Mikrofale to fale elektromagnetyczne o ma艂ej d艂ugo艣ci fali zawieraj膮cej si臋 w granicach od 1 m do oko艂o 1 mm. Jest to rodzaj promieniowania, kt贸re rozchodzi si臋 w postaci wzajemnie przenikaj膮cych si臋 drga艅 elektrycznych i magnetycznych. S膮 to najkr贸tsze fale spo艣r贸d fal radiowych. 殴r贸d艂ami promieniowania mikrofalowego s膮 najcz臋艣ciej pr膮dy wielkiej cz臋stotliwo艣ci, p艂yn膮ce w antenach urz膮dze艅 nadawczych. Mikrofale powstaj膮 podobnie jak fale radiowe, ale maj膮 wy偶sz膮 cz臋stotliwo艣膰. W technice mikrofalowej przesy艂anie fal elektromagnetycznych wymaga rozwi膮zania problemu zakodowania informacji w postaci zmodulowanej amplitudy fali no艣nej. Propagacja mikrofal jest w zasadzie ograniczona do zasi臋gu bezpo艣redniej widoczno艣ci, gdy偶 w bardzo ma艂ym stopniu ulegaj膮 one ugi臋ciom i odbiciom od jonosfery. Mikrofale ulegaj膮 odbiciu od obiekt贸w o du偶ej g臋sto艣ci, oraz rozpraszaniu i t艂umieniu w atmosferze i innych o艣rodkach. T艂umienie jest spowodowane g艂贸wnie obecno艣ci膮 opad贸w deszczu czy 艣niegu. Intensywno艣膰 t艂umienia zale偶y od d艂ugo艣ci fali. Efektem charakterystycznym dla mikrofal jest zjawisko echa, kt贸re jest wykorzystywane w radarach. W radiokomunikacji zjawisko echa jest do艣膰 szkodliwe, poniewa偶 wielokrotne echa mog膮 znacznie obni偶y膰 jako艣膰 sygna艂u. Mikrofale u偶ywane s膮 tak偶e w 艂膮czach telefonicznych i telewizyjnych. Promieniowanie mikrofalowe podlega wszystkim prawom znanym na przyk艂ad w promieniowaniu ultrafioletowym, podczerwonym czy innych. W odr贸偶nieniu od innych rodzaj贸w fal elektromagnetycznych promieniowanie mikrofalowe powoduje tylko rotacj臋 moleku艂 w zmiennym polu elektrycznym bez naruszania trwa艂o艣ci wi膮za艅 chemicznych w nich istniej膮cych. Energia transportowana poprzez promieniowanie mikrofalowe jest znacznie mniejsza ni偶 energia dysocjacji wi膮zania chemicznego, nawet tak s艂abego jak wi膮zanie wodorowe. Za efekt ogrzewania mikrofalowego odpowiedzialne jest zjawisko polaryzacji dielektrycznej. Wynika ono z polaryzacji cz膮steczek zwi膮zk贸w chemicznych przez pole elektryczne.
Mikrofale oddzia艂uj膮 na organizmy 偶ywe. U ludzi mog膮 spowodowa膰 zwi臋kszenie temperatury organizmu, uczucie zm臋czenia, senno艣ci lub zdenerwowania, b贸le g艂owy, uczucie apatii, zaburzenia pami臋ci, zmiany metabolizmu. Za sfer臋 bezpieczn膮 uwa偶a si臋 obszar, w kt贸rym 艣rednia g臋sto艣膰 strumienia mocy stacjonarnej mikrofal jest mniejsza ni偶 0,1 W/m2. Strefa o g臋sto艣ci przekraczaj膮cej 100 W/m2 jest bardzo niebezpieczna i nie wolno w niej przebywa膰 ludziom.
