Поляризация света при отражении и преломлении на границе двух диэлектриков

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется в распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), убеждаемся в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усаливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения (на рис. 275 они обозначены точками), в преломленном — колебания, параллельные плоскости падения (изображены стрелками).

Степень поляризации (степень выделения световых волн с определенной ориентацией электрического (и магнитного) вектора) зависит от угла падения лучей и показателя преломления. Шотландский физик Д. Брюстер (1781—1868) установил закон, согласно которому при угле падения i_B (угол Брюстера), определяемого соотношением

(n₂₁ — показатель преломления второй среды относительно первой), отраженный луч является плоскополяризованным (содержит только колебания, перпендикулярные плос­кости падения) (рис. 276). Преломленный же луч при угле падения i_B поляризуется максимально, но не полностью.

Если свет падает на границу раздела под углом Брюстера, то отраженный и прело­мленный лучи взаимно перпендикулярны (tgi_B = sini_B/cosi_B, n₂₁=sini_B/sini₂ (i₂ —угол преломления), откуда cosi_B=sini₂). Следовательно, i_B + i₂ = /2, но i’_B = i_B (закон от­ражения), поэтому i’_B + i₂ = /2.

Степень поляризации отраженного и преломленного света при различных углах падения можно рассчитать из уравнений Максвелла, если учесть граничные условия для электромагнитного поля на границе раздела двух изотропных диэлектриков (так называемые формулы Френеля).

Степень поляризации преломленного света может быть значительно повышена (многократным преломлением при условии падения света каждый раз на границу раздела под углом Брюстера). Если, например, для стекла (п= 1,53) степень поляриза­ции преломленного луча составляет 15%, то после преломления на 8—10 наложенных друг на друга стеклянных пластинок вышедший из такой системы свет будет практически полностью поляризованным. Такая совокупность пластинок называется стопой. Стопа может служить для анализа поляризованного света как при его отражении, так и при его преломлении.Зако́н Брю́стера — закон оптики, выражающий связь показателей преломления двух диэлектриков с таким углом падения света, при котором свет, отражённый от границы раздела диэлектриков, будет полностью поляризованным в плоскости, перпендикулярной плоскости падения. При этом преломлённый луч частично поляризуется в плоскости падения, и его поляризация достигает наибольшего значения (но не 100%, поскольку от границы отразится лишь часть света, поляризованного перпендикулярно к плоскости падения, а оставшаяся часть войдёт в состав преломлённого луча). Угол падения, при котором отражённый луч полностью поляризован, называется углом Брюстера[1]. При падении под углом Брюстера отражённый и преломлённый лучи взаимно перпендикулярны.

Это явление оптики названо по имени шотландского физика Дэвида Брюстера, открывшего его в 1815 году.

Поляризующий эффект можно понять, если иметь в виду следующее:

колебания электрического поля в электромагнитной волне всегда происходят перпендикулярно направлению движения.

Взаимодействие с диэлектриком происходит в два этапа. В начале падающая волна генерирует коллективные колебания дипольных моментов молекул диэлектрика, затем эти осцилляции в свою очередь генерируют отражённую и преломлённую волну.

Итак, отражённая волна генерируется колебаниями дипольных моментов молекул среды. Когда угол между отражённой и преломленной волной составляет 90 градусов, колебания электрического поля отражённой волны в плоскости падения могли бы генерироваться только колебаниями дипольных моментов вдоль преломлённого луча. Индуцировать такие колебания могла бы только продольная компонента колебаний электрического поля преломлённого луча. Но поскольку в преломленном пучке её нет, то и в отражённом не может быть.

Закон Брюстера записывается в виде:

\operatorname{tg} {{\theta }_{Br}} ={{n}_{21}},

где n_{21} = n_2/n_1 — показатель преломления второй среды относительно первой, а {{\theta }_{Br}} — угол падения (угол Брюстера).

При падении света на одну пластинку под углом Брюстера интенсивность отражённого линейно поляризованного света очень мала (для границы воздух-стекло — около 4 % от интенсивности падающего луча). Поэтому для того, чтобы увеличить интенсивность отраженного света (или поляризовать свет, прошедший в стекло, в плоскости, параллельной плоскости падения) применяют несколько скрепленных пластинок, сложенных в стопу — стопу Столетова. Легко проследить по чертежу происходящее. Пусть на верхнюю часть стопы падает луч света. От первой пластины будет отражаться полностью поляризованный луч (около 4 % первоначальной интенсивности), от второй пластины также отразится полностью поляризованный луч (около 3,75 % первоначальной интенсивности) и так далее. При этом луч, выходящий из стопы снизу, будет все больше поляризоваться в плоскости, параллельной плоскости падения, по мере добавления пластин.

