קשה לציין מי היה הראשון שגילה אור מקוטב. אנשים עתיקים יכלו להבחין בנקודה מוזרה על ידי התבוננות בשמים בכיוונים מסוימים. לקיטוב יש מוזרויות רבות, מתבטא בתחומי חיים שונים, וכיום הוא נושא למחקר ויישום המונים, הסיבה לכל דבר היא חוק מאלוס.
גילוי של אור מקוטב
ויקינגים אולי השתמשו בקיטוב שמיים כדי לנווט. גם אם לא, הם בהחלט מצאו את איסלנד ואת אבן הקלציט הנפלאה. ספר איסלנדי (קלציט) היה ידוע גם בזמנם, לתושבי איסלנד הוא חייב את שמו. המינרל שימש בעבר בניווט בשל תכונותיו האופטיות הייחודיות. הוא מילא תפקיד מרכזי בגילוי המודרני של קיטוב וממשיך להיות החומר המועדף להפרדת מרכיבי הקיטוב של האור.
בשנת 1669, המתמטיקאי הדני מאוניברסיטת קופנהגן, ארסמוס ברתולינוס, לא רק ראה אור כפול, אלא גם ביצע כמה ניסויים, וכתב ספר זיכרונות בן 60 עמודים. זההיה התיאור המדעי הראשון של אפקט הקיטוב, והמחבר יכול להיחשב כמגלה של תכונת האור המדהימה הזו.
כריסטיאן הויגנס פיתח את תיאוריית הגל הפועמים של האור, אותה פרסם ב-1690 בספרו המפורסם Traite de la Lumiere. במקביל, אייזק ניוטון קידם את התיאוריה הגופנית של האור בספרו Opticks (1704). בסופו של דבר, שניהם צדקו ושגויים, שכן לאור יש אופי כפול (גל וחלקיק). עם זאת, הויגנס היה קרוב יותר להבנה המודרנית של התהליך.
בשנת 1801, תומס יאנג ערך את הניסוי המפורסם של התערבות חריץ כפול. הוכיח שאור מתנהג כמו גלים, וסופרפוזיציה של גלים יכולה להוביל לחושך (הפרעה הרסנית). הוא השתמש בתיאוריה שלו כדי להסביר דברים כמו הטבעות של ניוטון וקשתות קשת על טבעיות. פריצת דרך במדע הגיעה כמה שנים מאוחר יותר כאשר יונג הראה שהקיטוב נובע מאופי הגל הרוחבי של האור.
אטיין לואי מאלוס הצעיר חי בעידן סוער - בתקופת המהפכה הצרפתית ושלטון האימה. הוא השתתף עם צבאו של נפוליאון בפלישת מצרים, כמו גם פלסטין וסוריה, שם חלה במגפה שהרגו אותו כמה שנים אחר כך. אבל הוא הצליח לתרום תרומה חשובה להבנת הקיטוב. חוק מאלוס, שחזה את עוצמת האור המועבר דרך מקטב, הפך לאחד הפופולריים במאה ה-21 בעת יצירת מסכי גביש נוזלי.
סר דיוויד ברוסטר, סופר מדעי בעל שם, למד מקצועות פיזיקה אופטית כמו דיכרואיזם וספקטרהקליטה, כמו גם נושאים פופולריים יותר כמו צילום סטריאו. המשפט המפורסם של ברוסטר ידוע: "הכל שקוף חוץ מזכוכית".
הוא גם תרם תרומה שלא תסולא בפז לחקר האור:
- החוק המתאר את "זווית הקיטוב".
- המצאת הקליידוסקופ.
ברוסטר חזר על הניסויים של מאלוס לאבני חן וחומרים אחרים, גילה חריגה בזכוכית, וגילה את החוק - "זווית ברוסטר". לדבריו, "…כאשר הקרן מקוטבת, הקרן המוחזרת יוצרת זווית ישרה עם הקרן השבורה."