Zastosowanie
Promienie mikrofalowe znajduj膮 zastosowanie przede wszystkich w radarach. Radar (ang. RAdio Detection And Ranging) jest urz膮dzeniem s艂u偶膮cym wyznaczaniu odleg艂o艣ci, poprzez wys艂anie sygna艂u radiowego do odleg艂ego przedmiotu i pomiaru czasu, po jakim odbity od przedmiotu sygna艂 powraca do 藕r贸d艂a. Radar oparty jest wi臋c na zjawisku echa. W 1964 roku zarejestrowano pierwsze echo z Wenus. Nast臋pnie uzyskano tak偶e echa z Marsa i Merkurego. Technika radarowa wykorzystuj膮ca mikrofale, znajduje zastosowanie w transponderach samolot贸w, czyli urz膮dzeniach radiolokacyjnych pozwalaj膮cych na udzielenie informacji o pu艂apie lotu. |
Mikrofale wykorzystuje tak偶e radar meteorologiczny oraz policyjny radar drogowy. Nieodzownym urz膮dzeniem AGD ka偶dej gospodyni domowej jest kuchenka mikrofalowa. Mikrofale, wytwarzane przez magnetron, wnikaj膮 do zawartych w 偶ywno艣ci cz膮steczek wody i przekazuj膮 poprzez promieniowanie ciep艂o, kt贸re dzi臋ki przewodzeniu dociera do pozosta艂ej cz臋艣ci potrawy. Pozwala to ugotowa膰 potrawy w znacznie kr贸tszym czasie ni偶 w kuchence tradycyjnej. Promieniowanie mikrofalowe znajduje szerokie zastosowanie w telekomunikacji, meteorologii, chemii oraz gospodarstwach domowych. Zastosowania militarne i telekomunikacyjne powoduj膮 jednak wydzielenie dla pozosta艂ych zastosowa艅 kilku dost臋pnych cz臋stotliwo艣ci pracy urz膮dze艅 mikrofalowych. Najcz臋艣ciej jest to cz臋stotliwo艣膰 2,45 GHz, chocia偶 ostatnio dopuszcza si臋 do zastosowa艅 przemys艂owych urz膮dzenia pracuj膮ce w zakresie 0,915 GHz - 18 GHz. Mikrofale znajduj膮 zastosowanie w radiolokacji, radiokomunikacji (艂膮cza radiowe, telewizyjne, telefoniczne), 艂膮czno艣ci satelitarnej, telewizji (kana艂y w pa艣mie fal decymetrowych), fizyce cz膮stek elementarnych, spektroskopii, radioastronomii, grzejnictwie elektrycznym, a tak偶e w medycynie (diagnostyka i terapia). Trwaj膮 badania nad przesy艂aniem energii za pomoc膮 mikrofal.
Mikrofale to rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o d艂ugo艣ci fali pomi臋dzy podczerwieni膮 i聽falami radiowymi, co oznacza zakres 1mm-30cm (cz臋stotliwo艣膰 1-300 GHz). Mikrofale odkry艂 James Clerk Maxwell w聽1864 roku.
聽
Zastosowania:
kuchenka mikrofalowa u偶ywa magnetronu do wytwarzania fal o cz臋stotliwo艣ci ok 2,4 GHz, co pozwala na gotowanie jedzenia; taki rodzaj promieniowania dzia艂a na cz膮steczki wody, kt贸re zaczynaj膮 drga膰 wytwarzaj膮c przez to ciep艂o.
maser to urz膮dzenie podobne do lasera, tyle 偶e dzia艂a w zakresie mikrofalowym
mikrofale pozwalaj膮 na transmisj臋 danych do satelit贸w, bo nie s膮 poch艂aniane przez atmosfer臋
radar
telefony kom贸rkowe standardu GSM pracuj膮 w cz臋stotliwo艣ciach 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz
system globalnego pozycjonowania (GPS) wykorzystuje fale o cz臋stotliwo艣ci 1575 MHz
bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) albo bluetooth u偶waja mikrofal w zakresie 2,4 GHz
transmisja danych w telewizji kablowej albo poprzez
internetowe modemy kablowe (DSL) odbywa si臋 w tym samym zakresie, tyle 偶e medium jest kabel, a nie powietrze
Wi臋kszo艣膰 zastosowa艅 opiera si臋 na zakresie fal od 1 do 40 GHz.