N15

Формула Планка — выражение для спектральной плотности мощности излучения (Спектральной Плотности Энергетической Светимости) абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком. Для плотности энергии излучения : 

Формула Планка («форма» зависимости от частоты и температуры) первоначально была «выведена» эмпирически. Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формулаРэлея—Джинса, которая следует из классической теории электромагнитного поля, удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн. С убыванием длин волн формула Рэлея—Джинса сильно расходится с эмпирическими данными. Более того, в пределе она даёт расхождение — бесконечную энергию излучения (ультрафиолетовая катастрофа). В связи с этим Планк в 1900 году сделал предположение, противоречащее классической физике, о том, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением:

Коэффициент пропорциональности впоследствии назвали постоянной Планка, = 1.054 · 10⁻²⁷ эрг·с. Это предположение позволило объяснить наблюдаемый спектр излучения теоретически.

Правильность формулы Планка подтверждается не только непосредственной эмпирической проверкой, но и следствиями из данной формулы, в частности из неё следует закон Стефана-Больцмана, также эмпирически подтверждённый. Кроме того, из неё выводятся также и приблизительные формулы, полученные до формулы Планка, — формула Вина и формула Рэлея-Джинса

Абсолютно чёрное тело — физическая идеализация, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. Спектр излучения абсолютно чёрного тела определяется только его температурой.

Важность абсолютно чёрного тела в вопросе о спектре теплового излучения любых (серых и цветных) тел вообще, кроме того, что оно представляет собой наиболее простой нетривиальный случай, состоит ещё и в том, что вопрос о спектре равновесного теплового излучения тел любого цвета и коэффициента отражения сводится методами классической термодинамики к вопросу об излучении абсолютно чёрного тела (и исторически это было уже сделано к концу XIX века, когда проблема излучения абсолютно чёрного тела вышла на первый план).

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (то есть имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце.

Термин был введён Густавом Кирхгофом в 1862 году.

N16

САМОИНДУКЦИЯ, ИНДУКТИВНОСТЬ, ВЗАИМОИНДУКЦИЯ

Составим цепь как на рисунке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Измерим сопротивление катушки индуктивности омметром (омическое сопротивление), затем сопротивление реостата сделаем равным омическому сопротивлению катушки.

Замкнем цепь. Нижняя лампочка загорится сразу, а верхняя  будет раскалятся постепенно. Когда она раскалится, обе будут гореть одинаково.

Почему верхняя лампочка раскалялась постепенно?

При замыкании цепи ток батареи будет возрастать от нуля до максимума, т. е. в момент замыкания цепи идет нарастающий ток батареи. Вокруг катушки возникает нарастающее магнитное поле, которое пересекает витки этой катушки. В результате на катушке индуктируется э. д. с. индукции, которая в данном случае называется э. д. с. самоиндукции.Эта э. д. с. направлена против э. д. с. батареи. Катушка является источником тока самоиндукции. Ток самоиндукции идет против нарастающего тока батареи, уменьшая величину этого нарастающего тока. Поэтому верхняя лампочка раскаляется медленно. Когда нарастающий ток батареи преодолеет направление тока самоиндукции, он достигает максимума и становится постоянным. Магнитное поле катушки также становится постоянным. Э. д. с. самоиндукции отсутствует, тока самоиндукции нет, обе лампы горят одинаково.Теперь разомкнем цепь. Магнитное поле катушки пропадая пересечет катушку, индуктируя на ней э. д. с. самоиндукции противоположной полярности. Теперь ток самоиндукции имеет одно направление с пропадающим током батареи.

Направление э. д. с. самоиндукции определяется по закону Ленца. Так как  причиной возникновения э. д. с. самоиндукции является изменение тока, то закон Ленца применительно к явлению самоиндукции может сформулирован так:

э. д. с. самоиндукции имеет такое направление, при котором она противодействует изменениям тока в цепи.

При возрастании тока э. д. с. самоиндукции направлена противоположно направлению тока. При этом она противодействует возрастанию тока.

При уменьшении тока направление э. д. с. самоиндукции совпадает с направлением тока. При  этом она противодействует уменьшению тока.

Из сказанного следует, что э. д. с. самоиндукции действует как реактивная сила, аналогично силе инерции в механике. Известно, что сила инерции противодействует изменениям скорости тела, подобно этому э. д. с. самоиндукции противодействует изменениям тока в цепи. Продолжая эту аналогию, можно сделать вывод, что индуктивность проводника в электротехнике играет такую же роль, как масса тела в механике, т. е. индуктивность является мерой электрической инерции цепи.