Формула поляризованность: Электричество и магнетизм

Содержание

Электричество и магнетизм

Здесь — вектор дипольного момента одной молекулы, суммирование ведётся по всем молекулам, находящимся внутри физически бесконечно малого объема   . Например, рассмотрим однородно поляризованный шар (рис. 3.17). 

 

Рис. 3.17. Поляризованность и электрическое поле однородно поляризованного шара 

При поляризации неполярного диэлектрика электронная оболочка атома или молекулы деформируется — электроны смещаются против поляризующего поля, ядра смещаются по полю. Возникает некоторое расстояние между ранее (в отсутствие поляризующего поля) совпадавшими центрами положительных и отрицательных зарядов. В результате атом или молекула приобретают некоторый наведенный дипольный момент. 

Более или менее очевидно, что наведенный дипольный момент будет пропорционален величине внешнего электрического поля. Понять это можно, рассматривая поведение потенциальной энергии П(x

) взаимодействия двух частиц, где х — расстояние между ними. Пусть равновесному состоянию соответствует расстояние (частицы находятся в одной точке и дипольный момент отсутствует). При малых отклонениях от положения равновесия в разложении потенциальной энергии в ряд Тейлора можно ограничиться несколькими первыми членами

Учитывая, что первая производная в точке равновесия равна нулю и что вторая производная в этой точке положительна , получаем, что вблизи точки устойчивого равновесия потенциальная энергия ведет себя как

Соответственно, при отклонении от этого положения возникает сила

,

подобная силе упругости при растяжении пружины. Если заряды в молекуле «соединены» такой «пружиной», то при наложении поля Е новое равновесное расстояние между частицами будет определяться соотношением

В результате находим величину возникшего под действием поля дипольного момента

Умножая наведенный дипольный момент на концентрацию поляризованных молекул N/V (N — их полное число в объеме V), получаем поляризованность диэлектрика

               

(3. 16)

Если записать поляризованность (3.16) в виде

 

где константа (для данного вещества)  по определению есть диэлектрическая восприимчивость вещества, то для , то в рамках данной модели диэлектрическую восприимчивость можно вычислить по нижеследующей формуле

  

У молекул, называемых полярными, центры положительных и отрицательных зарядов сдвинуты друг относительно друга, поэтому такая молекула имеет собственный дипольный момент. При помещении такой молекулы в электрическое поле её электронная оболочка деформируется, расстояние между центрами зарядов увеличивается и к исходному собственному дипольному моменту добавляется некоторый наведенный дипольный момент. Однако, можно показать, что этот дополнительный наведенный дипольный момент много меньше собственного. Разумеется, это справедливо, если поляризующее поле много меньше поля, существующего внутри молекулы.

По порядку величины внутримолекулярное поле равно атомной единице напряженности электрического поля:  В/м. В написанном выражении для атомной единицы напряженности электрического поля  масса электрона,  его заряд,  постоянная Планка. Учитывая, что, например, «пробойная» — приводящая к искровому разряду – напряженность поля для сухого воздуха составляет всего  В/м, то есть на пять порядков меньше, можно утверждать, что в подавляющем большинстве экспериментов наведенным дипольным моментом, при наличии собственного, можно пренебречь. В дальнейшем, при рассмотрении поляризации дипольных диэлектриков, этот эффект (наведение дополнительного момента) учитываться не будет.

Векторы собственных дипольных моментов отдельных молекул в обычном состоянии из-за теплового движения ориентированы хаотически. Поэтому при отсутствии внешнего электрического поля средний суммарный дипольный момент любого физически бесконечно малого объема диэлектрика равен нулю. Другими словами, диэлектрик не поляризован: его поляризованность  равна нулю.

Внешнее электрическое поле стремится ориентировать дипольные моменты молекул параллельно вектору , а тепловое движение этому препятствует, диэлектрик поляризуется, при этом его поляризованность должна зависеть от температуры, а именно: с ростом температуры она должна убывать. Ниже эта зависимость вычисляется, также будет показано, что и в случае полярных диэлектриков их поляризованность пропорциональна напряженности поляризующего поля. Такая поляризация называется

ориентационной (рис. 3.18). 

 

Рис. 3.18. Ориентационная поляризация диэлектрика

Поляризованность и напряженность поля в диэлектрике

| на главную | доп. материалы | физика как наука и предмет | электричество и электромагнетизм |

Организационные, контрольно-распорядительные и инженерно-технические услуги
в сфере жилой, коммерческой и иной недвижимости. Московский регион. Официально.

При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле он поляризуется, т. е. приобретает отличный от нуля дипольный момент

 где рi — дипольный момент одной молекулы. Для количественного описания поляризации диэлектрика пользуются векторной величиной — поляризованностью, определяемой как дипольный момент единицы объема диэлектрика:

                                                     (88.1)

Из опыта следует, что для большого класса диэлектриков (за исключением сегнетоэлектриков, см. § 91) поляризованность Р линейно зависит от напряженности поля Е. Если диэлектрик изотропный и Е не слишком велико, то

                                                            (88.2)

где

{ — диэлектрическая восприимчивость вещества, характеризующая свойства ди­электрика; { – величина безразмерная; притом всегда { > 0 и для большинства диэлек­триков (твердых и жидких) составляет несколько единиц (хотя, например, для спирта {»25, для воды {=80).

Для установления количественных закономерностей поля в диэлектрике внесем в однородное внешнее электрическое поле Е0 (создается двумя бесконечными парал­лельными разноименно заряженными плоскостями) пластинку из однородного диэлек­трика, расположив ее так, как показано на рис. 135. Под действием поля диэлектрик поляризуется, т. е. происходит смещение зарядов: положительные смещаются по полю, отрицательные — против поля. В результате этого на правой грани диэлектрика, обращенного к отрицательной плоскости, будет избыток положительного заряда с поверхностной плотностью +

s‘, на левой — отрицательного заряда с поверхностной плотностью –s’. Эти нескомпенсированные заряды, появляющиеся в результате поляризации диэлектрика, называются связанными. Так как их поверхностная плотность s’ меньше плотности s свободных зарядов плоскостей, то не все поле Е компенсируется полем зарядов диэлектрика: часть линий напряженности пройдет сквозь диэлектрик, другая же часть — обрывается на связанных зарядах.
Следовательно, поляризация диэлектрика вызывает уменьшение в нем поля по сравнению с первоначальным внеш­ним полем. Вне диэлектрика Е=Е0.

Таким образом, появление связанных зарядов приводит к возникновению допол­нительного электрического поля Е‘ (поля, создаваемого связанными зарядами), кото­рое направлено против внешнего поля Е0 (поля, создаваемого свободными зарядами) и ослабляет его. Результирующее поле внутри диэлектрика

Поле Е’=s’/e0 (поле, созданное двумя бесконечными заряженными плоскостями; см. формулу (82.2)), поэтому

                                                             (88.3)

Определим поверхностную плотность связанных зарядов s’. По (88.1), полный дипольный момент пластинки диэлектрика pV =PV = PSd, где S — площадь грани пластинки, d — ее толщина. С другой стороны, полный дипольный момент, согласно (80. 3), равен произведению связанного заряда каждой грани Q’ =s’ S на расстояние d между ними, т. е. рV = s’ Sd. Таким образом, PSd= s’ Sd, или

                                                                  (88.4)

т. е. поверхностная плотность связанных зарядов s’ равна поляризованности Р. Подставив в (88.3) выражения (88.4) и (88.2), получим

                                                              

откуда напряженность результирующего поля внутри диэлектрика равна

                                                     (88.5)

Безразмерная величина

                                                                  (88.6)

называется диэлектрической проницаемостью среды. Сравнивая (88.5) и (88.6), видим, что e показывает, во сколько раз поле ослабляется диэлектриком, и характеризует количественно свойство диэлектрика поляризоваться в электрическом поле.


2.2 Поляризация диэлектриков. Поляризованность

Диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется под действием этого поля. Поляризацией диэлектрика называется процесс приобретения им отличного от нуля макроскопического дипольного момента.

Степень поляризации диэлектрика характеризуется векторной величиной, которая называется поляризованостью или вектором поляризации (P). Поляризованность определяется как электрический момент единицы объема диэлектрика

,

где N – число молекул в объеме . Поляризованность P часто называют поляризацией, понимая под этим количественную меру этого процесса.

В диэлектриках различают следующие типы поляризации: электронную, ориентационную и решеточную (для ионных кристаллов).

Электронный тип поляризации
характерен для диэлектриков с неполярными молекулами. Во внешнем электрическом поле (рис. 2.1) положительные заряды внутри молекулы смещаются по направлению поля, а отрицательные в противоположном направлении, в результате чего молекулы приобретают дипольный момент, направленный вдоль внешнего поля

Индуцированный дипольный момент молекулы пропорционален напряженности внешнего электрического поля , где – поляризуемость молекулы. Значение поляризованности в этом случае равно , где n – концентрация молекул ; – индуцированный дипольный момент молекулы, который одинаков для всех молекул и направление которого совпадает с направлением внешнего поля.

Ориентационнный тип поляризации характерен для полярных диэлектриков. В отсутствие внешнего электрического поля молекулярные диполи ориентированы случайным образом, так что макроскопический электрический момент диэлектрика равен нулю.

Если поместить такой диэлектрик во внешнее электрическое поле, то на молекулу-диполь будет действовать момент сил (рис. 2.2), стремящийся ориентировать ее дипольный момент в направлении напряженности поля. Однако полной ориентации не происходит, поскольку тепловое движение стремится разрушить действие внешнего электрического поля.

Такая поляризация называется ориентационной. Поляризованность в этом случае равна , где <p> – среднее значение составляющей дипольного момента молекулы в направлении внешнего поля.

Решеточный тип поляризации характерен для ионных кристаллов. В ионных кристаллах (NaCl и т.д.) в отсутствие внешнего поля дипольный момент каждой элементарной ячейки равен нулю (рис. 2.3.а), под влиянием внешнего электрического поля положительные и отрицательные ионы смещаются в противоположные стороны (рис. 2.3.б). Каждая ячейка кристалла становится диполем, кристалл поляризуется. Такая поляризация называется решеточной. Поляризованность и в этом случае можно определить как , где – значение дипольного момента элементарной ячейки, n – число ячеек в единице объема.

Поляризованность изотропных диэлектриков любого типа связана с напряженностью поля соотношением , где – диэлектрическая восприимчивость диэлектрика.

Вопросы

1) Какая физическая величина служит количественной мерой поляризации диэлектриков
2) В чем различие поляризации диэлектриков с полярными и неполярными молекулами
3) Как связана поляризованность с напряженностью поля в диэлектрике
В каком случае поляризованность можно назвать однородной

2.3. Связанные заряды. Электрическое поле в диэлектриках

Связанные заряды. В результате процесса поляризации в объеме (или на поверхности) диэлектрика возникают нескомпенсированные заряды, которые называются поляризационными, или связанными. Частицы, обладающие этими зарядами, входят в состав молекул и под действием внешнего электрического поля смещаются из своих положений равновесия, не покидая молекулы, в состав которой они входят. Связанные заряды характеризуют поверхностной плотностью .

Выделим в поляризованном диэлектрике наклонную призму с основанием S и ребром L, параллельным вектору поляризации P (рис. 2.4). В результате поляризации на одном из оснований призмы появятся отрицательные заряды с поверхностной плотностью , а на другой положительные заряды с плотностью .

С макроскопической точки зрения, рассматриваемый объем эквивалентен диполю, образованному зарядами и , которые отстоят друг от друга на расстояние L, тогда электрический момент призмы равен .

С другой стороны, электрический момент единицы объема равен , где – угол, между направлением нормали к основанию призмы и вектором P. Произведение есть объем призмы.

Приравняв друг к другу оба выражения для электрического момента, получаем, что поверхностная плотность связанных зарядов равна нормальной составляющей вектора поляризации:

,

где n – единичный вектор нормали к поверхности диэлектрика.

Если вектор поляризации P различен в разных точках объема диэлектрика, то в диэлектрике возникают объемные поляризационные заряды, объемная плотность которых .

Электрическое поле в диэлектрике. Рассмотрим плоский однородный диэлектрический слой, расположенный между двумя разноименно заряженными плоскостями (рис. 2.5). Пусть напряженность электрического поля, которое создается этими плоскостями в вакууме, равна ,

где – поверхностная плотность зарядов на пластинах (эти заряды называют свободными). Под действием поля диэлектрик поляризуется, и на его гранях появляются поляризационные или связанные заряды. Эти заряды создают в диэлектрике электрическое поле , которое направлено против внешнего поля .

,

где – поверхностная плотность связанных зарядов. Результирующее поле внутри диэлектрика

.

Поверхностная плотность связанных зарядов меньше плотности свободных зарядов, и не все поле E0 компенсируется полем диэлектрика: часть линий напряженности проходит сквозь диэлектрик, другая часть обрывается на связанных зарядах (рис. 2.5). Вне диэлектрика . Следовательно, в результате поляризации поле внутри диэлектрика оказывается слабее, чем внешнее . Таким образом,

,

где – диэлектрическая проницаемость среды. Из формулы видно, что диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз напряженность поля в вакууме больше напряженности поля в диэлектрике. Для вакуума , для диэлектриков .

Вопросы

1) Почему заряды имеют различные названия: связанные, свободные заряды, сторонние, поляризационные
2) Какой физический смысл имеет диэлектрическая проницаемость среды. Может ли величина диэлектрической проницаемости быть меньше 1
3) Чему равна: поверхностная и объемная плотность поляризационных зарядов

определение, описание и формула расчета

Сегодня раскроем сущность волновой природы света и связанное с этим фактом явление «степень поляризации».

Способность видеть и свет

Природа света и связанная с ней способность видеть волновала человеческие умы давно. Древние греки, пытаясь объяснить зрение, предполагали: либо глаз испускает некие «лучи», которые «ощупывают» окружающие предметы и тем самым сообщают человеку их вид и форму, либо сами вещи излучают нечто, что улавливают люди и судят о том, как все устроено. Теории оказались далеки от истины: живые существа видят благодаря отраженному свету. От осознания этого факта до умения вычислить, чему степень поляризации равна, оставался один шаг – понять, что свет является волной.

Свет – это волна

При более детальном изучении света выяснилось: при отсутствии помех он распространяется по прямой линии и никуда не сворачивает. Если на пути луча встает непрозрачное препятствие, то образуются тени, а куда уходит сам свет, людей не интересовало. Но стоило излучению столкнуться с прозрачной средой, происходили удивительные вещи: луч менял направление распространения и тускнел. В 1678 году Х. Гюйгенс предположил, что это можно объяснить единственным фактом: свет – это волна. Ученый сформировал принцип Гюйгенса, который чуть позже был дополнен Френелем. Благодаря чему сегодня люди знают, как определить степень поляризации.

Принцип Гюйгенса-Френеля

Согласно этому принципу, любая точка среды, до которой дошел фронт волны, является вторичным источником когерентного излучения, а огибающая всех фронтов этих точек выступает в качестве фронта волны в следующий момент времени. Таким образом, если свет распространяется без помех, в каждый следующий момент фронт волны будет таким же, как и в предыдущий. Но стоит лучу встретить препятствие, как вступает в силу другой фактор: в непохожих средах свет распространяется с разными скоростями. Таким образом, тот фотон, который успел добраться до другой среды первым, распространится в ней быстрее, чем последний фотон из луча. Следовательно, фронт волны наклонится. Степень поляризации здесь пока что ни при чем, но понимать это явление в полной мере просто необходимо.