Promieniowanie mikrofalowe mo偶e by膰 poch艂aniane przez materi臋 na dwa r贸偶ne sposoby. Pierwszym z nich jest polaryzacja dipolowa. Je艣li w materiale s膮 cz膮steczki chemiczne b臋d膮ce dipolami, to w wyniku dzia艂ania pola elektrycznego fali elektromagnetycznej staraj膮 si臋 ustawi膰 zgodnie z kierunkiem i zwrotem tego pola. Wektor pola elektrycznego zmienia zwrot co p贸艂 okresu fali promieniowania. Dipole zmieniaj膮 wi臋c r贸wnie偶 ustawienie, pod膮偶aj膮c za polem. Podczas obrot贸w uderzaj膮 w s膮siaduj膮ce z nimi cz膮steczki, przekazuj膮c im nabyt膮 od promieniowania energi臋. Te przekazuj膮 j膮 kolejnym i w ten spos贸b ciep艂o rozprzestrzenia si臋 w materiale. Mechanizm polaryzacji dipolowej, odpowiada za ogrzewanie jednak tylko substancje kt贸rych cz膮steczki s膮 dipolami, takie jak woda, metanol, DMF, octan etylu, chloroform, chlorek metylenu, kwas octowy. Substancje takie jak heksan, benzen, eter dietylowy czy czterochlorek w臋gla nie ogrzewaj膮 si臋 pod wp艂ywem promieniowania mikrofalowego.
Drugi mechanizm poch艂aniania promieniowania mikrofalowego opiera si臋 na przewodnictwie jonowym. Gdy w materiale znajduj膮 si臋 jony, zaczynaj膮 one przemieszcza膰 si臋 zgodnie z kierunkiem pola elektrycznego: dodatnie w jedn膮, a ujemne w przeciwn膮 stron臋. Zderzaj膮c si臋 przy tym z innymi cz膮steczkami, powoduj膮 rozprzestrzenianie si臋 energii cieplnej w materiale
• Prawo odbicia
Je偶eli 艣wiat艂o pada na powierzchni臋 zwierciadlan膮, to ulega odbiciu, przy czym promie艅 padaj膮cy, normalna do powierzchni odbijaj膮cej
i promie艅 odbity le偶膮 w jednej p艂aszczy藕nie, a k膮t padania jest r贸wny k膮towi odbicia.
• Prawo za艂amania
Je偶eli wi膮zka 艣wiat艂a pada uko艣nie na granic臋 dw贸ch o艣rodk贸w, to ulega za艂amaniu. Promie艅 padaj膮cy, normalna do powierzchni granicznej i promie艅 za艂amany le偶膮 w jednej p艂aszczy藕nie, a stosunek sinusa k膮ta padania do sinusa k膮ta za艂amania jest dla danych dw贸ch o艣rodk贸w wielko艣ci膮 sta艂膮, kt贸r膮 nazywamy wzgl臋dnym wsp贸艂czynnikiem za艂amania n12.
Bieg wi膮zki 艣wiat艂a przechodz膮cej przez granic臋 dw贸ch o艣rodk贸w jest odwracalny.
Je偶eli 艣wiat艂o przechodzi z o艣rodka 1 do o艣rodka 2 i ugina si臋 na granicy w kierunku do normalnej, to m贸wimy, 偶e o艣rodek 2 jest optycznie g臋stszy ni偶 o艣rodek 1.
Je偶eli 艣wiat艂o przechodzi z o艣rodka 1 do o艣rodka 2 i ugina si臋 na granicy w kierunku od normalnej, to m贸wimy, 偶e o艣rodek 2 jest optycznie rzadszy od o艣rodka 1.
• Wzgl臋dny wsp贸艂czynnik za艂amania o艣rodka 2 (do kt贸rego 艣wiat艂o wesz艂o) wzgl臋dem o艣rodka 1 (z kt贸rego 艣wiat艂o wysz艂o) jest r贸wny stosunkowi pr臋dko艣ci 艣wiat艂a w o艣rodku 1 do pr臋dko艣ci 艣wiat艂a w o艣rodku 2.
gdzie: v1, v2 - pr臋dko艣ci 艣wiat艂a w o艣rodkach 1 i 2,
位1, 位2 - d艂ugo艣ci fal 艣wietlnych w o艣rodkach 1 i 2.
• Bezwzgl臋dny wsp贸艂czynnik za艂amania danego o艣rodka jest r贸wny stosunkowi pr臋dko艣ci 艣wiat艂a w pr贸偶ni do pr臋dko艣ci w danym o艣rodku.
gdzie: c - pr臋dko艣膰 艣wiat艂a w pr贸偶ni, v - pr臋dko艣膰 艣wiat艂a w danym o艣rodku.