חוק הקיטוב של מאלוס
לפני שנדבר על קיטוב, עלינו לזכור תחילה על האור. האור הוא גל, אם כי לפעמים הוא חלקיק. אבל בכל מקרה, קיטוב הגיוני אם אנו חושבים על אור כגל, כקו, כשהוא עובר מהמנורה לעיניים. רוב האור הוא בלגן מעורב של גלי אור שרוטט לכל הכיוונים. כיוון תנודה זה נקרא קיטוב האור. המקטב הוא המכשיר שמנקה את הבלגן הזה. הוא מקבל כל דבר שמערבב אור ומכניס רק אור שמתנודד בכיוון מסוים אחד.
הניסוח של חוק מאלוס הוא: כאשר אור מקוטב שטוח לחלוטין נופל על המנתח, עוצמת האור המשודרת על ידי המנתח עומדת ביחס ישר לריבוע הקוסינוס של הזווית בין צירי השידור של הנתח לבין צירי השידור של המנתח. המקטב.
גל אלקטרומגנטי רוחבי מכיל גם שדה חשמלי וגם שדה מגנטי, והשדה החשמלי בגל אור מאונך לכיוון התפשטות גל האור. כיוון רטט האור הוא הווקטור החשמלי E.
עבור אלומה לא מקוטבת רגילה, הווקטור החשמלי ממשיך לשנות את כיוונו באופן אקראי כאשר אור מועבר דרך פולארואיד, האור המתקבל הוא מקוטב מישורי כשהווקטור החשמלי שלו רוטט בכיוון מסוים. כיוון וקטור האלומה היוצאת תלוי בכיוון הפולארואיד, ומישור הקיטוב מתוכנן כמישור המכיל את ה-E-וקטור ואת אלומת האור.
האיור למטה מציג אור מקוטב שטוח עקב הווקטור האנכי EI והוקטור האופקי EII.
אור לא מקוטב עובר דרך פולארויד P 1 ולאחר מכן דרך פולארויד P 2, ויוצר זווית θ עם y ax-s. לאחר שאור המתפשט לאורך כיוון x עובר דרך הפולארויד P 1, הווקטור החשמלי הקשור לאור המקוטב ירטוט רק לאורך ציר ה-y.
עכשיו אם נאפשר לקרן המקוטבת הזו לעבור שוב דרך ה-P 2 המקוטב, תוך יצירת זווית θ עם ציר ה-y, אז אם E 0 היא משרעת השדה החשמלי הנכנס ב-P 2, אז המשרעת של הגל היוצא מ-P 2, יהיה שווה ל-E 0 cosθ, ולפיכך, עוצמת האלומה המגיחה תהיה לפי חוק Malus (נוסחה) I=I 0 cos 2 θ
כאשר I 0 היא עוצמת האלומה היוצאת מ-P 2 כאשר θ=0θ היא הזווית בין מישורי השידור של המנתח והמקטב.
דוגמה לחישוב עוצמת אור
חוק מאלוס: I 1=I o cos 2 (q);
כאשר q היא הזווית בין כיוון קיטוב האור לציר העברת המקטב.
אור לא מקוטב בעוצמה I o=16 W/m 2 נופל על זוג מקטבים. למקטב הראשון יש ציר שידור המיושר במרחק של 50 מעלות מהאנכי. למקטב השני ציר השידור מיושר במרחק של 20o מהאנכי.
ניתן לעשות בדיקה של חוק מאלוס על ידי חישוב עד כמה האור עז כשהוא יוצא מהמקטב הראשון:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
האור אינו מקוטב, אז I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
עוצמת האור מהמקטב השני:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
בעקבותיו חוק Malus, שהניסוח שלו מאשר שכאשר האור יוצא מהמקטב הראשון, הוא מקוטב ליניארי ב-50o. הזווית בין זה לבין ציר השידור של המקטב השני היא 30[מעלות]. לכן:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
עכשיו הקיטוב הליניארי של קרן אור בעוצמה של 16 W/m 2 נופל על אותו זוג מקטבים. כיוון הקיטוב של האור הנכנס הוא 20o מהאנך.