Стоит отдельно сказать, что все эти изменения происходят невероятно быстро. Скорость света в вакууме составляет триста тысяч километров в секунду. Любая среда замедляет свет, но не намного. Время, за которое фронт волны исказится при переходе из одной среды в другую (например, из воздуха в воду), чрезвычайно мало. Человеческий глаз не может этого заметить, да и мало какой прибор способен зафиксировать столь короткие процессы. Так что понимать явление стоит чисто теоретически. Теперь, в полной мере осознавая, что такое излучение, читатель захочет понять, как найти степень поляризации света? Не будем обманывать его ожиданий.

Поляризация света

Выше мы уже упоминали, что в разных средах фотоны света имеют различную скорость. Так как свет – это поперечная электромагнитная волна (не является сгущением и разрежением среды), то у нее есть две основные характеристики:

Первая характеристика указывает, куда направляется луч света, при этом возникает вектор поляризации, то есть в какую сторону направлен вектор напряженности электрического поля. Это дает возможность вращения вокруг волнового вектора. Естественный свет, например, излучаемый Солнцем, не имеет поляризации. Колебания распространены во все стороны с равной вероятностью, не существует какого-либо избранного направления или фигуры, вдоль которой колеблется конец волнового вектора.

Виды поляризованного света

Прежде чем научиться вычислять формулу степени поляризации и производить расчеты, стоит понять, какие бывают виды поляризованного света.

  1. Эллиптическая поляризация. Конец волнового вектора такого света описывает эллипс.
  2. Линейная поляризация. Это частный случай первого варианта. Как понятно из названия, картина при этом – одно направление.
  3. Круговая поляризация. По-другому она еще называется циркулярной.

Любой естественный свет можно представить как сумму двух взаимно перпендикулярно поляризованных элементов. При этом стоит помнить, что две перпендикулярно поляризованные волны не взаимодействуют. Их интерференция невозможна, так как с точки зрения взаимодействия амплитуд они как бы не существуют друг для друга. Когда они встречаются, то просто проходят дальше, не изменяясь.

Частично поляризованный свет

Применение эффекта поляризации огромно. Направив на объект естественный свет, а получив частично поляризованный, ученые могут судить о свойствах поверхности. Но как определить степень поляризации частично поляризованного света?

Существует формула Н.А. Умова:

P=(Iпер-Iпар)/(Iпер+Iпар), где Iпер – это интенсивность света в направлении, перпендикулярном плоскости поляризатора или отражающей поверхности, а Iпар – параллельном. Величина Р может принимать значения от 0 (для естественного света, лишенного какой-либо поляризации) до 1 (для плоско поляризованного излучения).

Может ли естественный свет быть поляризованным

Вопрос на первый взгляд странный. Ведь излучение, в котором нет каких-либо выделенных направлений, принято называть естественным. Однако для обитателей поверхности Земли это в некотором смысле приближение. Солнце дает поток электромагнитных волн различных длин. Это излучение не поляризовано. Но проходя сквозь толстый слой атмосферы, излучение приобретает незначительную поляризацию. Так что степень поляризации естественного света в целом не равна нулю. Но величина настолько мала, что ею часто пренебрегают. Учитывается она только в случае точных астрономических вычислений, где малейшая погрешность может прибавить звезде лет или расстояния до нашей системы.

Почему свет поляризуется

Выше мы часто говорили, что в непохожих средах фотоны ведут себя по-разному. Но не упомянули почему. Ответ зависит от того, о какой именно среде мы говорим, другими словами, в каком агрегатном состоянии она находится.

  1. Среда – кристаллическое тело со строго периодическим строением. Обычно структуру такого вещества представляют как решетку с неподвижными шариками – ионами. Но в целом это не совсем точно. Такое приближение часто бывает оправдано, но не в случае взаимодействия кристалла и электромагнитного излучения. На самом деле каждый ион колеблется около своего положения равновесия, причем не хаотически, а в соответствии с тем, какие у него соседи, на каких расстояниях находятся и сколько их. Так как все эти колебания строго запрограммированы жесткой средой, то и излучить поглощенный фотон этот ион способен только строго определенной формы. Этот факт порождает другой: какова будет поляризация выходящего фотона, зависит от направления, в котором он вошел в кристалл. Это называется анизотропией свойств.
  2. Среда – жидкость. Здесь ответ сложнее, так как действуют два фактора – сложность молекул и флуктуации (сгущения-разрежения) плотности. Само по себе сложные длинные органические молекулы имеют определенное строение. Даже простейшие молекулы серной кислоты представляют собой не хаотический шарообразный сгусток, а вполне конкретную крестовидную форму. Другое дело, что все они в нормальных условиях располагаются хаотически. Однако второй фактор (флуктуация) способен создать такие условия, при которых небольшое количество молекул образуют в небольшом объеме нечто вроде временной структуры. При этом либо все молекулы будут сонаправлены, либо будут располагаться относительно друг друга под какими-то определенными углами. Если свет в это время пройдет сквозь такой участок жидкости, он приобретет частичную поляризацию. Отсюда следует вывод, что температура сильно влияет на поляризацию жидкости: чем выше температура, тем серьезнее турбулентность, и тем больше таких участков будет образовываться. Последний вывод существует благодаря теории самоорганизации.
  3. Среда – газ. В случае однородного газа поляризация происходит за счет флуктуаций. Именно поэтому естественный свет Солнца, пройдя сквозь атмосферу, приобретает небольшую поляризацию. И именно поэтому цвет неба голубой: средний размер уплотненных элементов такой, что рассеивается электромагнитное излучение голубого и фиолетового цветов. Но если мы имеем дело со смесью газов, то вычислить степень поляризации намного сложнее. Эти проблемы часто решают астрономы, которые исследуют свет звезды, прошедшей сквозь плотное молекулярное облако газа. Поэтому так сложно и интересно изучать далекие галактики и скопления. Но астрономы справляются и дарят изумительные фотографии глубокого космоса людям.
Физиология. Критический уровень деполяризации

Возбудимость – это в физиологии способность клетки или ткани отреагировать на раздражитель и генерировать какой-то импульс. Для работы клеткам нужен определенный заряд — поляризация. Нарастание заряда от минуса к плюсу называется деполяризацией. …

далее

Материалы по теме:

Волновые пластинки.

Обзор
Принцип работы

Волновые пластинки (замедляющие фазовые пластинки или фазовращатели) изготовлены из материала, который проявляет двулучепреломление. Скорости необыкновенного и обыкновенного луча через двулучепреломляющий материал изменяются обратно пропорционально их показателям преломления. Разность скоростей приводит к разности фаз при рекомбинации двух пучков. В случае падающего линейно поляризованного пучка это можно описать следующей формулой:

 

 

где:

  • δ — разность фаз;
  • d — толщина;
  • ne, no – показатели преломления необыкновенного и обыкновенного лучей;
  • λ – длина волны.

Для любой конкретной длины волны разность фаз определяется толщиной пластинки.

Полуволновая пластинка

Полувоновая пластинка может использоваться для поворота состояния поляризации плоско-поляризованного света, как показано на рисунке 1.

Предположим, что плоско-поляризованная волна падает перпендикулярно плоскости волновой пластинки, а плоскость поляризации находится под углом θ относительно быстрой оси, как показано на рисунке. После прохождения через пластинку, состояние поляризации исходной волны поворачивается на угол 2θ.

Полуволновая пластинка очень удобна в повороте плоскости поляризации поляризованного лазерного излучения на любой желаемый угол (особенно если лазер слишком велик для вращения его корпуса). Большинство крупных ионных лазеров имеют вертикальную поляризацию. Чтобы получить горизонтальную поляризацию, просто поместите полуволновую пластинку в луч так, чтобы ее быстрая (или медленная) ось была расположена под углом 45° к вертикальной оси. Полуволновые пластинки также могут изменять направление поляризации циркулярно-поляризованного света с левого на правый и наоборот.

Толщина полуволновой пластины такова, что разность фаз составляет 1/2 длины волны (λ/2, пластинки нулевого порядка) или кратна 1/2 длины волны [(2n + 1) λ / 2], пластинки множественного порядка).

Четвертьволновая пластинка

Четвертьволновая пластина используется для того, чтобы превратить плоско-поляризованный свет в циркулярно-поляризованный свет или наоборот. Для этого мы должны ориентировать волновую пластинку так, чтобы возбуждались равные количества быстрых и медленных волн. Мы можем это сделать, ориентируя падающую плоско-поляризованную волну под 45° к быстрой (или медленной) оси, как показано на рисунке 2.

При двойном прохождении четвертьволновой пластинки, т.е. при зеркальном отражении, она действует как полуволновая пластинка и поворачивает плоскость поляризации на определенный угол, т.е. 90 °. Эта схема широко используется в изоляторах, модуляторах добротности и т.д.

Толщина четвертной волновой пластины такова, что разность фаз составляет 1/4 длины волны (λ/4, пластинки нулевого порядка) или кратна 1/4 длины волны ([(2n + 1) λ / 4], пластинки множественного порядка).

Сергей Иванович Вавилов (1891–1951)

технического училища, читая лекции по физике и теоретической светотехнике. С 1919 по 1932 гг. С.И. Вавилов – доцент, затем профессор Московского высшего зоотехнического института в Москве. В 1918–1923 гг. он также преподавал оптику в Высшей школе военной маскировки.

Главная тема исследований ученого – квантовая природа света. Желая обнаружить квантовые свойства света, С.И. Вавилов занялся изучением коэффициента поглощения света при очень сильном изменении яркости (до 1020 раз), а в 1921 г. начал эксперименты в новой области физической оптики – люминесценции. Всю жизнь собственные научные интересы С.И.&nbsp Вавилова были связаны с кругом научных проблем оптики – с люминесценцией, сверхслабыми свечениями, созданием соответствующих чувствительных оптических приборов. В 1923 г. он выполнил фундаментальное исследование поляризационных свойств люминесценции растворов красителей. Ему удалось установить формулу, связывающую степень поляризации люминесценции при возбуждении свечения линейно-поляризованным и естественным светом (формула Вавилова – Левшина). Годом позже С.И. Вавилов предложил метод экспериментального определения абсолютных значений энергетического выхода люминесценции растворов (метод Вавилова). В 1926–1927 гг. он установил соотношение между процессами флуоресценции и фосфоресценции в жидких и твердых средах, открыл первый нелинейный оптический эффект (отступления от закона Бугера у уранового стекла) и выявил зависимость энергетического выхода люминесценции растворов красителей от длины волны возбуждающего света (закон Вавилова).

В 1920-е годы ярко проявился еще один талант С.И. Вавилова – популяризатора и историка науки. Он написал серию научно-популярных книг – «Действие света» (6), «Солнечный свет и жизнь Земли» (7), «Глаз и Солнце» (8), перевел и издал на русском языке «Оптику, или Трактат об отражениях, преломлениях, изгибах и цветах света» И. Ньютона со своими комментариями (9). Эти и многие другие

Поляризация

Поляризация

Поляризация

Поляризация – явление, присущее поперечным волнам. Продольные волны например, звук нельзя поляризовать. Свет и другие электромагнитные волны поперечные волны, состоящие из взаимно перпендикулярных, колеблющихся электрических и магнитные поля. На диаграмме ниже электромагнитная волна распространяется в В направлении оси x электрическое поле колеблется в плоскости xy, а магнитное поле поле осциллирует в плоскости xz.Линия показывает вектор электрического поля как волна распространяется.

Неполяризованная электромагнитная волна, бегущая в направлении x, является суперпозиция многих волн. Для каждой из этих волн вектор электрического поля перпендикулярна оси x, но угол, который он составляет с осью y, равен разные для разных волн. Для неполяризованного света, движущегося в x-direction E y и E z случайным образом изменяются во временной шкале это намного короче, чем необходимо для наблюдения.


Неполяризованный свет: Естественный свет, как правило, неполяризованный.

Для линейно поляризованной электромагнитной волны, распространяющейся в В направлении x угол между электрическим полем и осью y уникален.

Идеальный поляризатор – это материал, пропускающий только электромагнитные волны, электрические вектор поля параллелен его оси передачи. Электрическое поле – это вектор и может быть записан в терминах параллельных и перпендикулярных компонент к оси пропускания поляризатора.
E
= E параллельно + E перпендикуляр .
Идеальный поляризатор проходит E параллельно и поглощает E перпендикуляр .

Если E 0 это происшествие вектор поля и угол между E 0 и трансмиссией по оси θ, то величина передаваемого поля вектор E 0 cosθ и его направление направление оси трансмиссии.Интенсивность I электромагнитной волны пропорциональна квадрату величины вектора электрического поля. Мы следовательно,

I передано = I 0 cos 2 θ.

Это называется законом Малуса . Если θ = 90 o , передаваемая интенсивность равна нулю.


Линии указывают направление оси передачи.

Когда неполяризованный свет проходит через поляризатор, интенсивность уменьшается в ½ раза. Среднее значение cos 2 θ, среднее значение по всем углам θ составляет ½.
I передан = I 0 2 θ> все элементы = ½I 0 .

Проблема:

Луч неполяризованного света интенсивностью I 0 проходов через серию идеальных поляризационных фильтров с их пропусканием ось повернута на разные углы, как показано на рисунке.
(а) Какова сила света (в единицах I 0 ) в регионы A, B и C?
(б) Если мы удалим средний фильтр, какой будет интенсивность света на точка C?

Решение:

  • Рассуждение:
    Когда неполяризованный свет проходит через поляризатор, интенсивность снижается в ½ раза.Проходящий свет поляризован вдоль оси поляризатора.
    Когда поляризованный свет с интенсивностью I 0 падает на поляризатора, передаваемая интенсивность определяется как I = I 0 cos 2 θ, где θ – угол между направлением поляризации падающего свет и ось фильтра. Проходящий свет поляризован вдоль ось поляризатора.
  • Детали расчета:
    В этой задаче у нас есть 3 поляризационных фильтра. Для второго поляризатора θ = 30 o между поляризационными направление падения света на фильтр и ось фильтра. Для третий поляризатор θ = 90 o – 30 o = 60 o между направлением поляризации света, падающего на фильтр, и ось фильтра.
    Тогда мы имеем:
    (a) В области A интенсивность I 0 /2, а свет поляризованы по вертикали.
    В районе Б интенсивность (I 0 /2) cos 2 30 o , = 0,375 I 0 , а свет поляризован по оси второй поляризатор.
    в области C интенсивность (0,375 I 0 ) cos 2 60 o = 0,0938 I 0 и свет имеет горизонтальную поляризацию.
    (b) Если мы удалим средний фильтр, для последнего фильтра мы получим что θ = 90 o . Таким образом, I = 0,
    . визуализировать тот факт, что добавление среднего фильтра увеличивает передаваемая интенсивность!
    Этот «парадоксальный» эффект сигнатура волновых явлений в целом.