• Ca艂kowite wewn臋trzne odbicie zachodzi w贸wczas, gdy promie艅 艣wietlny, przechodz膮c z o艣rodka g臋stszego optycznie do rzadszego optycznie (np. ze szk艂a do powietrza), pada na granic臋 tych o艣rodk贸w pod k膮tem wi臋kszym od k膮ta granicznego 伪gr. Promie艅 odbija si臋 w贸wczas od granicy i wraca do o艣rodka, z kt贸rego wyszed艂 (dla k膮ta padania 伪 = 伪gr promie艅 biegnie dok艂adnie wzd艂u偶 granicy o艣rodk贸w).
gdt srodow. To proznia i powietrze
Zjawisko jest wykorzystywane np. w medycynie i w telekomunikacji (艣wiat艂owody).Zgodnie z pierwszym prawem, w o艣rodku jednorodnym 艣wiat艂o rozchodzi si臋 po liniach prostych. Istotne znaczenie ma tu jednorodno艣膰 o艣rodka maj膮ca decyduj膮cy wp艂yw na pr臋dko艣膰 rozchodzenia si臋 艣wiat艂a, a tym samym na przebieg promienia 艣wietlnego. Promie艅 艣wiat艂a padaj膮c na powierzchni臋 rozdzielaj膮c膮 dwa o艣rodki podlega prawu odbicia stwierdzaj膮cemu, 偶e promie艅 padaj膮cy P, promie艅 odbity O i prosta PR prostopad艂a do powierzchni w punkcie padania A le偶膮 w jednej p艂aszczy藕nie, a k膮t padania i k膮t odbicia s膮 sobie r贸wne. Prawo to ilustruje rysunek nr 1. Jak wida膰 z rysunku k膮ty padania i odbicia okre艣lane s膮 w stosunku do prostej prostopad艂ej w punkcie padania i s膮 niezale偶ne od d艂ugo艣ci fali.
Bieg promieni przy przej艣ciu z jednego o艣rodka jednorodnego do drugiego odbywa si臋 wed艂ug prawa za艂amania m贸wi膮cego, 偶e promie艅 padaj膮cy P, za艂amany Z i prosta PR prostopad艂a do powierzchni w punkcie za艂amania A le偶膮 w jednej p艂aszczy藕nie, a sinus k膮ta padania (i sinus kata za艂amania (mierzonych jak poprzednio w stosunku do prostej prostopad艂ej w punkcie za艂amania) spe艂niaj膮 r贸wnanie:
n1xsin飦=n2xsin飦Z
w kt贸rym n1 jest wsp贸艂czynnikiem za艂amania o艣rodka przed powierzchni膮 艂ami膮c膮, a n2 wsp贸艂czynnikiem za艂amania za powierzchni膮 艂ami膮c膮.
Jak to ju偶 omawiali艣my w poprzednich numerach naszego pisma, w praktyce optycznej przyj臋to, 偶e wsp贸艂czynnik za艂amania 艣wiat艂a w pr贸偶ni (a praktycznie w powietrzu) r贸wna si臋 "1" i wszystkie wsp贸艂czynniki za艂amania materia艂贸w optycznych odnosi si臋 do tej warto艣ci. W takim przypadku powy偶szy wz贸r ulega uproszczeniu i mo偶na napisa膰, 偶e wsp贸艂czynnik za艂amania danego materia艂u optycznego oznaczony n wynosi:
sin飦
n= -----
sin飦Z
Om贸wione prawa dotycz膮 przede wszystkim 艣wiat艂a monochromatycznego, czyli promieniowania o okre艣lonej d艂ugo艣ci fali. Dla 艣wiat艂a bia艂ego w prawie odbicia nic si臋 nie zmienia, gdy偶 k膮t odbicia nie zale偶y od barwy 艣wiat艂a. Natomiast w przypadku za艂amania pojawia si臋 zagadnienie r贸偶nych warto艣ci wsp贸艂czynnik贸w za艂amania zale偶nych od d艂ugo艣ci fali, gdy偶, jak ju偶 kiedy艣 przedstawiali艣my, wynika to z zale偶nej od d艂ugo艣ci fali pr臋dko艣ci rozchodzenia si臋 艣wiat艂a w szkle. Zjawisko to okre艣lane mianem dyspersji jest istotne w projektowaniu element贸w optycznych, a w optyce okularowej ma znaczenie przede wszystkim przy ocenie jako艣ci soczewek pod k膮tem ewentualnego pojawiania si臋 kolorowych obw贸dek w obrazie przedmiotu. Do zagadnienia tego jeszcze b臋dziemy powraca膰 w naszych publikacjach. Podstawowe prawa optyki geometrycznej s膮 baz膮 projektowania soczewek okularowych.