עוצמת האור היוצאת מהמקטב הראשון והשני. במעבר דרך כל מקטב, העוצמה יורדת בפקטור של 3/4. לאחר שעזב את המקטב הראשוןהעוצמה היא 163/4 =12 W/m2 ויורדת ל- 123/4 =9 W/m2 לאחר מעבר השני.
קיטוב החוק המלוסי אומר שכדי להפוך אור מכיוון אחד של קיטוב למשנהו, אובדן העוצמה מצטמצם על ידי שימוש במקטבים נוספים.
נניח שאתה צריך לסובב את כיוון הקיטוב ב-90o.
| N, מספר מקטבים | זווית בין מקטבים עוקבים | I 1 / I o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] N |
חישוב של זווית השתקפות ברוסטר
כאשר האור פוגע במשטח, חלק מהאור מוחזר וחלקו חודר (נשבר). הכמות היחסית של השתקפות ושבירה זו תלויה בחומרים העוברים דרך האור, כמו גם בזווית שבה האור פוגע במשטח. ישנה זווית אופטימלית, בהתאם לחומרים, המאפשרת לאור לשבור (לחדור) כמה שניתן. זווית אופטימלית זו ידועה בתור הזווית של הפיזיקאי הסקוטי דיוויד ברוסטר.
חשב את הזוויתBrewster עבור אור לבן מקוטב רגיל מופק על ידי הנוסחה:
theta=arctan (n1 / n2), כאשר תטא היא זווית ברוסטר, ו-n1 ו-n2 הם מדדי השבירה של שני המדיה.
כדי לחשב את הזווית הטובה ביותר לחדירת אור מקסימלית דרך זכוכית - מטבלת מקדם השבירה אנו מוצאים שמקדם השבירה לאוויר הוא 1.00 ומקדם השבירה לזכוכית הוא 1.50.
זווית הברוסטר תהיה ארקטנית (1.50 / 1.00)=ארקטנית (1.50)=56 מעלות (בערך).
חישוב זווית האור הטובה ביותר לחדירת מים מקסימלית. מטבלת מדדי השבירה עולה שהמדד לאוויר הוא 1.00, ומקדם השבירה למים הוא 1.33.
זווית הברוסטר תהיה ארקטנית (1.33 / 1.00)=ארקטנית (1.33)=53 מעלות (בערך).
שימוש באור מקוטב
דיוט פשוט לא יכול אפילו לדמיין באיזו עוצמה משתמשים במקטבים בעולם. הקיטוב של האור של חוק מאלוס מקיף אותנו בכל מקום. לדוגמה, דברים פופולריים כגון משקפי שמש פולארויד, כמו גם שימוש במסנני קיטוב מיוחדים לעדשות מצלמה. מכשירים מדעיים שונים משתמשים באור מקוטב הנפלט על ידי לייזרים או על ידי קיטוב מנורות ליבון ומקורות פלורסנט.
מקטבים משמשים לעתים בתאורת החדר והבמה כדי להפחית סנוור ולספק תאורה אחידה יותר וכמשקפיים כדי לתת תחושת עומק נראית לעין לסרטי תלת מימד. מקטבים מוצלבים אפילומשמש בחליפות חלל כדי להפחית באופן דרסטי את כמות האור הנכנסת לעיניו של אסטרונאוט בזמן שינה.
