Формула поляризованность: Электричество и магнетизм - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

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

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 р_i — 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 p_V =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. р_V = 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.

Эллиптическая поляризация. Конец волнового вектора такого света описывает эллипс.
Линейная поляризация. Это частный случай первого варианта. Как понятно из названия, картина при этом – одно направление.
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=(I_пер-I_пар)/(I_пер+I_пар), где I_пер– это интенсивность света в направлении, перпендикулярном плоскости поляризатора или отражающей поверхности, а I_пар – 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.

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.
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.
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. …

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 – 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