asada Huygensa (czytaj: hojchensa) sformu艂owana przez Christiaana Huygensa m贸wi膮ca, i偶 ka偶dy punkt o艣rodka, do kt贸rego dotar艂o czo艂o fali mo偶na uwa偶a膰 za 藕r贸d艂o nowej fali kulistej. Fale te zwane s膮 falami cz膮stkowymi i interferuj膮 ze sob膮. Wypadkow膮 powierzchni臋 falow膮 tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cz膮stkowych i j膮 w艂a艣nie obserwujemy w o艣rodku
Zasada Huygensa nie okre艣la amplitudy fali. W og贸lnym przypadku amplituda ta b臋dzie zale偶a艂a od geometrii uk艂adu i kierunku, w kt贸rym fala si臋 porusza. Na przyk艂ad, je偶eli na drodze fali znajdzie si臋 przeszkoda z pojedynczym otworem, w贸wczas, jak zauwa偶y艂 Gustav Kirchhoff, amplituda fali b臋dzie najwi臋ksza w tym kierunku, w kt贸rym fala pierwotnie si臋 rozchodzi艂a. Kirchhoff poda艂 przybli偶ony wz贸r opisuj膮cy zmian臋 amplitudy A w funkcji k膮ta 胃
Zjawisko uginania si臋 fali na przeszkodach, wynikaj膮ce wprost z zasady Huygensa, nazywa si臋 dyfrakcj膮.
Fala - jest to zaburzenie pola fizycznego, kt贸re przenosi energi臋, rozchodzi si臋 ono ze sko艅czon膮 pr臋dko艣ci膮. Je偶eli kierunek zaburzenia jest prostopad艂y do kierunku rozchodzenia si臋 fali, w贸wczas mamy do czynienia z fal膮 poprzeczn膮 (fale elektromagnetyczne), natomiast je偶eli obydwa kierunki s膮 takie same, to fal臋 nazywamy fal膮 pod艂u偶n膮 (fale ci艣nienia akustycznego w powietrzu).
Dyfrakcja jest to zjawisko polegaj膮ce na zmianie kierunku rozchodzenia si臋 fali na kraw臋dziach przeszk贸d. Je艣li wi膮zka fal przedostaje si臋 przez niewielk膮 szczelin臋 albo omija cienki przedmiot, w贸wczas powstaje zjawisko ugi臋cia. Zgodnie z zasad膮 Hygensa wszystkie punkty niedaleko kraw臋dzi przeszkody staja si臋 nowym 藕r贸d艂em fali. Je艣li we藕miemy pod uwag臋 zjawisko interferencji, w贸wczas jeste艣my w stanie zaobserwowa膰, i偶 za przeszkod膮 powstan膮 si臋 obszary wzmocnienia oraz os艂abienia rozchodz膮cych si臋 fal.
Zjawisko dyfrakcji da si臋 zaobserwowa膰 dla fal materii, fal d藕wi臋kowych i fal elektromagnetycznych .
Bardzo prostym przyk艂adem zjawiska dyfrakcji jest 艣wiat艂o lasera, kt贸re b臋dzie przepuszczane przez niewielk膮 pojedyncz膮 szczelin臋. Ten nieskomplikowany przypadek pozwala zauwa偶y膰, 偶e podanie zale偶no艣膰 na jasno艣膰 w funkcji k膮ta odchylenia od osi nie jest bardzo skomplikowane. Wszystkie punkty szczeliny, ka偶dy o szeroko艣ci d, jest kolejnym 藕r贸d艂em fali. Pomi臋dzy 藕r贸d艂ami dochodzi do interferencji, co sprawia, 偶e nast臋puje wzmacnianie oraz os艂abianie 艣wiat艂a lasera, kt贸re pada na ekran. Wz贸r na jasno艣膰 艣wiat艂a wyst臋puje w postaci:
gdzie:
I - intensywno艣膰 艣wiat艂a
- d艂ugo艣膰 fali
d - szeroko艣膰 szczeliny,
funkcja sinc(x) = sin(x)/x.
