Ćwiczenie: E4_3; Polaryzacja mikrofal.

Zjawisko polaryzacji dostarcza nam informacji o poprzeczności fal. Polaryzacja występuje tylko w przypadku fal poprzecznych. Jest to zjawisko uporządkowania drgań bądź wektorów natężenia pola elektrycznego i magnetycznego. Przykładowo w fali spolaryzowanej liniowo drgania zachodzą w jednej płaszczyźnie.

Badanie stanu spolaryzowania fali odbywać się może za pomocą układu składających się z dwóch ośrodków polaryzujących (polaryzatora i analizatora). Fala przechodząc przez polaryzator zostaje spolaryzowana. Kolejno, przechodząc przez analizator podlega ponownej polaryzacji. Konsekwencja takiego stanu jest zmiana natężenia fal po przejściu przez układ. Taką zależność opisuje prawo Malusa:

I = I₀ cos²α

I - natężenie fali opuszczającej analizator

I₀ - natężenie fali padającej na analizator lub przechodzącej przez analizator wtedy, gdy α = 0

α - kąt zawarty między osiami głównymi polaryzatora i analizatora.

Wykres przedstawia wyniki pomiarów. Wskazanie maksymalne miernika jest równe 1,0 mA. Obrót odbiornika dokonany w zakresie od 0˚ do 200˚ (co 10˚). Widać, że wykres przedstawia parabolę. Maksymalna wartość miernika ukazana jest przy braku obrotu (0˚), natomiast minimalna przy obrotach około 90˚. Przy obrocie 100˚ wartości miernika gwałtownie wzrastają, by po uzyskaniu maksimum i przekroczeniu 180˚ gwałtowanie spaść.

Korzystamy z prawa Malusa I = I₀ cos²α.

I = 0 cos²(-90) = 0 mA

I = 0 cos²(-80) = 0 mA

I = 0,01 cos²(-70) = 0,001 mA

I = 0,12 cos²(-60) = 0,03 mA

I = 0,37 cos²(-50) = 0,153 mA

I = 0,56 cos²(-40) = 0,329 mA

I = 0,76 cos²(-30) = 0,57 mA

I = 0,88 cos²(-20) = 0,777 mA

I = 0,96 cos²(-10) = 0,931 mA

I = 1 cos²0 = 1 mA

I = 0,99 cos²10 = 0,96 mA

I = 0,91 cos²20 = 0,804 mA

I = 0,81 cos²30 = 0,608 mA

I = 0,64 cos²40 = 0,376 mA

I = 0,46 cos²50 = 0,19 mA

I = 0,21 cos²60 = 0,053 mA

I = 0,06 cos²70 = 0,007 mA

I = 0,01 cos²80 = 0,0003 mA

I = 0 cos²90 = 0 mA

Dla większej jasności połączmy oba wykresy.

Prawo Malusa (czerwone kropki) opisane jest za pomocą funkcji kosinusa. Funkcja ta jest funkcją parzystą, dlatego wykres przedstawiony jest w postaci paraboli. Tak jak w poprzednim przypadku maksymalne wskazanie miernika wynosi 1 mA, a obrót odbiornika odbywa się w zakresie od -90' do 90' (co 10'). Pomimo tego wykresy się nie pokrywają i przy tych samych kątach odnotowujemy różne wskazania miernika. Dla prawa Malusa zawsze mniejsze (wyj. kąty -90', 0', 90').

W kolejnym doświadczeniu między nadajnikiem a odbiornikiem ustawiamy płytkę polaryzacyjną. Należy zwrócić uwagę, że odpowiadające sobie krawędzie tub są do siebie równoległe. Po ustawieniu wycięć polaryzatora pod odpowiednimi kątami otrzymujemy następujące wskazania miernika zestawione w tabeli:

Ustawienie polaryzatora α	Wskaźnik miernika I [mA]
0˚ (w poziome)	0,8
22,5˚	076
45˚	0,2
67,5˚	0,04
90˚	0

Największa wartość miernika została odnotowana przy kącie 0˚. Wycięcia polaryzatora są ustawione poziomo. Ponadto są one równoległe do dłuższych krawędzi tub odbiornika i nadajnika. Przy zmianie kąta nachylenia zmniejszają się wskazania miernika. Minimalna wartość zauważalna jest pod kątem 90˚, kiedy wycięcia polaryzatora są pionowe, prostopadle ustawione do dłuższych krawędzi tub.

W kolejnym doświadczeniu ustawienie układu różni się jedynie o położenie odbiornika. Obracamy nim tak, aby jego oś tworzyła kąt prosty 90˚ z osią nadajnika, czyli aby odpowiadające sobie krawędzie tub były do siebie prostopadłe. Podobnie jak poprzednio ustawiamy płytkę polaryzacyjną pod odpowiednimi kątami i wyniki zestawiamy w tabeli:

Ustawienia polaryzatora α	Wskazania miernika I [mA]
Poziomo	0
Pionowo	0
45˚	0,22

Łatwo zauważyć, że zmiana wartości miernika zaszła jedynie przy ustawieniu polaryzatora pod kątem 45˚. Bez względu na to czy wycięcia płytki były w pozycji poziomej czy pionowej do układu, wskazanie miernika było takie samo i przyjmowało minimalną wartość 0 mA. Pamiętając o wcześniejszym obrocie odbiornika możemy wywnioskować co następuje. Poziome ułożenie wycięć płytki względem nadajnika wiąże się ze wskazaniem maksymalnej wartości na mierniku (co zaistniało w doświadczeniu poprzednim), i analogicznie pionowe ułożenie polaryzatora sprawi, że wskazanie miernika będzie równe 0 mA (co widać w tym doświadczeniu). Można się domyśleć, że obracając polaryzator o kąt 90˚, ustawimy wycięcia poziomo względem odbiornika - stąd druga wartość 0 mA w tabeli. W trzecim przypadku płytka będzie pod kątem 45˚ zarówno do nadajnika, jak i odbiornika, więc na mierniku zaobserwujemy konkretną wartość z przedziału otwartego (0,1).

---