Существуют разные механизмы поляризации. Самый распространенный метод производить поляризованный свет – использовать поляроидный материал, состоящий из цепочек органические молекулы, имеющие анизотропную форму. Переданный свет линейно поляризованный перпендикулярно направлению цепочек. В Ось трансмиссии перпендикулярна цепям.

Поляризатор излучает линейно поляризованный свет. Часто это удобно ориентировать ось пропускания поляризатора вертикально или горизонтально, чтобы излучают свет с вертикальной или горизонтальной линейной поляризацией.


Вертикальная и горизонтальная поляризация

Поляризация отражением:

Когда неполяризованный свет падает на границу между двумя диэлектрическими поверхностями, например, на границе воздух-вода, тогда отраженные и прошедшие компоненты частично поляризованы. В отраженная волна на 100% линейно поляризована, когда угол падения равен угол называется Угол Брюстера .
Для воды этот угол составляет ~ 53 o по отношению к нормаль или 37 o по отношению к поверхности воды.
Для значительный угловой диапазон вокруг угла Брюстера отраженный свет сильно поляризован в горизонтальном направлении.

Когда Солнце находится в небе под низким углом, солнечный свет отражается от поверхности вода почти на 100% поляризована по горизонтали, потому что угол падения равен близко к углу Брюстера.
Уменьшение бликов солнцезащитные очки
покрыты поляризатором с вертикальной осью пропускания и поэтому заблокируйте отраженный свет.

Ссылка: Поляризация света (Youtube)
Ссылка на сайт: Поляризация и отражение (Youtube)


Демонстрации

Способ передачи света через некоторые материалы зависит от его поляризации.

Некоторые двулучепреломляющие кристаллические вещества искривляют свет через угол, который зависит от состояния падающей поляризации. Есть оптика ось. Неполяризованный свет, попадающий в двулучепреломляющий кристалл не вдоль оптическая ось кристалла разбита на пучки, которые изгибаются разными суммы.


Двойное лучепреломление в кристалле кальцита. Вертикальные линии изображены дважды.
Поляризация света, создающего одно изображение, перпендикулярна
поляризация света, производящего другое изображение.

Некоторые материалы при нагрузке становятся двулучепреломляющими. Поместив прозрачные материалов между двумя поляризаторами, мы можем выполнить стресс-анализов .

Оптически активные или круговые двулучепреломляющие материалы вращают направление поляризации линейно поляризованный свет.Величина вращения зависит от длина волны света. Молекулы сахара имеют хиральность (хиральность). и в растворе оптически активны. Если мы поляризуем белый свет и пропустить через сахарный сироп, направление поляризации света выходящий из сиропа будет разным для разного цвета компоненты. Если затем свет проходит через второй поляризатор, его цвет меняется с ориентацией оси передачи этого поляризатор.

Сахарный сироп между скрещенными поляризаторами
с разной ориентацией

Электрическая поляризация – определение, типы, формулы, единицы

Что такое электрическая поляризация?

Электрическая поляризация возникает, когда неполярное вещество помещается между двумя параллельными пластинами с приложенным электрическим полем. Электрическое поле имеет тенденцию притягивать отрицательно заряженные электронные частицы или облака к положительной пластине, а ядра положительного заряда – к отрицательной пластине.Следовательно, в присутствии электрического поля или тока будет наблюдаться электрическое искажение или поляризованная молекула с образованием электрического диполя. В изучении химии или физики такой тип процесса искажения в молекулах называется электрической поляризацией, но поляризация исчезает, как только поляризованное поле исчезает и поляризующая молекула возвращается в исходное состояние.

Виды электрической поляризации

Есть два основных типа поляризации молекул,

  • Наведенная поляризация
  • Ориентационная поляризация

Индуцированная поляризация

Пусть наведенная электрическая поляризация = P i и наведенный дипольный момент = µ i .Индуцированный дипольный момент или просто индуцированный момент прямо пропорционален силе приложенного электрического поля (F). Следовательно, μ i F. Но когда электрическая сила очень мала, в противном случае между поляризованными молекулами может возникнуть гиперполяризация. Следовательно, μ i = α i F, где α i = константа пропорциональности. Эта константа называется константой наведенной поляризуемости поляризующей молекулы. Следовательно, индуцированная электрическая поляризация в химии означает величину индуцированного момента в поляризованной молекуле, когда прикладывается единичное электрическое поле силы тока.

Ориентационная поляризация

Когда электрическое поле создает поляризованные молекулы, дипольные молекулы стремятся ориентироваться в направлении поля. Это называется ориентационной поляризацией. Он выражается как P 0 = 4πN 0 α 0 /3, где α 0 = ориентационная поляризуемость.

Дебай вычислил значение α 0 = μ 2 / 3KT. Следовательно, общая поляризация (P t ) = P i + P 0 .Но ориентация химических элементов имеет две тенденции. Поляризованные молекулы стремятся ориентироваться в направлении приложенного поля (приложенного). Тепловая энергия или удельная теплоемкость имеют тенденцию нарушать выравнивание молекул.

Формула электрической поляризации

Моссотти вывел связь между поляризуемостью веществ и диэлектрической проницаемостью неполярной среды между двумя пластинами из электромагнитной теории.

Константа индуцированной поляризуемости и задается, когда искажение создается в 1 моль поляризующего вещества единичным электрическим полем. Следовательно, формула постоянной электрической поляризации для данной молекулы и не зависит от температуры для изучения химии или физики.

Единица диэлектрической проницаемости

Диэлектрическая проницаемость (D) = C / C 0 , где C = емкость конденсатора, содержащего поляризованное вещество, и C 0 в вакууме. Следовательно, диэлектрическая проницаемость является безразмерной величиной, имеющей значение единицы для вакуума. У других веществ значение диэлектрической проницаемости больше единицы.Следовательно, индуцированный дипольный момент кристаллического твердого вещества, жидкости и газа рассчитывается путем измерения диэлектрической проницаемости, плотности (ρ) и молярной массы (M) поляризованного вещества.

Единица и размер поляризации

Из определения и поляризационной формулы мы можем доказать, что электрическая поляризационная постоянная имеет размерность объема. Единица дипольного момента = esu × см и единица силы = esu см -2 , полученная из закона Кулона. Следовательно, единица постоянной электрической поляризации (α i ) = r 3 , где r = радиус поляризующей молекулы, предполагающей, что она имеет сферическую форму.Поляризуемость атома увеличивается с увеличением размера атома, атомного номера и энергии ионизации поляризующих веществ. Следовательно, атом ведет себя как диполь, и этот дипольный момент индуцируется приложенным электрическим полем.

Уравнение Дебая

Для примеров поляризованных молекул, таких как хлористый метил, вода, фтористый водород и т. Д., Молярная электрическая поляризация непостоянна. Он уменьшается с повышением температуры. Следовательно, уравнение Клаузиуса Моссотти очень плохо влияет на полярность связи.Причина несостоятельности уравнения была выдвинута П. Дебаем для молярной поляризации.

По его словам, когда электрическое поле применяется между двумя линейно параллельными пластинами, содержащими поляризованные молекулы газа, возникают два эффекта: индуцированная и ориентационная поляризация. Здесь индуцированная поляризация имеет тенденцию увеличивать индуцированный момент между молекулами, которые ранее широко обсуждались.

Примеры электрической поляризации

Поляризационная химическая связь является фиксированной и не может ориентироваться в фиксированном направлении.Следовательно, ориентационная поляризация равна нулю. Следовательно, для конденсированной системы, где сильные межмолекулярные силы препятствуют свободному вращению поляризованных молекул. Но при очень высоких температурах, стремящихся к бесконечности, 1 / T = 0 и P t = 0
Следовательно, P t = P i .

Например, экспериментальное определение молярной электрической поляризации многих веществ, таких как углекислый газ (парниковый газ), углеводородов, таких как метан, этан, пропан, азот, водород и т. Д., Остается постоянным и не меняется в зависимости от температуры.Но во многих примерах поляризованных молекул, таких как соляная кислота, метилхлорид, нитробензол, бензиловый спирт и т. Д., Молярная электрическая поляризация зависит от температуры.

границ | Индекс поляризации: простой расчет, позволяющий отличить поляризованное распределение интенсивности от неполяризованного

Введение

Распределение интенсивности тренировки (TID) спортсменов на выносливость стало важным компонентом тренировочного предписания, поскольку (i) интенсивность упражнений и ее распределение во времени являются важными компонентами адаптации к тренировкам на выносливость и (ii) тренировочный объем (по крайней мере, для большинства дисциплин) уже близок или максимален.Таким образом, научный интерес вызывают несколько процедур оптимизации, в том числе манипуляции с TID и другими компонентами предписания упражнений, включая продолжительность, объем, частоту или режим упражнений.

Для количественной оценки TID интенсивность упражнений обычно определяется в соответствии с физиологическими пороговыми значениями и распределяется по «модели зоны интенсивности», из которой для научной оценки преимущественно используется трехзонная модель. Вкратце, интенсивность Зоны 1 включает упражнения низкой интенсивности, превышающие или равные 50% максимального потребления кислорода (O 2 max ) и меньшие, чем интенсивность, соответствующая первому порогу лактата или вентиляции.Назначение упражнений в зоне 1 часто называют упражнениями на «базовую выносливость» или «низкоинтенсивными». Первый и второй пороги лактата или вентиляции определяют нижний и верхний пределы Зоны 2, интенсивности упражнений, которую часто называют «пороговой интенсивностью» или «тренировкой с порогом лактата». Зона 3 обычно определяется как интенсивность упражнений, превышающая второй порог лактата или вентиляции, и устанавливается как высокоинтенсивная интервальная тренировка около или на максимуме O 2 max . Эти интенсивности тренировок также могут быть определены другими переменными, основанными на концентрации лактата в крови, процентном соотношении максимальной частоты сердечных сокращений или O 2 max , или субъективных оценках, таких как «Session-RPE». Подробнее см. Seiler and Kjerland (2006), Seiler (2010). Однако физиологические переходы между интенсивностями тренировки плавные, и целевая адаптация зависит от множества факторов, включая объем тренировки, TID, состояние здоровья и тренировочный статус. Подробные обзоры см. В Gibala et al. (2012), Миланович и др. (2015) и Макиннис и Гибала (2016).

Среди нескольких моделей TID, четыре основных распределения были зарегистрированы и исследованы на данный момент, а именно «поляризованный» -, «высокоинтенсивный» -, «пирамидальный» – и «лактатный порог» -TID, которые основаны на предыдущих определениях. (Seiler and Kjerland, 2006; Stöggl and Sperlich, 2015):

.

Polarized TID состоит из повышенного процента времени или расстояния, проведенного как в упражнениях высокой (Зона 3), так и в упражнениях низкой интенсивности (Зона 1), и лишь небольшой части тренировок в Зоне 2.Поляризованный TID с его долями тренировочного объема, затраченного на низкую, пороговую и высокую интенсивность, часто состоит, например, из 80% тренировочного объема, потраченного в Зоне 1, 5% в Зоне 2 и 15% в Зоне 3 (80%). -5-15) или 75-5-20, (т. Е. 75% в Зоне 1, 5% в Зоне 2 и 20% в Зоне 3), с процентами Зоны 1 больше, чем Зона 3 и Зона 3 всегда больше, чем зона 2.

Пирамидальный TID состоит из большого процента тренировочного объема, потраченного в Зоне 1, и меньшего процента в Зоне 2 и 3.Например, пирамидальный TID может быть количественно определен как 70-20-10, то есть 70% в зоне 1, 20% в зоне 2 и 10% в зоне 3.

Порог TID состоит из тренировочного объема с акцентом на Зону 2. Это распределение часто определяется более длинными интервалами с интенсивностью между первым и вторым порогом лактата или вентиляции, или непрерывными упражнениями, смешанными с более высокой интенсивностью и без четкого интервала восстановления. Например, пороговое значение TID может быть равно 40-50-10 (т.е.е., 40% в зоне 1, 50% в зоне 2 и 10% в зоне 3). Примечательно, что пороговое значение TID, например, 50-45-5 (т.е. 50% в Зоне 1, 45% в Зоне 2 и 5% в Зоне 3), может, но не обязательно, быть пирамидальным (т. Е. С уменьшающимися пропорциями). зоны 2 и зоны 3).

TID высокой интенсивности – это TID с обучением, преимущественно выполняемым в зоне 3, и в основном включающим интервальное обучение. Типичный УИВ высокой интенсивности может быть разработан как 20-10-70 (т.е. 20% в зоне 1, 10% в зоне 2 и 70% в зоне 3).

Примечательно, что классификация TID по одному из четырех шаблонов, показанных на рисунке 1, может быть неоднозначной. Термин «поляризованный» существенно различается между публикациями (Stöggl and Sperlich, 2015; Plews and Laursen, 2017), тем не менее, поляризованный TID вызывает растущий научный интерес после ретроспективного анализа (Seiler and Kjerland, 2006) и проспективных рандомизированных контролируемых исследований. документально подтвердили одинаковый (Ingham et al., 2008; Treff et al., 2017) или более высокий прирост показателей выносливости (Neal et al., 2013; Штёггль и Сперлих, 2014; Tønnessen et al., 2014) по сравнению с пирамидальными, пороговыми или высокоинтенсивными ПИВ. «Поляризованный» TID включает множество фракций Зоны 1-3 и иногда даже используется в качестве дескриптора для пирамидальных TID (Plews and Laursen, 2017), которые четко характеризуются уменьшающимися пропорциями Зоны 1, 2 и 3, или для TID, которые не различают Зону 2 и Зону 3 (Fiskerstrand and Seiler, 2004), тем самым нарушая вышеупомянутую классификацию TID.Следовательно, определение поляризованных и других неполяризованных УИВ часто неясно, а иногда и вводит в заблуждение.

Рис. 1. Различные распределения интенсивности тренировки (TID), их схематические пропорции и ключевые характеристики (обозначены черными полосами). Зоны относятся к следующим интенсивностям: Зона 1 (базовая выносливость), ≥ 50% O 2 макс. и ≤ первый порог лактата или дыхания; Зона 2 (лактатный порог), ≥ первый и ≤ второй лактатный или вентиляционный порог; Зона 3 (высокая интенсивность),> второй лактатный или дыхательный порог.

По этой причине мы хотели бы представить разработанную концепцию нашего ранее опубликованного индекса поляризации (PI) (Treff et al. , 2017), которая основана на предположении о двух необходимых условиях для поляризованного TID. (i) поляризованная структура , где Зона 1> Зона 3 и Зона 3> Зона 2 (и, следовательно, Зона 1> Зона 2) и (ii) относительно небольшая часть Зоны 2. PI стремится различать поляризованные и неполяризованный TID и для количественной оценки уровня поляризованного TID.Кроме того, мы стремимся подчеркнуть полезность и ограничения PI, тем самым способствуя более точной терминологии TID в научной литературе. Основываясь на исследованиях, опубликованных в период с 2009 по 2018 год и представленных в нашей предыдущей статье, мы хотим выделить примеры, иллюстрирующие, почему мы считаем, что индекс поляризации может быть ценным инструментом для практических и научных целей.