Przechodzenie fali przez szczelin臋 dyfrakcyjn膮 umo偶liwia okre艣lenie kierunku rozchodzenia si臋 fali. Jeste艣my w stanie bardzo precyzyjnie to uczyni膰, potrzebna jest tylko jak najmniejsza szeroko艣膰 szczeliny. R贸wnocze艣nie zmniejszaj膮c szczelin臋, o wiele trudniej jest nam sprecyzowa膰 energi臋 fali, dziej si臋 tak poniewa偶 rozprasza si臋 ona na wi臋kszy obszar. Zatem iloczyn b艂臋du precyzowania energii i b艂臋du pomiaru kierunku powinien by膰 du偶o wi臋kszy ni偶 pewna sta艂a. W zwi膮zku z tym jest taka granica precyzyjno艣ci pomiaru parametr贸w rozchodz膮cej si臋 fali. Zjawisko to posiada bardzo wa偶ne znaczenie, je艣li b臋dziemy bra膰 pod uwag臋 to, i偶 wszystkie materialne cz膮steczki s膮 fal膮. Zjawisko to r贸wnie偶 potwierdza zasad臋 nieoznaczono艣ci. Dualizm korpuskularno-falowy sprawia, i偶 da si臋 obserwowa膰 dyfrakcj臋 cz膮steczek materialnych. Do艣wiadczenia pokaza艂y, i偶 zjawisko to zachodzi tak偶e dla elektron贸w oraz neutron贸w
By fala, kt贸ra przechodzi przez szczelin臋 by艂a wzmocniona wykorzystuje si臋 w optyce uk艂ady kilku takich szczelin, kt贸re nazywaj膮 si臋 siatk膮 dyfrakcyjn膮 Efekty optyczne od wszystkich szczelin sumuj膮 si臋, w zwi膮zku z czym zachowanie si臋 fali uzale偶nione jest jedynie od sta艂ej siatki.
Zjawisko dyfrakcji mo偶e zachodzi膰 tak偶e, wtedy gdy fale przechodz膮 przez kilka warstw umieszczonych w niewielkiej odleg艂o艣ci od siebie. Je艣li odleg艂o艣膰 pomi臋dzy tymi warstwami jest niezmienna, nast臋pne maksima fali daj膮 si臋 opisa膰 nast臋puj膮cym wzorem:
gdzie:
d - sta艂a siatki,
- k膮t od osi wi膮zki 艣wiat艂膮,
- d艂ugo艣膰 fali,
m - uzyskuje warto艣ci od 1 a偶 do niesko艅czono艣ci
Interferencja, czyli nak艂adanie si臋 fal, kt贸re rozchodz膮 si臋 z kilku 藕r贸de艂. W fizyce rozr贸偶nia si臋 dwa podstawowe typy interferencji. Optyka na og贸艂 rozpatruje ewentualno艣膰 interferencji fal sinusoidalnych o podobnej cz臋stotliwo艣ci oraz amplitudzie. Akustyka jak r贸wnie偶 analiza sygna艂贸w jest ogromnie zainteresowana nak艂adaniem si臋 fal o z艂o偶onych kszta艂tach.
Interferencja podobnych fal sinusoidalnych
Znane s膮 dwa 藕r贸d艂a fal sinusoidalnych. Je艣li posiadaj膮 identyczn膮 cz臋stotliwo艣ci, w贸wczas ca艂e badanie zachowania si臋 fal ko艅czy si臋 na obliczeniu fazy i amplitudy. Zwi膮zki, kt贸re opisuj膮 to zjawisko s膮 niezwykle proste.
Podstawy matematyczne
Rozchodz膮ce si臋 z wielu 藕r贸de艂 zaburzenia spotykaj膮 si臋 w jednym punkcie P. By wyliczy膰 amplitud臋 fali w tym punkcie nale偶y zsumowa膰 warto艣ci, kt贸re wynikaj膮 z wyra偶enia okre艣laj膮cego fal臋 sinusoidaln膮. Je艣li przeanalizujemy najprostsz膮 ewentualno艣膰 interferencji fal pochodz膮cych z dw贸ch 藕r贸de艂 o d艂ugo艣ci
, le偶膮cych od punktu P w odleg艂o艣ci d1 oraz d2 opisanych wzorem:
y(P1) = sin(t + d1) + sin(t + d2),
gdzie:
-d艂ugo艣膰 fali
W贸wczas zauwa偶ymy, i偶 dla:
d1 - d2 = k
;
fala ulegnie dwukrotnemu wzmocnieniu, natomiast w przypadku gdy:
fale ulegaj膮 wygaszeniu. Warto艣膰
nazwa si臋 faz膮 fali, lega ona zmianie wraz z odleg艂o艣ci膮 od 藕r贸d艂a.