סודות האופטיקה בטבע
למה שמיים כחולים, שקיעה אדומה ועננים לבנים? שאלות אלו ידועות לכולם מילדות. חוקים של מאלוס וברוסטר מספקים הסברים להשפעות הטבעיות הללו. השמיים שלנו ממש צבעוניים, בזכות השמש. האור הלבן הבוהק שלו כולל את כל צבעי הקשת בענן: אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול, אינדיגו וסגול. בתנאים מסוימים, אדם פוגש קשת בענן, או שקיעה, או ערב מאוחר אפור. השמים כחולים בגלל "פיזור" אור השמש. לצבע הכחול יש אורך גל קצר יותר ויותר אנרגיה מאשר צבעים אחרים.
כתוצאה מכך, הכחול נספג באופן סלקטיבי על ידי מולקולות אוויר, ולאחר מכן משתחרר שוב לכל הכיוונים. צבעים אחרים פחות מפוזרים ולכן לרוב אינם נראים לעין. שמש הצהריים צהובה לאחר שספגה את צבעה הכחול. עם זריחה או שקיעה, אור השמש נכנס בזווית נמוכה וחייב לעבור בעובי גדול של האטמוספירה. כתוצאה מכך, הצבע הכחול מפוזר ביסודיות, כך שרובו נספג לחלוטין באוויר, הולך לאיבוד ומפזר צבעים נוספים, בעיקר כתומים ואדומים, ויוצר אופק צבעוני מפואר.
צבעי אור השמש אחראים גם לכל הגוונים שאנו אוהבים בכדור הארץ, בין אם זה ירוק דשא או האוקיינוס הטורקיז. המשטח של כל אובייקט בוחר את הצבעים הספציפיים שהוא ישקף כדי לעשות זאתלהבדיל את עצמך. העננים הם לרוב לבנים מבריק מכיוון שהם מחזירי אור או מפזרים מצוינים בכל צבע. כל הצבעים המוחזרים מתווספים ללבן ניטרלי. חומרים מסוימים משקפים את כל הצבעים באופן שווה, כגון חלב, גיר וסוכר.
החשיבות של רגישות לקיטוב באסטרונומיה
במשך זמן רב, חקר חוק מאלוס, התעלמו מהשפעת הקיטוב באסטרונומיה. Starlight אינו מקוטב כמעט לחלוטין וניתן להשתמש בו כסטנדרט. נוכחותו של אור מקוטב באסטרונומיה יכולה לספר לנו כיצד נוצר האור. בסופרנובות מסוימות, האור הנפלט אינו בלתי מקוטב. בהתאם לחלק של הכוכב הנצפה, ניתן לראות קיטוב שונה.
מידע זה על הקיטוב של אור מאזורים שונים של הערפילית יכול לתת לחוקרים רמזים למיקומו של הכוכב המוצל.
במקרים אחרים, נוכחות אור מקוטב יכולה לחשוף מידע על כל החלק של הגלקסיה הבלתי נראית. שימוש נוסף במדידות רגישות לקיטוב באסטרונומיה הוא זיהוי נוכחות של שדות מגנטיים. על ידי חקר הקיטוב המעגלי של צבעים מאוד ספציפיים של אור הבוקעים מעטרה של השמש, מדענים חשפו מידע על עוצמת השדה המגנטי במקומות אלה.
מיקרוסקופיה אופטית
מיקרוסקופ האור המקוטב נועד לצפות ולצלם דגימות הנראות דרךהאופי האניזוטרופי שלהם מבחינה אופטית. לחומרים אניזוטרופיים תכונות אופטיות המשתנות עם כיוון ההתפשטות של האור העובר דרכם. כדי לבצע משימה זו, המיקרוסקופ חייב להיות מצויד הן במקטב הממוקם בנתיב האור איפשהו לפני הדגימה, והן במנתח (מקטב שני) הממוקם בנתיב האופטי שבין הצמצם האחורי האובייקטיבי לצינורות הצפייה או יציאת המצלמה..
יישום קיטוב בביו-רפואה
הטרנד הפופולרי הזה היום מבוסס על העובדה שבגופנו יש הרבה תרכובות הפעילות אופטית, כלומר, הן יכולות לסובב את הקיטוב של האור העובר דרכן. תרכובות שונות פעילות אופטית יכולות לסובב את הקיטוב של האור בכמויות שונות ובכיוונים שונים.