Расчет индекса поляризации

Формула для расчета ИП основана на трехзонной TID-модели:

Индекс поляризации (a.Ед.) = Log 10 (Зона 1 / Зона 2 × Зона 3 * 100) (1)

, где Зона – это доля (заданная процентная доля / 100) тренировочного объема в Зоне 1, 2 и 3.

PI увеличивается, если высокое отношение зоны 1 к зоне 2 сочетается с высоким процентом обучения в зоне 3. Лог-преобразование необработанных данных устанавливает квазилинейную функцию.

Если зона 2 = 0, уравнение. 2 избегает нуля в знаменателе:

Индекс поляризации (а.е.) = log 10 (Зона 1 / 0,01 × Зона 3-0,01 * 100) (2)

Если зона 3 = 0, PI равен нулю по определению.

Если зона 3> зона 1, PI недействителен и не должен рассчитываться (подробности см. Ниже).

Если PI> 2,00 а.е., TID определяется как «поляризованный», при этом увеличивающиеся значения указывают на более высокий уровень поляризации. Если PI ≤ 2,00 а.е., TID определяется как неполяризованный.

Обоснование Pi-Concept

Для поляризованного ПИВ мы предполагаем (i) поляризованную структуру и (ii) относительно небольшую долю Зоны 2.

Ad (i) Для поляризованной конструкции мы соглашаемся со следующими необходимыми условиями: a: Зона 1 + Зона 2 + Зона 3 = 1, b: Зона 3> Зона 2, c: Зона 1> Зона 3, и d: Зона 1> Зона 2. На рис. 2 эти условия показаны в диапазоне 0–1 (или 0–100%), а цветные области представляют диапазон долей, в которых выполняются все эти условия.

Рисунок 2. Пределы и условия индекса поляризации. Линия a указывает верхний предел зоны 3 для данной (ось x) доли зоны 1 (условие a: зона 1 + зона 2 + зона 3 = 1), линия b указывает нижний предел зоны 3 для данной доли зоны 1 (условие b: зона 3> зона 2), линия c указывает верхний предел зоны 3 для данной части зоны 1 (условие c: зона 1> зона 3), а линия d указывает нижний предел зоны 3 для данной части зоны 1 (условие d: зона 1> зона 2).Цветные области представляют собой диапазон значений, в котором выполняются условия a-d. Серая пунктирная линия указывает предел зоны 3 для данной части зоны 1, что дает индекс поляризации 2,00 а.е., то есть, если зона 3 выше или ниже, индекс поляризации приведет к более высоким значениям (зеленая область) или ниже 2,00 а.е. (желтая область) соответственно. Пунктирная синяя линия указывает верхний предел Зоны 2 для данной части Зоны 1 с учетом индекса поляризации ≥ 2,00 а. е.

Из-за этих условий PI> 2.00 а.е. неизбежно ассоциируется с поляризованной структурой, потому что если Зона 2 равна Зоне 3 (TID, который точно не означает поляризованную структуру), результат Зоны 1 / Зоны 2 × Зоны 3 будет равен значению Зоны 1, поскольку Зона 2 и зона 3 укорачивают друг друга, например, 0,8 / 0,2 × 0,2 * 100 = 80. Зона 1 приближается к максимальному значению 100%, поэтому необработанный, то есть не преобразованный логарифмически PI будет приближаться к значению 100 Поскольку log 10 (100) равно 2,00, PI приближается к 2.00 а.е. и не может превышать значение> 2,00 а.е. если Зона 2 равна Зоне 3. Следовательно, процент Зоны 3 должен быть выше, чем Зона 2, чтобы получить PI> 2,00 а.е. Или наоборот: если PI> 2,00 а.е., необходимое условие Зона1> Зона3 ∧ Зона 3> Зона 2 будет выполняться в каждом случае для Z1 ≤ 100% (Рисунок 2, зеленая зона).

Ad (ii) В то же время порог 2,00 может использоваться для идентификации выполнения второго необходимого условия для поляризованного TID, т. е.е., состоящий из «относительно небольшой» части Зоны 2: если, например, процент Зоны 1 составляет всего 60%, TID 60-19-21 приведет к PI, равному 1,82 а.е., таким образом явно ниже границы и нарушает определение поляризованного TID, даже если Зона 1> Зона 3 ∧ Зона 3> Зона 2 (т. е. первое необходимое условие для поляризованного TID – истинное значение ) . Однако, если зона 2 ниже, чем ∼ 15% в этом примере, PI будет> 2,00 а.е. и, следовательно, PI вычисляет 2.05 а.е. в раздаче 60-14-26.

Следует отметить, что при более высоком проценте тренировок Зоны 1 (например, 80%) процент Зоны 2 ниже 9% уже допускает поляризованный TID (например, 80-8-12), в результате чего ИП составляет 2,08 а.е. Такое поведение визуализируется пунктирной синей линией на Рисунке 2, указывающей верхний предел Зоны 2 с учетом PI ≥ 2,00 а.е. и приближение пунктирных линий к линии b с увеличением доли зоны 1.

Предельное значение> 2,00 а.е. поэтому не является произвольным и четко предоставляет ориентир для поляризованной структуры и объективное (но не физиологическое) определение «относительно небольших» процентов тренировок Зоны 2 в поляризованных TID.

Применение индекса поляризации в исследованиях интенсивности обучения

В таблице 1 показаны несколько оригинальных исследований, опубликованных в период с 2009 по 2018 год, которые обсуждались в одной из наших предыдущих статей (Treff et al., 2017), их PI и используемый дескриптор.

Таблица 1. Избранные исследования по распределению интенсивности тренировок по областям, процентному соотношению трех зон интенсивности тренировок, итоговому индексу поляризации и их классификации в соответствии с индексом поляризации и исходной публикацией.

В пяти исследованиях таблицы 1 (Ingham et al., 2008; Bourgois et al., 2013; Neal et al., 2013; Stöggl and Sperlich, 2014; Treff et al., 2017) сообщается о поляризованных TID в соответствии с PI и вышеупомянутые определения, то есть Зона 1> Зона 2 ∧ Зона 3> Зона 2, а также низкий процент Зоны 2. В одном исследовании (Neal et al., 2013) сообщается о поляризованном TID 80-0-20, очевидном с высоким PI 3,18. аС В одном исследовании (Ingham et al., 2008) индекс даже выше, из-за более низкой и большей доли зон 1 и 3 соответственно.В трех исследованиях PI был ниже по сравнению с TID в вышеупомянутых исследованиях (т. Е. Уровень «поляризации» был уменьшен) из-за большей доли зоны 2 (Bourgois et al., 2013; Stöggl and Sperlich, 2014). или более низкий абсолютный процент, потраченный в Зоне 3 (Treff et al., 2017).

В двух исследованиях таблицы 1 (Neal et al., 2013; Stöggl and Sperlich, 2014) процент тренировок, проведенных в Зоне 3, равнялся нулю. Согласно вышеупомянутому определению, PI равен нулю, и, следовательно, TID обоих исследований не поляризованы.

В пяти исследованиях таблицы 1 (Guellich et al., 2009; Plews et al., 2014; Stöggl and Sperlich, 2014; Plews and Laursen, 2017; Treff et al., 2017) ИП варьировался от 0,71 до 1,80 а.е. представляющие неполяризованные TID из-за PI ≤ 2,0 a.U. Тем не менее, PI варьируется в разумных пределах в зависимости от соответствующих вкладов Зоны 1, Зоны 2 и Зоны 3. В деталях, PI очень похож в двух примерах (Stöggl and Sperlich, 2014; Plews and Laursen, 2017), но явно выше по сравнению с в другие исследования (Plews et al., 2014; Treff et al., 2017) с аналогичной долей зоны 2, но почти в три раза более высокой процентной долей зоны 3 за счет более низкого процента в зоне 1.

Таблица 1 также иллюстрирует специальный вариант TID, поскольку исследование Карнеса и Махони (2018) представляет TID (74-11-15), в котором процент Зоны 3 выше по сравнению с Зоной 2, что указывает на поляризованную структуру, однако доля времени, проведенного в Зоне 2, значительно высока, таким образом, не выполняется второй необходимый критерий для поляризованного TID (Зона 2 относительно мала), что отражается в PI 2.00 а.е., что указывает на неполяризованный, но «почти» поляризованный TID.

Классификация и подробная количественная оценка распределений интенсивности обучения в литературе

Как уже упоминалось, термин «поляризованный» поверхностно описывает TID в рамках ретроспективного анализа обучения и перспективных экспериментов. Например, «поляризованные» TID исследований, обобщенные в таблице 1 (Ingham et al., 2008; Bourgois et al., 2013; Neal et al., 2013; Stöggl and Sperlich, 2014), сообщают о существенных различиях в доле Зона 3 от 6 до 28%.Принимая во внимание, что большой объем данных показал, что тренировка с упором на Зону 3 способствует существенным различиям в транспорте и использовании кислорода (Hickson et al., 1977; Milanović et al., 2015), кажется важным знать, насколько «поляризовано» Эксперимент проводился для того, чтобы оценить уровень адаптации в связи с различными TID, а также для лучшего сравнения между группами и исследованиями.

В таблице 1 также приведены примеры исследований, сообщающих о поляризованном TID, даже несмотря на то, что процентная доля зоны 2 значительно высока (≥17%), а доли зоны 1–3 непрерывно уменьшаются, тем самым четко указывая на пирамидальный TID (Plews et al., 2014). Пограничный TID Карнеса и Махони (2018) также утверждает, что использовал «поляризованный» TID. В каждом из этих исследований применение ИП обеспечит более точную и объективную классификацию соответствующих УИВ.

Применение индекса поляризации в мониторинге и анализе тренировок

Рисунок 3 – это пример, взятый из предыдущей статьи нашей группы, иллюстрирующий практическое применение ИП в научном исследовании, одновременно иллюстрирующий практическое применение ИП для мониторинга тренировок и анализа с двумя группами гребцов, выполняющих либо пирамидальную ( PI = 1.70 а.е.) или поляризованный ПИВ (PI = 2.70 а.е.) (Treff et al., 2017). Как и в аналогичных тренировочных исследованиях, TID значительно различались между группами, но на индивидуальном уровне тренировка была довольно неоднородной. Таким образом, PI может позволить более точный анализ результатов обучения с учетом фактического индивидуального TID. Кроме того, PI можно легко интегрировать в стандартное программное обеспечение для мониторинга тренировок.

Рис. 3. Процентное изменение средней мощности в тесте на гребном эргометре на 2000 м (P 2000 м ) у гребцов, участвующих в международных соревнованиях. Вертикальная пунктирная линия представляет границу между неполяризованными (≤ 2,00 а.е.) и поляризованными (> 2,00 а.е.) ПИВ. Рисунок адаптирован из Treff et al. (2017).

Однако следует соблюдать некоторые правила при интерпретации PI:

Как было показано ранее, очень небольшие различия между Зоной 2 и Зоной 3 допускают PI ≥ 2,00 а.е. если процент Зоны 1 высокий. Следовательно, PI практически полезен в разумных и принятых пределах для Зоны 1 в поляризованных ПИВ, составляющих примерно 70–90% (Stöggl and Sperlich, 2014).Кроме того, данный TID с тренировкой, например, 15 часов в неделю, будет влиять на производительность иначе, чем тот же TID с объемом, например, 25 часов в неделю. Следовательно, интерпретация изменений производительности по отношению к данному TID (как показано на рисунке 3) оправдана только тогда, когда другие важные переменные тренировки (например, тренировочный объем, частота или методы тренировки) ограничены или, по крайней мере, аналогичны между предметы или внутри предмета. В этом случае мы хотели бы подчеркнуть, что PI как алгоритм помогает различать различные TID, но мы не приветствуем интерпретацию как суррогат тренировочной нагрузки.Например, ИП 2,00 а.е. может быть результатом двух существенно разных TID, например, 90-5-5 и 74-13-13. Как объяснялось выше и с биологической и эмпирической точки зрения, эти два режима тренировки, в отличие от TID, приведут к разным центральным и периферическим адаптациям и по-разному повлияют на производительность, даже если они применяются в теоретически совершенной модели, то есть двух идентичных испытуемых. Также стоит отметить, что качество обучающих данных и надежное и достоверное распределение интенсивностей имеют решающее значение для анализа.Наконец, успешное обучение – это не только количественно, но и качественно детерминированное вмешательство, которое не отражается в PI или других количественных переменных обучения.

Ограничения

Несмотря на практическую полезность, PI имеет некоторые ограничения, заслуживающие краткого обсуждения. Даже несмотря на то, что PI обеспечивает объективную отсечку для различения поляризованного и неполяризованного распределений, он не позволяет дифференцировать подтипы неполяризованных структур TID (например, лактатный порог vs.высокоинтенсивный TID) и значения от 0 до 2,00 не должны интерпретироваться в терминах более или менее поляризованных распределений. Более того, с теоретической точки зрения кажется неуместным заменять 0,00% в зоне 2, например, 1,00%, чтобы избежать нуля в знаменателе (уравнение 2). Однако с практической точки зрения практически невозможно достичь высокой интенсивности (например, зоны 3) без некоторой части времени, проведенной в зоне 2. Следовательно, это ограничение, по-видимому, практически не имеет значения. Наконец, PI – это статистическая мера, которая увеличивает плотность данных и тем самым, как и любой индекс, приводит к потере подробной информации.

Заключение

Приложение PI представляет собой алгоритм, позволяющий четко различать поляризованные и неполяризованные TID и оценивать уровень поляризации. Как показано, PI имеет потенциал для уменьшения неоднозначности в отношении классификации TID в текущей литературе и легко применим в любом программном обеспечении для мониторинга обучения. Поскольку PI также позволяет внутрииндивидуальную оценку поляризации, мы стремимся стимулировать исследователей к переоценке имеющихся данных ретроспективно, чтобы исследовать реакцию или отсутствие реакции на различные TID.Кроме того, мы рекомендуем в будущих обучающих экспериментах определить уровень поляризации, позволяющий проводить более подробное сравнение исследований.