Zasada Huygensa (czytaj: hojchensa) m贸wi, i偶 ka偶dy punkt o艣rodka, do kt贸rego dotar艂o czo艂o fali mo偶na uwa偶a膰 za 藕r贸d艂o nowej fali kulistej. Fale te zwane s膮 falami cz膮stkowymi i interferuj膮 ze sob膮. Wypadkow膮 powierzchni臋 falow膮 tworzy powierzchnia styczna do wszystkich powierzchni fal cz膮stkowych i j膮 w艂a艣nie obserwujemy w o艣rodku.
Polaryzacja to w艂asno艣膰 fali poprzecznej (np. 艣wiat艂a). Fala spolaryzowana oscyluje tylko w pewnym wybranym kierunku. Fala niespolaryzowana oscyluje we wszystkich kierunkach jednakowo. Fala niespolaryzowana mo偶e by膰 traktowana jako z艂o偶enie wielu fal drgaj膮cych w r贸偶nych kierunkach.
W naturze wi臋kszo艣膰 藕r贸de艂 promieniowania elektromagnetycznego wytwarza fale niespolaryzowane. Polaryzacja wyst臋puje tylko dla fal rozchodz膮cych si臋 w o艣rodkach, w kt贸rych drgania o艣rodka mog膮 odbywa膰 si臋 w dowolnych kierunkach prostopad艂ych do rozchodzenia si臋 fali. O艣rodkami takimi s膮 tr贸jwymiarowa przestrze艅 lub struna.
Prawo Brewstera
Ca艂kowita polaryzacja 艣wiat艂a podczas odbicia wyst臋puje, gdy tangens k膮ta opadania a jest r贸wny wsp贸艂czynnikowi za艂amania ; tga = n
Polaryzacja 艣wiat艂a jest zjawiskiem, kt贸re potwierdza falow膮 natur臋 艣wiat艂a. 艣wiat艂o jest fal膮 elektromagnetyczn膮, w kt贸rej cykliczne zmiany p贸l elektrycznego i magnetycznego, opisane przez wektory nat臋偶enia pola elektrycznego
i indukcji magnetycznej
, rozchodz膮 si臋 ze sta艂膮 pr臋dko艣ci膮. Drgania wektor贸w
i
s膮 w ka偶dej chwili prostopad艂e do siebie i jednocze艣nie prostopad艂e do kierunku rozchodzenia si臋 fali. Orientacja przestrzenna tych wektor贸w mo偶e si臋 jednak zmienia膰 wzd艂u偶 kierunku rozchodzenia si臋 fali w spos贸b zupe艂nie przypadkowy, chaotyczny. Tak膮 fal臋 nazywamy fal膮 nie spolaryzowan膮. Mo偶liwo艣膰 uporz膮dkowania drga艅 wektor贸w
i
, tak by zachodzi艂y w spos贸b przewidywalny, nazywamy polaryzacj膮. Gdy drgania wektora
zachodz膮 tylko w jednej p艂aszczy藕nie (a wektora
te偶 w jednej p艂aszczy藕nie, ale prostopad艂ej do p艂aszczyzny drga艅 wektora
), to fala jest spolaryzowana liniowo. Gdy drgania wektora
(i odpowiednio
) s膮 takie, 偶e koniec wektora zatacza w czasie okr膮g lub elips臋, to fala jest spolaryzowana ko艂owo lub eliptycznie. Zjawisko polaryzacji 艣wiat艂a jest dowodem na to, 偶e 艣wiat艂o jest fal膮 poprzeczn膮.
艣wiat艂o mo偶na spolaryzowa膰 poprzez odbicie, selektywn膮 absorpcj臋 (dichroizm), podw贸jne za艂amanie lub rozpraszanie 艣wiat艂a. Gdy wi膮zka 艣wiat艂a nie spolaryzowanego pada na granic臋 dw贸ch o艣rodk贸w od strony o艣rodka optycznie rzadszego pod k膮tem Brewstera, to promie艅 odbity jest ca艂kowicie spolaryzowany. K膮t Brewstera charakteryzuje oba o艣rodki, zale偶y bowiem od pr臋dko艣ci z jak膮 rozchodzi si臋 艣wiat艂o zar贸wno w pierwszym, jak i w drugim o艣rodku.