כמה כימיקלים פעילים אופטית נמצאים בריכוז גבוה יותר בשלבים המוקדמים של מחלת עיניים. רופאים יכולים להשתמש בידע זה כדי לאבחן מחלות עיניים בעתיד. אפשר לדמיין שהרופא מאיר לעין המטופל מקור אור מקוטב ומודד את הקיטוב של האור המוחזר מהרשתית. משמש כשיטה לא פולשנית לבדיקת מחלות עיניים.
מתנת המודרניות - מסך LCD
אם תסתכל מקרוב על מסך ה-LCD, תבחין שהתמונה היא מערך גדול של ריבועים צבעוניים המסודרים ברשת. בהם, הם מצאו יישום של חוק מאלוס,הפיזיקה של התהליך שיצר את התנאים כאשר לכל ריבוע או פיקסל יש צבע משלו. צבע זה הוא שילוב של אור אדום, ירוק וכחול בכל עוצמה. צבעי יסוד אלו יכולים לשחזר כל צבע שהעין האנושית יכולה לראות מכיוון שהעיניים שלנו טריכרומטיות.
במילים אחרות, הם מעריכים אורכי גל ספציפיים של אור על ידי ניתוח העוצמה של כל אחד משלושת ערוצי הצבע.
מסכים מנצלים את החיסרון הזה על ידי הצגת שלושה אורכי גל בלבד המכוונים באופן סלקטיבי לכל סוג של קולטן. שלב הגביש הנוזלי קיים במצב היסוד, שבו המולקולות מכוונות בשכבות, וכל שכבה שלאחר מכן מתפתלת מעט ליצירת תבנית סלילנית.
תצוגת LCD עם 7 פלחים:
- אלקטרודה חיובית.
- אלקטרודה שלילית.
- Polarizer 2.
- Display.
- Polarizer 1.
- גביש נוזלי.
כאן ה-LCD נמצא בין שתי לוחות זכוכית, המצוידות באלקטרודות. צגי LCD של תרכובות כימיות שקופות עם "מולקולות מעוותות" הנקראות גבישים נוזליים. תופעת הפעילות האופטית בכימיקלים מסוימים נובעת מיכולתם לסובב את מישור האור המקוטב.
סרטי סטריאופסיס תלת מימד
קיטוב מאפשר למוח האנושי לזייף תלת מימד על ידי ניתוח ההבדלים בין שתי תמונות. בני אדם לא יכולים לראות בתלת מימד, העיניים שלנו יכולות לראות רק בדו מימד.תמונות. עם זאת, המוח שלנו יכול להבין עד כמה רחוקים חפצים על ידי ניתוח ההבדלים במה שכל עין רואה. תהליך זה ידוע בשם Stereopsis.
מכיוון שהמוח שלנו יכול לראות רק פסאודו-3D, יוצרי סרטים יכולים להשתמש בתהליך הזה כדי ליצור אשליה של תלת מימד מבלי להזדקק להולוגרמות. כל סרטי התלת מימד פועלים על ידי אספקת שתי תמונות, אחת לכל עין. בשנות ה-50, הקיטוב הפך לשיטה השלטת של הפרדת תמונה. בתיאטראות החלו להפעיל שני מקרנים בו-זמנית, עם מקטב ליניארי מעל כל עדשה.
עבור הדור הנוכחי של סרטי תלת מימד, הטכנולוגיה עברה לקיטוב מעגלי, שמטפל בבעיית ההתמצאות. טכנולוגיה זו מיוצרת כיום על ידי RealD ומהווה 90% משוק התלת מימד. RealD הוציאה מסנן עגול שעובר בין קיטוב עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון במהירות רבה, כך שמשתמשים רק במקרן אחד במקום שניים.