Авторские взносы

Составил рукопись

GT. GT, KW, MS, JS и BS внесли существенный вклад в рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Бургуа Дж., Стейярт А. и Бун Дж. (2013). Физиологическая и антропометрическая прогрессия у международного гребца: тематическое исследование за 15 лет. Внутр. J. Sports Physiol. Выполнять. 9, 723–726. DOI: 10.1123 / ijspp.2013-0267

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карнес, А. Дж., И Махони, С. Э. (2018). Поляризованные и мультимодальные тренировки высокой интенсивности у бегунов-любителей. Внутр. J. Sports Physiol.Выполнять. 28, 1–28. DOI: 10.1123 / ijspp.2018-0040

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фискерстранд А. и Зайлер К. С. (2004). Тренировочные и спортивные характеристики норвежских гребцов международного класса 1970-2001 гг. Сканд. J. Med. Sci. Спорт 14, 303–310. DOI: 10.1046 / j.1600-0838.2003.370.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гибала М. Дж., Литтл Дж. П., Макдональд М. Дж. И Хоули Дж.А. (2012). Физиологическая адаптация к низкообъемным высокоинтенсивным интервальным тренировкам для здоровья и болезней. J. Physiol. 590, 1077–1084. DOI: 10.1113 / jphysiol.2011.224725

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Геллих А., Зайлер С. и Эмрих Э. (2009). Методы тренировки и распределение интенсивности юных гребцов мирового уровня. Внутр. J. Sports Physiol. Выполнять. 4, 448–460. DOI: 10.1123 / ijspp.4.4.448

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хиксон, Р.К., Бомзе, Х.А., и Холлоши, Дж. О. (1977). Линейное увеличение аэробной мощности, вызванное интенсивной программой упражнений на выносливость. J. Appl. Physiol. Респир. Environ. Упражнение. Physiol. 42, 372–376. DOI: 10.1152 / jappl.1977.42.3.372

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ингхэм, С. А., Картер, Х., Уайт, Г. П., и Дуст, Дж. Х. (2008). Физиологические эффекты и эффективность тренировок по гребле с низкой и смешанной интенсивностью. Med. Sci. Спортивные упражнения. 40, 579–584. DOI: 10.1249 / MSS.0b013e31815ecc6a

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Миланович, З. , Спориш, Г., и Вестон, М. (2015). Эффективность высокоинтенсивных интервальных тренировок (HIT) и непрерывных тренировок на выносливость для улучшения VO2max: систематический обзор и метаанализ контролируемых испытаний. Sports Med. 45, 1469–1481. DOI: 10.1007 / s40279-015-0365-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Нил, К.М., Хантер А. М., Бреннан Л., О’салливан А., Гамильтон Д. Л., Де Вито Г. и др. (2013). Шесть недель поляризованного распределения интенсивности тренировки приводят к большей физиологической адаптации и адаптации, чем пороговая модель у тренированных велосипедистов. J. Appl. Physiol. 114, 461–471. DOI: 10.1152 / japplphysiol.00652.2012

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Плевс, Д. Дж., И Лаурсен, П. Б. (2017). Распределение интенсивности тренировок в течение четырехлетнего цикла у олимпийских чемпионов по гребле: разные дороги ведут к рио. Внутр. J. Sports Physiol. Выполнять. 27, 1–24. DOI: 10.1123 / ijspp.2017-0343

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Plews, D. J., Laursen, P. B., Kilding, A. E., and Buchheit, M. (2014). Вариабельность сердечного ритма и распределение интенсивности тренировок у профессиональных гребцов. Внутр. J. Sports Physiol. Выполнять. 9, 1026–1032. DOI: 10.1123 / ijspp.2013-0497

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зайлер, К.S., and Kjerland, G. Ø. (2006). Количественная оценка распределения интенсивности тренировок у элитных спортсменов на выносливость: есть ли доказательства «оптимального» распределения? Сканд. J. Med. Sci. Спорт 16, 49–56. DOI: 10.1111 / j.1600-0838.2004.00418.x

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зайлер, С. (2010). Как лучше всего распределять интенсивность и продолжительность тренировок у спортсменов на выносливость? Внутр. J. Sports Physiol. Выполнять. 5, 276–291. DOI: 10.1123 / ijspp.5.3.276

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штёггл, Т., и Сперлих, Б. (2014). Поляризованные тренировки оказывают большее влияние на ключевые параметры выносливости, чем пороговые, высокоинтенсивные или большие объемы тренировок. Фронт. Physiol. 5:33. DOI: 10.3389 / fphys.2014.00033

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штёггл, Т. Л., и Сперлих, Б. (2015). Распределение интенсивности тренировок среди хорошо подготовленных и высококвалифицированных спортсменов на выносливость. Фронт. Physiol. 6: 295. DOI: 10.3389 / fphys.2015.00295

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Tønnessen, E., Sylta,., Haugen, T.A., Hem, E., Svendsen, I.S, and Seiler, S. (2014). Дорога к золоту: тренировочные и пиковые характеристики в году, предшествовавшем золотой медали в соревнованиях на выносливость. PLoS One 9: e101796. DOI: 10.1371 / journal.pone.0101796

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Трефф, Г. , Винкерт, К., Саребан М., Стейнакер Дж. М., Беккер М. и Сперлих Б. (2017). Одиннадцатинедельная подготовка, включающая поляризованное распределение интенсивности, не превосходит пирамидальное распределение у национальных элитных гребцов. Фронт. Physiol. 8: 515. DOI: 10.3389 / fphys.2017.00515

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Поляризация

Определения поляризатора

Характеристики поляризатора

обычно характеризуются следующими характеристиками:

k 1 : Основной коэффициент пропускания или вносимые потери – это пропускание линейно поляризованного падающего света с поляризатором, ориентированным на максимальное пропускание.

k 2 : Незначительный коэффициент пропускания или эффективность блокировки – это пропускание линейно поляризованного света с поляризатором, ориентированным на минимальное пропускание.

Другие рабочие характеристики, которые могут быть получены из значений k1 и k2 или непосредственно измерены:

k 1 / k 2 : основной коэффициент пропускания или контраст.

T T : Полный коэффициент пропускания, это пропускание одного поляризатора в неполяризованном падающем свете = (k 1 + k 2 ) / 2

H 0 : Коэффициент пропускания в открытом состоянии, (k 1 2 + k 2 2 ) / 2, это коэффициент пропускания двух поляризаторов, ориентированных на максимальное пропускание в неполяризованном падающем свете.

H 90 : закрытый коэффициент пропускания, k 1 k 2 , это коэффициент пропускания двух поляризаторов, ориентированных на минимальное пропускание в неполяризованном падающем свете.

Степень поляризации и коэффициент экстинкции

Линейные поляризаторы обладают поляризационными свойствами, которые обычно определяются степенью эффективности поляризации (P) и коэффициентом экстинкции (ρ p ), которые могут изменяться в зависимости от длины волны и угла падения.

P = (k 1 – k 2 ) / (k 1 + k 2 ) ρ p = k 1 / k 2

Угол приема

Угол приема – это максимальное отклонение от расчетного угла падения, при котором поляризатор все еще будет работать в пределах своих технических характеристик. Углы падения 0 ° или 45 ° или угол Брюстера – вот где большинство поляризаторов оптимально сконструированы для работы.

Порог поражения

Материал, который используется при производстве поляризатора, и фактическая конструкция поляризатора вместе определяют порог лазерного повреждения.Двулучепреломляющие поляризаторы имеют самый высокий порог лазерного повреждения. Светоделители, которые представляют собой две склеенные вместе оптики, будут иметь низкий порог лазерно-индуцированного повреждения, а двулучепреломляющие поляризаторы с воздушным разнесением имеют высокий порог лазерно-индуцированного повреждения.

Дихроичные поляризаторы

Механизм поляризации в дихроичном поляризаторе – избирательное поглощение и пропускание падающего излучения. Дихроичный – это избирательное поляризационное поглощение анистотропного поляризующего материала, также называемое диаттенюацией.Анизотропный означает, что материал проявляет физическое свойство, заключающееся в том, что он имеет различное значение при измерении в разных направлениях. Примеры включают ориентированные молекулы полимера и вытянутые наночастицы. Дихроичные поляризаторы демонстрируют ограниченные пороги повреждения и устойчивость к окружающей среде, при этом стеклянные дихроичные поляризаторы работают в этих областях лучше, чем пластиковые дихроичные поляризаторы. Дихроичные поляризаторы полезны, когда для приложения требуются очень большие апертуры. Они также используются для микроскопии, визуализации и отображения.

Полимерные поляризаторы

Прецизионные линейные поляризаторы конструируются путем ламинирования тонкой, вытянутой и окрашенной полимерной поляризационной пленки между двумя окнами из стекла с высокоточным просветляющим покрытием или окошками из плавленого кварца. Полимер был растянут и подвергнут напряжению в одном направлении, чтобы выровнять длинные молекулы полимера для создания эффекта фильтрации, который позволяет световым волнам, колеблющимся параллельно направлению напряжения, проходить, блокируя их поляризацию.Полученный в результате компактный компонент идеально подходит для плотностей потока ниже 1 Вт / см2. Полимерные поляризаторы используются во всем видимом спектре.

Тонкопленочные поляризаторы

Превосходные характеристики поляризатора высокой энергии достигаются за счет усовершенствованного дизайна покрытия и тщательных производственных процедур. Эта оптика была разработана для использования в некоторых из самых требовательных лазеров в мире. Некоторые покрытия поляризатора оптимизированы для использования с лазерами Nd: YAG.Когда эти поляризаторы установлены под углом Брюстера, коэффициенты экстинкции превышают 100: 1. Тонкопленочные поляризаторы также оптимизированы для ультракоротких импульсов. Эти тонкопленочные поляризаторы были разработаны для обеспечения превосходных характеристик в сверхбыстрых регенеративных усилителях на основе Ti: Sapphire. Хотя длительность импульсов в этих усилителях относительно велика, дисперсия импульсов все еще является проблемой, если необходимо поддерживать ширину импульса в повторно сжатом импульсе. Многократные обходы усилителя многократно влияют на дисперсионные характеристики любой оптики в резонаторе.По этой причине были предприняты значительные усилия при разработке и испытании этих поляризаторов на предмет минимальной дисперсии импульсов.

Кристаллические линейные поляризаторы кальцита

Линейные поляризаторы

Calcite используют двойное лучепреломление в кристаллических материалах для изменения поляризации падающего света. Передача желаемой поляризации и отклонение остающегося света напрямую связаны с показателем преломления двулучепреломляющих материалов, а также с углами разреза между кристаллами.Кристаллические поляризаторы обычно состоят из двух кристаллов с двойным лучепреломлением, вырезанных и выровненных по определенным кристаллическим осям для достижения определенного результата поляризационного поведения. Кристаллические поляризаторы обладают высокой оптической чистотой, что идеально подходит для широкого спектра лазерных приложений, требующих высоких пороговых значений повреждения с оптимизированными коэффициентами экстинкции. Эти поляризаторы имеют высокий коэффициент ослабления до 100 000: 1 и заключены в монтажный корпус из анодированного алюминия. Поляризаторы включают поляризаторы кальцита Глана-лазера, поляризаторы кальцита Глана-Томпсона, вращающиеся поляризаторы кальцита Глана-Томпсона и поляризационные призмы Волластона кальцита.

Поляризационные кубические светоделители

Поляризационные кубические светоделители

состоят из пары прецизионных прямоугольных призм, которые тщательно оптически соединены или скреплены вместе, чтобы минимизировать искажение волнового фронта. На гипотенузу одной из призм нанесено диэлектрическое покрытие. Поляризационные светоделители предназначены для разделения света на два – отраженный S-поляризованный и прошедший P-поляризованный луч. Их можно использовать для разделения неполяризованного света в соотношении 50/50, а также для разделения поляризации, включая оптическую изоляцию.

Волоконно-оптические поляризационные компоненты

Поляризация в волоконной оптике – очень важная характеристика, которая может использоваться в любых волоконно-оптических измерениях или системах. Волоконно-оптические устройства управления поляризацией включают контроллеры ручной поляризации, сумматоры и разделители поляризационного луча, волоконно-оптические линейные поляризаторы, соединители с фиксированным соотношением, поддерживающие порларизацию, волоконно-оптические зеркала-вращатели Фарадея и волоконно-оптические деполяризаторы.

Эти специальные оптические волокна позволяют распространяться только в одном состоянии поляризации.Введенный свет с любым другим направлением поляризации будет иметь значительные оптические потери и не будет распространяться по оптоволокну. Поляризационные волокна спроектированы так, чтобы демонстрировать крайнее двойное лучепреломление, в результате чего через волокно направляется только свет с желаемым направлением поляризации, при этом все другие направления поляризации имеют очень высокие потери. Поляризационные волокна обладают рядом преимуществ по сравнению с линейными поляризаторами, в том числе меньшими вносимыми потерями, более высоким коэффициентом экстинкции, а также отсутствием сложных компонентов в сборе и упаковке.

Линейная поляризация – обзор

IC Принцип поляризационно-независимых (линейных) оптических изоляторов

Хорошо известно, что когда свет с линейной плоскостью поляризации распространяется по оптическому волокну, его состояние поляризации не сохраняется и оно меняется со временем из-за несовершенства (двойного лучепреломления) волокна. Следовательно, при использовании в оптоволоконной системе желательно оптическое устройство с характеристиками, не зависящими от изменения поляризации.Для этого разработан независимый от поляризации оптический изолятор. Независимые от поляризации оптические изоляторы обычно соединяются с входными и выходными волокнами и также называются линейными изоляторами.

Работа поляризационно-независимых оптических изоляторов основана на двух принципах; один основан на поляризационном расщеплении и рекомбинации, а другой основан на преобразовании антисимметричного поля.

Оптические изоляторы на основе поляризационного расщепления и рекомбинации используют кристаллы двойного лучепреломления для разделения входящего луча на два луча с ортогональной поляризацией, а затем рекомбинируют два луча после прохождения через вращатель Фарадея.Две типичные конфигурации поляризационно-независимых оптических изоляторов показаны на рис. 2 и 3. Основное различие заключается в структуре двулучепреломляющего материала. В одном используется клиновидный материал, а в другом – пластинчатый материал с двойным лучепреломлением.

РИСУНОК 2. Конструкция и принципы действия двулучепреломляющего клинового одноступенчатого поляризационно-независимого оптического изолятора: (а) работа в прямом направлении и (б) работа в обратном направлении.

РИСУНОК 3. Конструкция и принципы действия параллельного двулучепреломляющего пластинчатого одноступенчатого поляризационно-независимого оптического изолятора: (а) работа в прямом направлении и (б) работа в обратном направлении.

Как показано на рис. 2, два клина с двойным лучепреломлением с оптическими осями под углом 45 градусов друг к другу используются для разделения и комбинирования поляризации, а вращатель Фарадея для вращения на 45 градусов вставлен между двумя клиньями. Во время работы в прямом направлении (рис. 2а) световой пучок с произвольной поляризацией попадает в коллимирующую линзу через входное волокно. После прохождения через первый клин двулучепреломления коллимированный луч разделяется на два луча с ортогональными состояниями поляризации.Оптическая ось первого клина двулучепреломления выбрана таким образом, чтобы полученные два луча выходили из клина под двумя разными углами. Вращатель Фарадея поворачивает поляризацию обоих лучей на 45 градусов, и повернутые поляризацией лучи проходят через второй клин двулучепреломления. Оптическая ось второго клина с двойным лучепреломлением выбирается так, чтобы угол между двумя лучами, выходящими из клина, снова становился одинаковым. Наконец, два параллельных луча проходят через фокусирующую линзу и попадают в выходное волокно. Поскольку два луча имеют одинаковый угол и смещение между двумя лучами очень мало, два луча могут быть связаны с выходным волокном с очень высокой эффективностью (то есть с очень небольшими вносимыми потерями).

