Studiul Luminii Liniar Polarizate - Verificarea Legii lui Malus

Scopul lucrării: studiul luminii liniar polarizate, verificarea legii lui Malus.

Teoria lucrării: Conform teoriei clasice a electromagnetismului, lumina este o undă transversală în care direcţiile de oscilaţie ale vectorilor intensităţii câmpului electric şi inducţiei magnetice sunt reciproc perpendiculare şi perpendiculare pe direcţia de propagare. Dacă, în plus, oscilaţiile vectorului (sau ) sunt paralele între ele în orice punct din spaţiu unde se propagă unda, aceasta este liniar polarizată.

Planul care conţine vectorul şi direcţia de propagare a undei este numit plan de oscilaţie.

Polarizarea luminii, adică selectarea unor direcţii preferenţiale de oscilaţie ale vectorului intensitate câmp electric, se face în diferite moduri, cum ar fi: prin reflexie, dublă refracţie, împrăştiere, etc. În acest material ne vom referi la obţinerea luminii liniar polarizate prin dubla refracţie. Există o categorie de substanţe, în general cristaline, transparente şi omogene, care din punct de vedere al proprietăţilor optice sunt anizotrope. Aceasta înseamnă că, pentru o direcţie de propagare dată, ele prezintă indici de refracţie diferiţi, în funcţie de starea de polarizare a luminii. Un fascicul de lumina naturală, care cade pe un cristal birefringent va fi împărţit în doua fascicule polarizate, directiile de polarizare fiind reciproc perpendiculare .

Construirea unui polarizor, adică a unui dispozitiv care permite obţinerea luminii liniar polarizate din lumina naturală, presupune găsirea unei metode de a separa cele două fascicule. O altă categorie de polarizori care ne interesează în mod direct în lucrarea de faţă se bazează pe proprietatea de diocrism a anumitor cristale birefrigerente, cum ar fi, de exemplu, turmalina. Un cristal dicroic are un comportament preferenţial faţă de cele două componente polarizate, şi anume, absoarbe pe una dintre acestea mult mai puternic decât pe cealaltă. Astfel, dacă grosimea stratului parcurs este suficient de mare, se poate obţine ca una dintre componente să fie complet absorbită, în timp ce cealaltă trece puţin atenuată.

Cristalele dicroice au fost folosite pentru realizarea unor materiale polarizante, numite comercial polaroizi. Peliculele polaroid moderne au ca principiu de fabricaţie: introducerea unor lanţuri moleculare lungi, aliniate şi paralele într-o peliculă flexibilă de material plastic. Polaroidul transmite numai acele componente ale trenurilor de undă ai căror vectori câmp oscilează paralel cu o direcţie preferenţială absorbind pe cele care oscilează după direcţia perpendiculară

În figura 1. este reprezentat planul de vibraţie al unui tren de undă oarecare incident pe polaroid. Vectorul intensitate câmp electric poate fi înlocuit prin cele două componente ale sale , perpendiculară pe direcţia polarizării, şi , paralelă cu aceasta. Evident, numai componenta a doua va fi transmisă, cealată fiind absorbită.

Pentru a pune în evidenţă proprietatea de polarizare a luminii transmise de un polarizor, trebuie folosit un al doilea polarizor, care de obicei este numit analizor.

Dacă se roteşte analizorul în jurul direcţiei de propagare, se vor constata variaţii ale intensităţii luminii transmise, de la o valoare maximă (când direcţiile de polarizare ale celor doi polarizori sun paralele) până la o valoare minimă, nulă sau foarte mică (când polarizorul şi analizorul sunt încrucişaţi). Se pot face măsurători cantitative corecte dacă în sistemul reprezentat în figura 6 se înlocuieşte ochiul observatorului cu o fotocelulă cuplată la un microampermetru. Fotocelula va da un curent electric proporţional cu intensitatea luminii incidente pe ea. Notând cu şi valorile maximă şi minimă ale intensităţii luminii detectate, se defineşte gradul de polarizare a luminii incidente, exprimat în procente:

ia valori cuprinse între 0 (corespunzător luminii naturale) şi 1 (corespunzător luminii total polarizate). Când este subunitar, lumina este numită parţial polarizată.

Dacă unghiul dintre direcţiile de oscilaţie ale celor două pelicule polarizare este , atunci analizorul va lăsa să treacă numai componenta paralelă cu axa sa de oscilaţie , unde este amplitudinea luminii liniar polarizate ce cade pe analizor. Deoarece intensitatea luminii este proporţională cu pătratul amplitudinii, rezultă că intensitatea fasciculului luminos transmis de sistemul polarizor - analizor va depinde de după legea: