994;

Bratescu Gh., Optica, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1965;

Crawford S. F. jr., Cursul de Fizica Berkeley, Volumul III traducere din limba

engleza) Editura Didactica și Pedagogica, București, 1983;

Dorohoi D.O., Optica, Teorie, Experimente, Probleme rezolvate, Editura

"Ștefan Procopiu ", lași, 1995;

Dorohoi D.O., Optica in comentarii și probleme, Editura "ștefan Procopiu", lași, 1992;

Delibaș M., Optica, Editura "Ștefan Procopiu", Iași, 1995;

Gabriela Cone, Optica electromagnetica a medii lor anizotrope, Editura Tehnica, București, 1990;

Holliday D., Renik R., Fizica Volumul I și II, traducere din limba rusa), Editura

Didactica și Pedagogica, București, 1975;

HolbanI.,Cunoașterea elevului, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1979;

Landau L. D. și Lifșit E. M., Teoria câmpului, traducere din limba rusa) Editura Tehnica, București, 1986;

Landau L. D. și Lifșit E. M., Fizica teoretica – mecanica, Volumul I, Editura Tehnica, București, 1973;

Luca E., Elemente de fizica moderna, Volumul 1 și II, Editura Junimea, lași,1974;

Luca E. și colaboratorii, Fizica, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1976;

Luca E. și colaboratorii, Fizica generala, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981;

Mercheș I., Bristev A. și colaboratorii, Fizica mecanica, (pentru perfecționarea

profesorilor), Editura Didactica și Pedagogica, București, 1983;

Nicolaescu I.I., Fizica corpului solid, partea a IV-a, Tipografia din Cimișlia,

Republica Moldova, 1993;

Pop V., Bazele Opticii, Editura Universității, Iași, 1988;

Popescu I. M., Teoria electromagnetica macroscopica a luminii, Editura

științifica și Enciclopedica, București, 1986;

Purcell M. E., Cursul de Fizica Berkeley, Vol. II, Editura Didactica și Pedagogica

București, 1982;

Sterian P., Stan M., Fizica, Editura Didactica și Pedagogica, București, 1985;

Tereja E., Metodica predării fizicii, Tipografia "ADC" SRL Vaslui, 1995;

Toader E. I., Spulber V., 555 Teste de optica, Editura Didactica și Pedagogic a, București, 1989;

Titeica R., Popescu L, Fizica general a, Volumul, II și III, Editura Tehnică, 1975;

Tintea B., Optica și spectroscopie, Editura Didactică și Pedagogică,București, 1972;

Tintea B., luga M., Lucrări practice. Optica și spectroscopie. Editura Didactica și

Pedagogica, București, 1967;