В обратном направлении (рис. 2b), когда любой световой луч с произвольной поляризацией запускается в выходное волокно, световой луч коллимируется выходной линзой. После прохождения через выходной клин двулучепреломления коллимированный луч разделяется на два луча с ортогональными состояниями поляризации.Вращатель Фарадея поворачивает поляризацию обоих лучей на 45 градусов, и повернутые поляризацией лучи проходят через входной клин двулучепреломления. Из-за невзаимности фарадеевского вращения состояния поляризации этих двух лучей меняются местами по сравнению с их исходными состояниями, когда световой луч запускается из входного порта. Следовательно, после прохождения через входной клин двулучепреломления угловая разница между двумя лучами еще больше увеличивается. Входная линза преобразует эту угловую разницу в разделение позиций, и два луча фокусируются в пространственные положения вдали от входного волокна. Следовательно, свет, идущий в обратном направлении, не может быть введен во входное волокно. Изоляция этих типов изоляторов зависит от угла клиньев и производительности вращателя Фарадея. Для изготовления клина обычно используются материалы с двойным лучепреломлением, такие как ниобат лития, рутил, кальцит и YVO 4 .

Другой тип оптических изоляторов на основе поляризационного расщепления и комбинирования основан на параллельных двулучепреломляющих пластинах. В изоляторе этого типа световой луч разделяется на два параллельных луча и снова объединяется в единый луч после прохождения через вращатель Фарадея.Таким образом, изолятор сам по себе представляет собой самодостаточный блок, и этот тип изолятора обычно размещается рядом с фокусной точкой линзы, а не в коллимированном пучке. Существует много различных конструкций, основанных на этом методе, и одна из них показана на рис. 3. В этой конструкции используются две двулучепреломляющие параллельные пластины, вращатель Фарадея и полуволновая пластина, а также оптическая ось половины -волновая пластина ориентирована под углом 22,5 градуса к оси ординат. Изолятор расположен в задней фокусной точке линз.Принцип работы показан на рис. 4, где кружки показывают положение световых лучей, а стрелки внутри кружков показывают состояние поляризации каждого луча.

РИСУНОК 4. Подробные принципы работы изолятора, показанного на рис. 4: (a) работа в прямом направлении и (b) работа в обратном направлении, где кружки показывают положения луча, а стрелки в кружке показывают направление поляризации балки.

В прямом направлении (рис. 4а) входной луч разделяется на два луча с ортогональной поляризацией первой двулучепреломляющей пластиной.Направление поляризации двух лучей поворачивается на 45 градусов после прохождения через полуволновую пластину и еще на 45 градусов вращателем Фарадея. Поскольку направление расщепления луча второй двулучепреломляющей пластины спроектировано так, чтобы быть противоположным направлению луча первой пластины, два повернутых поляризации луча полностью рекомбинируют второй двулучепреломляющей пластиной без каких-либо потерь.

В обратном направлении (рис. 4b) световой луч разделяется на два луча с ортогональной поляризацией второй двулучепреломляющей пластиной, и их направления поляризации меняются вращателем Фарадея и полуволновой пластиной.Из-за невзаимности фарадеевского вращения направления поляризации двух лучей, достигающих первой двулучепреломляющей пластины, становятся противоположными направлению светоделения пластины; поэтому два луча еще больше смещаются от входного волокна. Если смещение достаточно велико, свет, распространяющийся в обратном направлении, не попадет во входное волокно, что обеспечит хорошую изоляцию. Характеристики этих типов изоляторов зависят от размера пучка, смещения и характеристик вращателя Фарадея и волновой пластины.Двулучепреломляющие материалы, такие как рутил, кальцит и YVO 4 , обычно используются для изготовления пластин из-за их большого двойного лучепреломления.

Другой тип поляризационно-независимого оптического изолятора основан на антисимметричном преобразовании поля (или многолучевой интерференции). Принципиальная схема типичной конструкции изолятора этого типа показана на рис. 5а. Главной особенностью этого типа изолятора является отказ от использования материалов с двойным лучепреломлением, что может привести к потенциальному снижению затрат.В структуре, показанной на рис. 5а, коллимирующая линза используется для коллимирования светового луча, выходящего из входного волокна, а фокусирующая линза используется для ввода коллимированного луча обратно в выходное волокно. Коллимированный луч делится на два дополнительных луча; один дополнительный луч проходит через вращатель Фарадея для вращения на 45 градусов, а другой дополнительный луч проходит через возвратно-поступательный вращатель, такой как полуволновая пластина. Угол поворота вращателя Фарадея и полуволновой пластины выбирается таким образом, чтобы в прямом направлении разность фаз между двумя сублучами была равна нулю, а в обратном направлении разность фаз составляла π из-за невзаимного вращения Фарадея.Следовательно, в прямом направлении два дополнительных луча образуют симметричное распределение поля в выходном волокне и могут распространяться в волокне без каких-либо потерь. Однако в обратном направлении из-за несогласованности фаз между двумя лучами на конце входного волокна формируется антисимметричное поле, как показано на рис. 5b. Поскольку это антисимметричное поле соответствует более высокой моде одномодового волокна и не может распространяться через одномодовое волокно, обратный свет будет просачиваться как свет моды оболочки.Следовательно, эти типы изоляторов работают как оптические изоляторы только при использовании вместе с одномодовыми оптическими волокнами. Дифракционные потери являются основной причиной вносимых потерь в изоляторах этих типов. Чтобы минимизировать потери, желательно хорошее качество кромки и лучи большого диаметра.

РИСУНОК 5. Конструкция и принцип действия одноступенчатого поляризационно-независимого оптического изолятора с антисимметричным преобразованием поля: (a) конструкция и (b) принцип действия.

Изолятор с антисимметричным преобразованием поля также может быть выполнен в виде волновода, как показано на рис. 6. Во время работы свет, попадающий во входное волокно, разделяется на два луча и направляется в два разных волновода с помощью волновода с Y-разветвлением. В каждом волноводе свет проходит через полуволновую пластину и волновод Фарадея, а затем два луча объединяются другим волноводом с Y-ветвлением. Изолятор может быть реализован путем оптимизации фазы между двумя лучами. Потенциальные преимущества волноводного устройства заключаются в более низкой стоимости производства, компактных размерах и стабильных рабочих характеристиках. Однако, как правило, потери связи от волновода к оптическому волокну все еще высоки, и также трудно интегрировать материал Фарадея в волновод.Поэтому оптические изоляторы волноводного типа еще не получили широкого распространения.

РИСУНОК 6. Принципиальная схема оптического изолятора с антисимметричным преобразованием поля на основе волновода.

Поляризация – Университетская физика, Том 3

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните изменение интенсивности при прохождении поляризованного света через поляризационный фильтр.
  • Рассчитайте эффект поляризации отражением и угол Брюстера
  • Опишите эффект поляризации рассеянием
  • Объясните использование поляризующих материалов в таких устройствах, как ЖК-дисплеи.

Поляризационные солнцезащитные очки знакомы большинству из нас.Они обладают особой способностью отсекать блики света, отраженного от воды или стекла ((Рисунок)). У них есть эта способность из-за волновой характеристики света, называемой поляризацией. Что такое поляризация? Как его производят? Каковы некоторые из его применений? Ответы на эти вопросы связаны с волновым характером света.

На этих двух фотографиях реки показано влияние поляризационного фильтра на уменьшение бликов в свете, отраженном от поверхности воды. Часть (b) этого рисунка была снята с поляризационным фильтром, а часть (a) – нет.В результате отражение облаков и неба, наблюдаемое в части (a), не наблюдается в части (b). Поляризационные солнцезащитные очки особенно полезны на снегу и в воде. (кредит а и кредит б: модификации работы «Amithshs» / Wikimedia Commons)

Закон Малуса

Свет – это один из типов электромагнитных (ЭМ) волн. Как отмечалось в предыдущей главе об электромагнитных волнах, электромагнитные волны – это поперечные волны , состоящие из переменных электрических и магнитных полей, которые колеблются перпендикулярно направлению распространения ((рисунок)).Однако в целом конкретных направлений колебаний электрического и магнитного полей нет; они колеблются в любой произвольно ориентированной плоскости, перпендикулярной направлению распространения. Поляризация – признак того, что колебания волны действительно имеют определенное направление относительно направления распространения волны. (Это не тот тип поляризации, который обсуждался для разделения зарядов.) Волны, имеющие такое направление, называются поляризованными.Для электромагнитной волны мы определяем направление поляризации как направление, параллельное электрическому полю. Таким образом, мы можем думать о стрелках электрического поля как о направлении поляризации, как показано на рисунке.

Электромагнитная волна, такая как свет, является поперечной волной. Электрическое и магнитное поля перпендикулярны направлению распространения. Направление поляризации волны – это направление электрического поля.

Для дальнейшего изучения рассмотрим поперечные волны в веревках, показанных на (Рисунок).Колебания в одной веревке происходят в вертикальной плоскости и считаются вертикально поляризованными. Те, что на другой веревке, находятся в горизонтальной плоскости и поляризованы по горизонтали. Если на первой веревке сделать вертикальную прорезь, волны проходят сквозь нее. Однако вертикальная щель блокирует горизонтально поляризованные волны. Для электромагнитных волн направление электрического поля аналогично возмущениям на веревках.

Поперечные колебания одного каната (a) находятся в вертикальной плоскости, а колебания другого каната (b) – в горизонтальной плоскости. Первый называется вертикально поляризованным, а второй – горизонтально поляризованным. Вертикальные щели пропускают волны с вертикальной поляризацией и блокируют волны с горизонтальной поляризацией.

Солнце и многие другие источники света создают волны, электрические поля которых имеют случайные направления ((Рисунок) (a)). Такой свет называется неполяризованным, потому что он состоит из множества волн со всеми возможными направлениями поляризации. Поляроидные материалы, которые были изобретены основателем Polaroid Corporation Эдвином Лэндом, действуют как поляризационная щель для света, позволяя проходить только поляризации в одном направлении.Поляризационные фильтры состоят из длинных молекул, ориентированных в одном направлении. Если мы представим молекулы как множество щелей, аналогичных прорезям для колеблющихся веревок, мы сможем понять, почему только свет с определенной поляризацией может пройти. Ось поляризационного фильтра – это направление, по которому фильтр пропускает электрическое поле ЭМ волны.

Тонкая стрелка представляет собой луч неполяризованного света. Жирные стрелки показывают направление поляризации отдельных волн, составляющих луч.(а) Если свет неполяризован, стрелки указывают во всех направлениях. (b) Поляризационный фильтр имеет ось поляризации, которая действует как щель, проходящая через электрические поля, параллельные его направлению. Направление поляризации электромагнитной волны определяется как направление ее электрического поля.

(рисунок) показано влияние двух поляризационных фильтров на первоначально неполяризованный свет. Первый фильтр поляризует свет вдоль своей оси. Когда оси первого и второго фильтров выровнены (параллельны), тогда весь поляризованный свет, прошедший через первый фильтр, также проходит через второй фильтр.Если второй поляризационный фильтр вращается, пропускается только составляющая света, параллельная оси второго фильтра. Когда оси перпендикулярны, второй фильтр не пропускает свет.

Эффект вращения двух поляризационных фильтров, где первый поляризует свет. (а) Весь поляризованный свет проходит через второй поляризационный фильтр, потому что его ось параллельна первому. (b) При вращении второго фильтра пропускается только часть света. (c) Когда второй фильтр перпендикулярен первому, свет не проходит.(d) На этой фотографии поляризационный фильтр расположен над двумя другими. Его ось перпендикулярна фильтру справа (темная область) и параллельна фильтру слева (более светлая область). (кредит д: модификация работы П.П. Урона)

Пропускается только составляющая ЭМ волны, параллельная оси фильтра. Назовем угол между направлением поляризации и осью фильтра. Если электрическое поле имеет амплитуду E , то прошедшая часть волны имеет амплитуду ((рисунок)).Поскольку интенсивность волны пропорциональна квадрату ее амплитуды, интенсивность I прошедшей волны связана с падающей волной соотношением

где – интенсивность поляризованной волны перед прохождением через фильтр. Это уравнение известно как закон Малуса.

Поляризационный фильтр пропускает только составляющую волны, параллельную ее оси, уменьшая интенсивность любого света, не поляризованного параллельно ее оси.

Проверьте свое понимание Хотя мы не указали направление на (Рисунок), допустим, поляризационный фильтр был повернут по часовой стрелке на, чтобы уменьшить интенсивность света на.Каким будет уменьшение интенсивности, если поляризационный фильтр повернуть против часовой стрелки на?

также

Поляризация путем отражения

К настоящему времени вы, вероятно, догадались, что поляризационные солнцезащитные очки уменьшают блики в отраженном свете, потому что этот свет поляризован. Вы можете убедиться в этом сами, держа перед собой поляризационные солнцезащитные очки и вращая их, глядя на свет, отраженный от воды или стекла. Когда вы поворачиваете солнцезащитные очки, вы заметите, что свет становится ярким и тусклым, но не полностью черным. Это означает, что отраженный свет частично поляризован и не может быть полностью заблокирован поляризационным фильтром.

(рисунок) показывает, что происходит, когда неполяризованный свет отражается от поверхности. Вертикально поляризованный свет предпочтительно преломляется на поверхности, поэтому отраженный свет остается более поляризованным по горизонтали. Причины этого явления выходят за рамки этого текста, но удобный мнемонический способ запомнить это – представить направление поляризации, подобное стрелке.Вертикальная поляризация похожа на стрелку, перпендикулярную к поверхности, и с большей вероятностью прилипнет и не отразится. Горизонтальная поляризация похожа на стрелу, подпрыгивающую на боку, и вероятность ее отражения выше. Таким образом, солнцезащитные очки с вертикальными осями блокируют больше отраженного света, чем неполяризованный свет от других источников.

Поляризация отражением. Неполяризованный свет имеет одинаковую вертикальную и горизонтальную поляризацию. После взаимодействия с поверхностью вертикальные компоненты предпочтительно поглощаются или преломляются, в результате чего отраженный свет становится более поляризованным по горизонтали.Это похоже на то, как стрелы ударяют по бокам и отскакивают от них, тогда как стрелы, ударяющие их кончиками, уходят на поверхность.

Поскольку часть света, которая не отражается, преломляется, величина поляризации зависит от показателей преломления используемых сред. Можно показать, что отраженный свет полностью поляризован под углом отражения, равным

.

, где – среда, в которой распространяется падающий и отраженный свет, и – показатель преломления среды, которая образует поверхность раздела, отражающую свет.Это уравнение известно как закон Брюстера и угол Брюстера, названный в честь открывшего их шотландского физика XIX века.

Проверьте свое понимание Что происходит под углом Брюстера, если исходный падающий свет уже имеет вертикальную поляризацию?

Будет только преломление, но не отражение.

Атомное объяснение поляризационных фильтров

Поляризационные фильтры имеют ось поляризации, которая действует как щель.Эта щель пропускает электромагнитные волны (часто видимый свет), которые имеют электрическое поле, параллельное оси. Это достигается с помощью длинных молекул, выровненных перпендикулярно оси, как показано на (Рисунок).

Длинные молекулы ориентированы перпендикулярно оси поляризационного фильтра. В электромагнитной волне составляющая электрического поля, перпендикулярная этим молекулам, проходит через фильтр, тогда как составляющая, параллельная молекулам, поглощается.