Niech wi膮zka 艣wiat艂a nie spolaryzowanego pada na granic臋 dw贸ch o艣rodk贸w dielektrycznych od strony o艣rodka optycznie rzadszego. Wi膮zk臋 t臋 mo偶na opisa膰 dwoma sk艂adowymi pola elektrycznego, jedn膮 r贸wnoleg艂膮 do p艂aszczyzny padania (strza艂ki) i drug膮 prostopad艂膮 do tej p艂aszczyzny (kropki).
Zmienne pole elektryczne padaj膮cej fali 艣wietlnej wzbudza drgania elektron贸w w drugim o艣rodku. Powstaj膮 drgaj膮ce dipole, kt贸re emituj膮 fale elektromagnetyczne w stron臋 pierwszego o艣rodka (fala odbita) i w stron臋 drugiego o艣rodka (fala za艂amana). Rozwa偶my oddzielnie odbicie 艣wiat艂a dla obu sk艂adowych pola elektrycznego wi膮zki padaj膮cej.
Sk艂adowa prostopad艂a do p艂aszczyzny padania (kropki) spowoduje drgania dipoli w kierunku prostopad艂ym do p艂aszczyzny padania. Drgaj膮cy dipol elektryczny emituje promieniowanie najsilniej w kierunku prostopad艂ym do w艂asnej osi, czyli sk艂adowa prostopad艂a odbije si臋 najsilniej.
Drgania elektron贸w drugiego o艣rodka wywo艂ane sk艂adow膮 r贸wnoleg艂膮 do p艂aszczyzny padania b臋d膮 prawie prostopad艂e do kierunku wi膮zki za艂amanej. W sytuacji przedstawionej na rysunku obok, dipole b臋d膮 drga艂y r贸wnolegle do kierunku reprezentowanego przez lini臋 przerywan膮. Promieniowanie wysy艂ane w kierunku wi膮zki odbitej b臋dzie wi臋c tym s艂absze, im k膮t 胃 mi臋dzy promieniem odbitym a osi膮 dipoli drgaj膮cych b臋dzie mniejszy.
W szczeg贸lnym przypadku, gdy 胃 = 0 tzn. k膮t mi臋dzy wi膮zk膮 za艂aman膮 a wi膮zk膮 odbit膮 jest r贸wny
, sk艂adowa pola elektrycznego r贸wnoleg艂a do p艂aszczyzny padania znika zupe艂nie.
Wtedy z nie spolaryzowanej wi膮zki padaj膮cej odbija si臋 tylko sk艂adowa spolaryzowana prostopadle do p艂aszczyzny padania. Taki k膮t padania, gdy wi膮zka odbita jest ca艂kowicie spolaryzowana jest nazywany k膮tem Brewstera lub k膮tem polaryzacji.
Stosuj膮c prawo za艂amania 艣wiat艂a zapiszemy
poniewa偶
,
to
, lub
.
Wz贸r powy偶szy wyra偶a prawo Brewstera.
Gdy wi膮zka padaj膮ca i odbita rozchodz膮 si臋 w powietrzu, to mo偶emy przyj膮膰, 偶e n1 鈮 1, n2 oznaczy膰 przez n, a wtedy prawo Brewstera zapiszemy
.
Aby wyznaczy膰 wsp贸艂czynnik za艂amania badanej substancji, musimy znale藕膰 w艂a艣ciwy dla tej substancji k膮t Brewstera.
伪
尾
n2> n1
sk艂adowa drga艅 pola elektrycznego prostopad艂a do p艂aszczyzny padania
n1
n2
伪
伪
尾
n2> n1
sk艂adowa drga艅 pola elektrycznego r贸wnoleg艂a do p艂aszczyzny padania
n1
n2
伪
胃
伪Br
伪Br
尾
sk艂adowa drga艅 pola elektrycznego r贸wnoleg艂a do p艂aszczyzny padania
sk艂adowa drga艅 pola elektrycznego prostopad艂a do p艂aszczyzny padania
n2> n1
n1
n2