(рисунок) показывает, как поглощается составляющая электрического поля, параллельная длинным молекулам.Электромагнитная волна состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей. Электрическое поле сильнее по сравнению с магнитным полем и более эффективно воздействует на заряды в молекулах. На заряженные частицы больше всего влияют электроны, поскольку массы электронов невелики. Если электрон вынужден колебаться, он может поглощать энергию электромагнитной волны. Это уменьшает поле в волне и, следовательно, снижает ее интенсивность. В длинных молекулах электроны легче колеблются параллельно молекуле, чем в перпендикулярном направлении.Электроны связаны с молекулой и более ограничены в своем движении перпендикулярно молекуле. Таким образом, электроны могут поглощать электромагнитные волны, часть электрического поля которых параллельна молекуле. Электроны гораздо менее чувствительны к электрическим полям, перпендикулярным молекуле, и позволяют этим полям проходить. Таким образом, ось поляризационного фильтра перпендикулярна длине молекулы.

Схема электрона в длинной молекуле, колеблющейся параллельно молекуле.Колебание электрона поглощает энергию и снижает интенсивность составляющей электромагнитной волны, параллельной молекуле.

Поляризация рассеянием

Если вы держите поляризационные солнцезащитные очки перед собой и вращаете их, глядя на голубое небо, вы увидите, как небо становится ярким и тусклым. Это явный признак того, что свет, рассеянный воздухом, частично поляризован. (Рисунок) помогает проиллюстрировать, как это происходит. Поскольку свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, он вызывает колебания электронов молекул воздуха перпендикулярно направлению своего движения.Затем электроны излучают как маленькие антенны. Поскольку они колеблются перпендикулярно направлению светового луча, они производят электромагнитное излучение, поляризованное перпендикулярно направлению луча. При просмотре света вдоль линии, перпендикулярной исходному лучу, как на рисунке, не может быть поляризации в рассеянном свете, параллельном исходному лучу, потому что для этого потребуется, чтобы исходный луч был продольной волной. Вдоль других направлений компонент другой поляризации может проецироваться вдоль луча зрения, и рассеянный свет поляризован только частично.Кроме того, многократное рассеяние может приводить к попаданию света в глаза с других направлений и может содержать различную поляризацию.

Поляризация рассеянием. Неполяризованное рассеяние света молекулами воздуха сотрясает их электроны перпендикулярно направлению исходного луча. Следовательно, рассеянный свет имеет поляризацию, перпендикулярную исходному направлению и не параллельную исходному направлению.

Снимки неба можно затемнить с помощью поляризационных фильтров. Многие фотографы используют этот прием, чтобы сделать облака ярче по контрасту.Рассеяние от других частиц, таких как дым или пыль, также может поляризовать свет. Обнаружение поляризации в рассеянных электромагнитных волнах может быть полезным аналитическим инструментом при определении источника рассеяния.

В солнцезащитных очках используется ряд оптических эффектов. Помимо поляризации, солнцезащитные очки могут иметь вкрапленные в них цветные пигменты, тогда как в других используется неотражающее или отражающее покрытие. Недавняя разработка – фотохромные линзы, которые темнеют на солнечном свете и становятся прозрачными в помещении. В фотохромные линзы встроены органические микрокристаллические молекулы, которые меняют свои свойства при воздействии ультрафиолета на солнце, но становятся прозрачными при искусственном освещении без ультрафиолета.

Жидкие кристаллы и другие эффекты поляризации в материалах

Хотя вы, несомненно, знаете о жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях), которые используются в часах, калькуляторах, экранах компьютеров, мобильных телефонах, телевизорах с плоским экраном и во многих других местах, вы можете не знать, что они основаны на поляризации.Жидкие кристаллы названы так потому, что их молекулы могут быть выровнены, даже если они находятся в жидкости. Жидкие кристаллы обладают свойством вращать поляризацию проходящего через них света. Кроме того, это свойство можно отключить, приложив напряжение, как показано на (Рисунок). Этой характеристикой можно быстро манипулировать в небольших четко определенных областях, чтобы создать контрастные узоры, которые мы видим во многих ЖК-устройствах.

В ЖК-телевизорах с плоским экраном большая часть света излучается на задней панели телевизора.Свет проходит к переднему экрану через миллионы крошечных единиц, называемых пикселями (элементами изображения). Один из них показан на (Рисунок) (а) и (б). Каждый блок имеет три ячейки с красным, синим или зеленым фильтрами, каждая из которых управляется независимо. Когда напряжение на жидком кристалле отключается, жидкий кристалл пропускает свет через определенный фильтр. Мы можем изменять контраст изображения, изменяя силу напряжения, приложенного к жидкому кристаллу.

(а) Поляризованный свет вращается жидким кристаллом и затем проходит через поляризационный фильтр, ось которого перпендикулярна направлению исходной поляризации.(b) Когда на жидкий кристалл подается напряжение, поляризованный свет не вращается и блокируется фильтром, делая область темной по сравнению с окружающей средой. (c) ЖК-дисплеи можно сделать цветными, маленькими и достаточно быстрыми для использования в портативных компьютерах и телевизорах. (кредит c: модификация работы Джейн Уитни)

Многие кристаллы и растворы вращают плоскость поляризации проходящего через них света. Такие вещества считаются оптически активными. Примеры включают сахарную воду, инсулин и коллаген ((Рисунок)).В дополнение к зависимости от типа вещества, величина и направление вращения зависят от ряда других факторов. Среди них концентрация вещества, расстояние, на которое свет проходит через него, и длина волны света. Оптическая активность обусловлена ​​асимметричной формой молекул в веществе, например спиральной. Таким образом, измерения вращения поляризованного света, проходящего через вещества, можно использовать для измерения концентраций, что является стандартным методом для сахаров. Он также может дать информацию о форме молекул, таких как белки, и факторах, влияющих на их форму, таких как температура и pH.

Оптическая активность – это способность некоторых веществ вращать плоскость поляризации проходящего через них света. Вращение регистрируется поляризационным фильтром или анализатором.

Стекло и пластик становятся оптически активными при напряжении: чем больше напряжение, тем сильнее эффект. Анализ оптических напряжений сложных форм может быть выполнен путем изготовления их пластиковых моделей и наблюдения за ними через скрещенные фильтры, как показано на (Рисунок). Очевидно, что эффект зависит от длины волны, а также от стресса.Зависимость от длины волны иногда также используется в художественных целях.

Анализ оптического напряжения пластиковой линзы, помещенной между скрещенными поляризаторами. (Источник: «Инфопро» / Wikimedia Commons)

Еще одно интересное явление, связанное с поляризованным светом, – это способность некоторых кристаллов разделять неполяризованный луч света на два поляризованных луча. Это происходит потому, что кристалл имеет одно значение показателя преломления поляризованного света и другое значение показателя преломления света, поляризованного в перпендикулярном направлении, так что каждый компонент имеет свой собственный угол преломления. Такие кристаллы считаются двулучепреломляющими, и при правильном выравнивании из кристалла будут выходить два перпендикулярно поляризованных луча ((рисунок)). Двулучепреломляющие кристаллы можно использовать для получения поляризованных лучей из неполяризованного света. Некоторые материалы с двойным лучепреломлением предпочтительно поглощают одну из поляризаций. Эти материалы называются дихроичными и могут создавать поляризацию за счет этого предпочтительного поглощения. Так работают поляризационные фильтры и другие поляризаторы.

Двулучепреломляющие материалы, такие как обычный минерал кальцит, разделяют неполяризованные лучи света на два с двумя разными значениями показателя преломления.

Сводка

  • Поляризация – это признак того, что колебания волн имеют определенное направление относительно направления распространения волны. Направление поляризации определяется как направление, параллельное электрическому полю электромагнитной волны.
  • Неполяризованный свет состоит из множества лучей, имеющих случайные направления поляризации.
  • Неполяризованный свет можно поляризовать, пропустив его через поляризационный фильтр или другой поляризующий материал.Процесс поляризации света снижает его интенсивность в 2 раза.
  • Интенсивность, I , поляризованного света после прохождения через поляризационный фильтр равна, где – интенсивность падающего света, а – угол между направлением поляризации и осью фильтра.
  • Поляризация также возникает за счет отражения.
  • Закон Брюстера гласит, что отраженный свет полностью поляризован под углом отражения, известным как угол Брюстера.
  • Поляризация также может быть получена путем рассеяния.
  • Несколько типов оптически активных веществ вращают направление поляризации проходящего через них света.

Концептуальные вопросы

Может ли звуковая волна в воздухе быть поляризованной? Объяснять.

Нет. Звуковые волны – это не поперечные волны.

Свет не проходит через два идеальных поляризационных фильтра с перпендикулярными осями. Однако, если третий поляризационный фильтр расположен между двумя исходными, часть света может пройти. Почему это? При каких обстоятельствах проходит большая часть света?

Объясните, что происходит с энергией, переносимой светом, когда он ослабляется, пропуская ее через два скрещенных поляризационных фильтра.

Энергия поглощается фильтрами.

Когда частицы, рассеивающие свет, намного меньше его длины волны, величина рассеяния пропорциональна. Означает ли это, что для малого больше рассеяния, чем для большого? Как это связано с тем, что небо голубое?

Используя информацию, приведенную в предыдущем вопросе, объясните, почему закаты красные.

Закаты наблюдаются при движении света прямо от Солнца к нам. Когда синий свет рассеивается с этого пути, оставшийся красный свет доминирует в общем виде заходящего Солнца.

Когда свет отражается под углом Брюстера от гладкой поверхности, он поляризуется параллельно поверхности. Часть света будет преломляться в поверхность. Опишите, как вы бы провели эксперимент по определению поляризации преломленного света. В каком направлении, по вашему мнению, будет поляризация, и в каком направлении она будет?

Если вы лежите на пляже и смотрите на воду, слегка наклонив голову набок, ваши поляризованные солнцезащитные очки не работают.Почему нет?

Ось поляризации солнцезащитных очков повернута.

Дополнительные проблемы

Из своих измерений Ремер подсчитал, что свету требуется 22 минуты, чтобы пройти расстояние, равное диаметру орбиты Земли вокруг Солнца. (а) Используйте эту оценку вместе с известным диаметром орбиты Земли, чтобы получить приблизительное значение скорости света. (б) Свету на самом деле требуется 16,5 минут, чтобы пройти это расстояние. Используйте это время, чтобы вычислить скорость света.

Корню выполнил измерение скорости света Физо с помощью колеса диаметром 4,00 см, содержащего 180 зубцов. Расстояние от колеса до зеркала 22,9 км. Если предположить, что он точно измерил скорость света, какова была угловая скорость колеса?

Предположим, у вас есть неизвестное прозрачное вещество, погруженное в воду, и вы хотите идентифицировать его, определив показатель преломления. Вы делаете так, чтобы луч света попадал в него под углом, и вы наблюдаете угол преломления, который должен быть.Каков показатель преломления вещества и его вероятная идентичность?

Ниже показан луч света, идущий из воздуха через верхнее стекло в воду, например, в аквариум. Вычислите величину смещения луча стеклом с учетом угла падения и толщины стекла 1,00 см.

Учитывая предыдущую проблему, покажите, что это то же самое, что было бы, если бы второй носитель отсутствовал.

Под каким углом свет внутри стекла короны полностью поляризуется при отражении от воды, как в аквариуме?

Свет, отраженный от окна, полностью поляризован. Каков показатель преломления окна и из какого вещества оно, вероятно, состоит?

(a) Свет, отраженный от драгоценного камня в кольце, полностью поляризован. Может ли драгоценный камень быть бриллиантом? б) под каким углом свет был бы полностью поляризован, если бы драгоценный камень находился в воде?

а. 1.92. Драгоценный камень не бриллиант (это циркон). б.

Если это угол Брюстера для света, отраженного от верхней части границы раздела двух веществ, и угол Брюстера для света, отраженного снизу, докажите это.

Необоснованные результаты Предположим, что свет проходит от воды к другому веществу с углом падения и углом преломления. а) Каков показатель преломления другого вещества? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

а. 0,898; б. Мы не можем этого сделать, поскольку это означало бы скорость выше c . c. Угол преломления слишком велик по сравнению с углом падения.

Необоснованные результаты Свет, идущий от воды к драгоценному камню, падает на поверхность под углом и имеет угол преломления. а) Какова скорость света в драгоценном камне? б) Что неразумного в этом результате? (c) Какие предположения необоснованны или непоследовательны?

Если поляризационный фильтр снижает интенсивность поляризованного света до

 *** QuickLaTeX не может составить формулу:
50,0 \ текст {%}

*** Сообщение об ошибке:
Файл завершился при сканировании использования \ text @.Экстренная остановка.

 

от первоначальной стоимости, насколько уменьшаются электрическое и магнитное поля?

Предположим, вы надели две пары поляризационных солнцезащитных очков, оси которых расположены под углом. Сколько времени потребуется свету, чтобы передать определенное количество энергии в ваш глаз, по сравнению с одной парой солнцезащитных очков? Предположим, что линзы прозрачные, за исключением их поляризационных характеристик.

Глоссарий

двулучепреломляющее
относится к кристаллам, которые разделяют неполяризованный луч света на два луча
Угол Брюстера
угол падения, при котором отраженный свет полностью поляризован
Закон Брюстера
, где – среда, в которой распространяется падающий и отраженный свет, и – показатель преломления среды, которая формирует границу раздела, отражающую свет
направление поляризации
направление, параллельное электрическому полю для электромагнитных волн
горизонтально поляризованный
колебаний в горизонтальной плоскости
Закон Малуса
где – интенсивность поляризованной волны перед прохождением через фильтр
оптически активный
веществ, вращающих плоскость поляризации проходящего через них света
поляризация
считают, что колебания волн имеют определенное направление относительно направления распространения волны
поляризованный
относится к волнам, имеющим колебания электрического и магнитного поля в определенном направлении.
неполяризованный
относится к волнам со случайной поляризацией
с вертикальной поляризацией
колебаний в вертикальной плоскости

Расчет спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости как функции температуры для

Температурная зависимость спонтанной поляризации P рассчитана в сегнетоэлектрической фазе KH 2 PO 4 (KDP) при атмосферном давлении ( T C = 122 K).Также рассчитана диэлектрическая проницаемость ε при различных температурах в параэлектрической фазе KDP при атмосферном давлении. Для этого расчета P и ε путем подгонки наблюдаемых комбинационных частот мягкой моды получены микроскопические параметры модели чистого туннелирования. В этой модели взаимодействие протонов с решеткой не рассматривается, а коллективная протонная мода отождествляется с откликом системы в мягкой моде. Наши расчеты показывают, что спонтанная поляризация непрерывно уменьшается в сегнетоэлектрической фазе по мере приближения к температуре перехода T C . Кроме того, диэлектрическая проницаемость уменьшается с повышением температуры и расходится вблизи температуры перехода ( T C = 122 K) для KDP в соответствии с законом Кюри-Вейсса.

1. Введение

Дигидрофосфат калия (KH 2 PO 4 или KDP) претерпевает фазовый переход при = 122 K при атмосферном давлении [1]. В параэлектрической фазе он имеет пространственную группу, тогда как в сегнетоэлектрической фазе его пространственная группа составляет Fdd2 .Параэлектрическая фаза имеет тетрагональную структуру с четырьмя группами K-PO 4 в элементарной ячейке, а тетраэдрические группы PO 4 соединены связями O – HO. В этой фазе протоны случайным образом распределяются между двумя эквивалентными минимумами двухъямного потенциала. Ниже в сегнетоэлектрической фазе протоны занимают один минимум этого двухъямного потенциала, так что переход происходит за счет этого упорядочения протонов. Таким образом, спонтанная поляризация, которая растет при понижении температуры ниже в сегнетоэлектрической фазе, параллельна оси c и в основном обусловлена ​​движением протонов в KDP.Это происходит, когда протоны туннелируют из одного минимума двухъямного потенциала в другой, что рассматривается в модели чистого туннелирования [1–5]. Однако считалось, что движение протона связано с оптической модой решетки в KDP, как исследовал Кобаяши [6] в модели связанных протонно-оптических мод. В модели чистого туннелирования было показано, что коллективная протон-протонная туннельная мода представляет собой мягкую моду [4], тогда как в модели связанных мод мягкая мода является более низкочастотной ветвью связанной системы [6].Мягкая мода экспериментально наблюдалась в спектрах комбинационного рассеяния света KDP [7–9]. При высоких давлениях мягкая мода экспериментально наблюдалась и в сегнетоэлектрической фазе KDP [10]. Зависимость мягкой моды от волнового вектора была обнаружена при давлениях выше 40 кбар [11]. Недавно мы вычислили рамановскую частоту и константу затухания в KH 2 PO 4 [12].

В этой работе мы рассчитываем спонтанную поляризацию на основе наблюдаемых комбинационных частот коллективной протонной моды, которая ведет себя как отклик мягкой моды модели чистого туннелирования.Путем экстраполяции рамановских частот этой моды на нулевое давление, которые были измерены при различных температурах в зависимости от давления [10] в сегнетоэлектрической фазе KDP, рассчитывается температурная зависимость спонтанной поляризации. Этот расчет выполнен в отсутствие протонно-решеточного взаимодействия для KDP. Мы также рассчитали здесь температурную зависимость диэлектрической проницаемости в параэлектрической фазе KDP, используя модель чистого туннелирования. Для этого расчета взаимодействие протонов с решеткой также не учитывается, а критическое поведение диэлектрической проницаемости предсказывается близко к параэлектрической фазе KDP.

Ниже, в разделе 2, мы даем теоретическую схему наших расчетов спонтанной поляризации и диэлектрической проницаемости. В разделе 3 мы приводим наши результаты. В разделах 4 и 5 представлены наши обсуждения и выводы, соответственно.

2. Теория

Используя микроскопическую теорию, механизм фазового перехода в KDP объясняется в основном двумя моделями, а именно, туннельной моделью протона и моделью связанных протонно-оптических мод. Упорядочение протонов, которое туннелирует между двумя минимумами двухъямного потенциала на связях O – HO, как исследовал Слэйтер [1], вызывает коллективные возбуждения протонов.Этот коллективный режим протон-протонного туннелирования рассматривается как мягкий режим, когда протоны не взаимодействуют с решеткой [4]. В связи с тем, что спонтанная поляризация (параметр порядка) не имеет больших значений в этой модели чистого туннелирования, коллективная туннельная мода протонов взаимодействует с поперечной оптической модой (взаимодействие протон-решетка) в модели связанной протонно-оптической моды, в трактовке Кобаяши [6]. В предыдущем исследовании мягкая мода и связанные моды в параэлектрической и сегнетоэлектрической фазах KDP были экспериментально исследованы, и экспериментальные результаты были проанализированы с использованием моделей как туннельной, так и связанной протонно-оптической моды [10].В данной работе мы рассчитываем температурную зависимость спонтанной поляризации (параметра порядка) и диэлектрической проницаемости в рамках модели чистого туннелирования с использованием наблюдаемых комбинационных частот [10] мягкой моды в KDP.

2.1. Модель туннелирования

В модели туннелирования протон может занимать два эквивалентных минимума потенциала, задаваемых значениями псевдоспина ± 1/2. Протоны могут туннелировать между двумя минимумами, а уровни энергии двухъямного потенциала разделены Δ E = 2 ħ Ом, где Ω – частота туннелирования.

Можно предположить, что протонный гамильтониан состоит из одночастичного вклада и вклада, обусловленного протон-протонным взаимодействием [3], выраженного как где ( α = x , y , z ) представляет α компонент псевдоспина и является параметром взаимодействия между протонами ближайшего соседа. Протонный гамильтониан может быть решен в приближении среднего поля выше температуры перехода в терминах коллективной частоты возбуждения протонов Ω 0 , как указано в предыдущем исследовании [10], В (2) J представляет собой преобразование Фурье как параметр взаимодействия между протонами ближайшего соседа и определяется как По мере приближения к температуре перехода, когда связь протон-решетка отсутствует, можно предположить, что частота коллективного возбуждения исчезает (Ω 0 → 0), что приводит к [10]

с использованием (2) и (3) с температурой перехода →.

Согласно туннельной модели, диэлектрическая проницаемость может быть получена как функция температуры [13] где – диэлектрическая проницаемость решетки, не зависящая от температуры. Температурная зависимость диэлектрической проницаемости определяется вторым членом в (5), который представляет собой вклад мягкой моды в ε ( T ). В (5) N, – количество диполей в единице объема, а μ – электрический дипольный момент.

Температурную зависимость диэлектрической проницаемости ε ( T ) вблизи температуры перехода в параэлектрической фазе можно получить, разложив (5) на около, что дает закон Кюри-Вейсса, выраженный как где постоянная Кюри определяется как Относительно диэлектрической проницаемости ε (), температурная зависимость параметра порядка (спонтанная поляризация) также может быть получена в модели туннелирования, как указано в предыдущем исследовании [10], где представляет собой псевдоспины, направленные вдоль оси z .Поскольку спонтанная поляризация (параметр порядка) определяется только в сегнетоэлектрической фазе, в параэлектрической фазе. При очень низких температурах насыщенная спонтанная поляризация получается как для модели чистого туннелирования [10]. Чтобы получить температурную зависимость спонтанной поляризации (параметра порядка), подставим (3) в (8), так как вблизи температуры перехода можно заменить псевдоспинов на ось z .Тогда это дает температурную зависимость спонтанной поляризации как

Температурную зависимость частоты коллективного возбуждения протонов Ω 0 можно также получить, отождествив ее с частотой отклика мягкой моды w _ [4, 10]. Экспериментально зависимость w _ от давления при постоянных температурах и ее температурная зависимость при 6.54 кбар наблюдались для KDP [10]. В предположении отсутствия протонно-решеточного взаимодействия путем подстановки (3) и (4) в (2) температурная зависимость Ω 0 или частота отклика мягкой моды w _ может быть выражена как где – температура перехода, как и раньше.

3. Расчеты и результаты

Здесь были рассчитаны температурная зависимость спонтанной поляризации и диэлектрическая проницаемость KDP. Для этого расчета параметр взаимодействия J и частота туннелирования Ω были определены путем подгонки (11) к наблюдаемым данным для частоты отклика мягкой моды w _ при различных температурах при нулевом давлении [10]. Экстраполированные значения наблюдаемого w _ для различных температур при нулевом давлении, приведенные в таблице 1 для сегнетоэлектрической фазы KDP [10], были использованы для определения подгоночных параметров Ω и в (11).Определенные подгоночные параметры Ω и приведены в таблице 2. Для определения параметра взаимодействия J между протонами ближайшего соседа при температуре перехода Ω = 54,5 см −1 и K при нулевом давлении использовались в ( 4) для ДПК. Константа Кюри также была определена с использованием значения J при и значения Ω согласно (7), которое представлено в виде отношения в таблице 2. На рисунке 1 показано отношение спонтанной поляризации к насыщенной поляризации, которое было вычислено. согласно (9) и (10), где использовалось см −1 , как функция температуры ниже температуры перехода (K) в сегнетоэлектрической фазе KDP.Наконец, диэлектрическая проницаемость была рассчитана как функция температуры выше температуры перехода K в параэлектрической фазе в соответствии с (6), как показано на рисунке 2. Здесь значение насыщения спонтанной поляризации было рассчитано как отношение использования Ω и значения J согласно (9), как указано в таблице 2.

19

(K) w _ (см -1 )

45 150.1
60 148,9
80 145,3
90 142,7

– (K) (см −1 ) J (см −1 ) (K / C 2 см −1 ) /

122 1.35 54,5 384,6 1,65 0,824



4. Обсуждение температурной поляризации

с использованием модели чистого туннелирования sp, фаза (рис. 1) и диэлектрической проницаемости в параэлектрической фазе (рис. 2) при нулевом давлении. Для этого расчета использовались наблюдаемые [10] частоты комбинационного рассеяния мягкой моды, которые уменьшаются с увеличением температуры при нулевом давлении (таблица 1).

Спонтанная поляризация непрерывно уменьшается по мере увеличения температуры до температуры перехода при нулевом давлении (Рисунок 1). Это мягкий режим, при котором частота резко уменьшается с приближением температуры. Фактически было получено, что для модели чистого туннелирования частота мягкой моды напрямую связана со спонтанной поляризацией согласно соотношению в сегнетоэлектрической фазе KDP [13, 14]. Это указывает на то, что механизм фазового перехода в KDP, который связан с частотой w _ мягкой моды, обусловлен упорядочением протонов в одном минимуме двухъямного потенциала в этом сегнетоэлектрическом материале.

Частота отклика мягкой моды w _, как это было впервые экспериментально обнаружено в KDP [7], представляет собой сильно затухающий отклик с центром на w = 0 в рамановском спектре, как также указывалось ранее [10]. Коллективная мода протон-протонного туннелирования Ω 0 была взята здесь как частота отклика мягкой моды w _, поскольку она демонстрирует характер мягкой моды в отсутствие взаимодействий протон-решетка [4, 10]. Температурную зависимость частоты мягкой моды w _ можно описать следующим образом: где T _ отличается от _ при наличии оптико-акустического взаимодействия мод [10].Был сделан вывод [10], что движение протона сильно связано с оптической модой решетки, так что при упорядочении протонов взаимодействие протон-решетка приводит к искажению подрешеток K-PO 4 с образованием спонтанной поляризация в модифицированной модели туннелирования или модели связанных протонно-оптических мод [6]. Что касается модели протон-протонного туннелирования, (13) также может использоваться для модели протон-протонного туннелирования в случае, когда частота туннелирования протонов Ω берется как зависящая от температуры.

Отклик в мягкой моде также отображает температурную зависимость рамановской частоты w _ вблизи перехода при при постоянном давлении 6,54 кбар, как экспериментально наблюдалось в KDP [10]. Было указано, что различие между и в первую очередь связано с взаимодействием оптико-акустических мод в KDP. Также было указано, что этот переход происходит при ~ 86 К, когда w _ обращается в нуль для модели связанных протонно-оптических мод, тогда как для модели чистого туннелирования в отсутствие протонно-решеточных взаимодействий протонная система претерпевает переход при ~ 58 К [10].Таким образом, разница температур около 30 К возникает из-за протонно-решеточного взаимодействия при 6.54 кбар в KDP. При атмосферном давлении наш подгоночный параметр (Таблица 2) также примерно на 30 K ниже, чем K, определенный ранее [9]. Фактически, микроскопический параметр, который мы получили путем подгонки (11) к наблюдаемым рамановским частотам мягкой моды w _ (или частоте коллективного возбуждения протонов), не был хорошо определен, поскольку в нашем анализе было получено большое отношение . Это приводит к tanh, что означает, что подгонка относительно нечувствительна, как также указывалось ранее при анализе KDP на 6.54 кбар [10]. Таким образом, макроскопические свойства сегнетоэлектрических материалов плохо описываются микроскопическими параметрами модели чистого туннелирования, а также модели связанных протонно-оптических мод, которые используют данные комбинационного рассеяния [10]. Исходя из этого, в (4) мы использовали значение = 122 K вместо подобранного параметра в модели чистого туннелирования, что дало отношение = 0,64 или tanh = 0,57 для KDP. Таким образом, в данном исследовании параметр взаимодействия был определен как Дж = 384,6 см -1 при нулевом давлении, что можно сравнить со значением 345.1 см −1 при 6.54 кбар [10].

Температурная зависимость спонтанной поляризации была рассчитана здесь в отсутствие протонно-решеточных взаимодействий для KDP, как указывалось ранее. Поскольку спонтанная поляризация не имеет больших значений в модели чистого туннелирования, коллективная туннельная мода протонов может взаимодействовать с поперечной оптической модой (взаимодействие протон-решетка) в модели связанных протонно-оптических мод, введенной Кобаяши [6], как указано из ранее [10].Амплитуда мягкооптической моды максимальна при температуре фазового перехода, а при температуре нет связи. Ниже протон-решеточное взаимодействие можно рассматривать как усиливающее температурную зависимость спонтанной поляризации в KDP. Однако особенности связанных мод могут исчезнуть ниже в сегнетоэлектрической фазе в KDP, что также экспериментально наблюдалось примерно на 30 К ниже в BaTiO 3 [15]. Таким образом, в отсутствие протонно-решеточного взаимодействия температурная зависимость частоты мягкой моды w _ (или частоты коллективного возбуждения протонов Ω 0 ) может быть описана ниже в сегнетоэлектрической фазе KDP.

Что касается частоты коллективного возбуждения протонов Ω 0 , которая была принята в качестве частоты отклика мягкой моды w _ для KDP, как здесь исследовано, Ω 0 также может рассматриваться как мягкая мода для тех сегнетоэлектриков, демонстрирующих смещение фазовый переход, такой как BaTiO 3 . Мягкая мода в BaTiO 3 , которая состоит из колебаний ионов Ti относительно кислорода [16], представляет собой длинноволновую поперечную оптическую моду при k = 0. Ее частота стремится к нулю (→ 0) при критической температуре и смещения решетки, связанные с этой модой, вызывают искажение кристалла в сегнетоэлектрическую фазу [17].Совсем недавно мы исследовали температурную зависимость этой мягкооптической моды в сегнетоэлектрическом титанате бария [18].

Используя модель чистого туннелирования, мы также рассчитали температурную зависимость диэлектрической проницаемости в параэлектрической фазе KDP, как показано на рисунке 2. Она уменьшается с увеличением температуры ниже и расходится в окрестности температуры перехода (= 122 K) согласно закону Кюри-Вейсса (см. (6)). Такое расходящееся поведение диэлектрической проницаемости происходит из-за частоты отклика мягкой моды w _ или коллективной частоты туннелирования протонов Ω 0 , которая исчезает, как в модели чистого туннелирования KDP.Таким образом, зависимость частоты отклика мягкой моды от температуры или давления по спектрам комбинационного рассеяния определяет зависимость диэлектрических свойств таких сегнетоэлектрических материалов, как KDP, от температуры или давления. Кроме того, исходя из зависимости температуры перехода от давления, фазовая диаграмма, рассчитанная с использованием модели туннелирования протонов или дейтронов [19], может быть проверена с помощью экспериментальных спектров комбинационного рассеяния для KDP и DKDP. В качестве альтернативы, фазовая диаграмма температура-одноосное давление для KH 2 PO 4 , полученная экспериментально [20], может быть рассчитана с использованием модели протонного туннелирования.

Оставить комментарий