Elektromagnētiskajā vilnī elektriskais un magnētiskais lauks svārstās noteiktās plaknēs, kas ir savstarpēji perpendikulāras (1. att.). Dažādās ar gaismu saistītās parādībās magnētiskā lauka ietekme, salīdzinot ar elektrisko lauku, ir niecīga, tādēļ, runājot par gaismu, galvenokārt tiek runāts par elektrisko lauku.
1.att. Elektriskā un magnētiskā lauka svārstību plaknes
Gan dabiskajiem gaismas avotiem, piemēram, Saulei, gan mākslīgajiem gaismas avotiem, piemēram, spuldzei nav vienas noteiktas E lauka svārstību plaknes. EM viļņi tiek izstaroti dažādos virzienos, un arī E lauku svārstību plaknes ir vērstas visos iespējamos virzienos (2. att.)
2.att. Elektriskā lauka svārstības
Izmantojot speciālus filtrus – polarizatorus, ir iespējams no gaismas, kurā E lauks svārstās visās iespējamās plaknēs, izdalīt gaismu, kurā E lauks svārstās vienā noteiktā plaknē (3. att.) To sauc par gaismas polarizāciju, kuras rezultātā iegūst lineāri polarizētu gaismu. Polarizatorus var izveidot no vielām, kurās atomi ir izvietoti nesimetriski, un līdz ar kādā noteiktā virzienā svārstošos elektrisko lauku tās laiž cauri efektīvāk nekā citā virzienā svārstošos lauku.
Apskaties sīklietotne par gaismas polarizāciju!
3.att. Gaismas polarizēšana
Polarizēt var arī mehāniskus viļņus. Ja aiz viena gala satver un kustina garu virvi, tad pa to sāk pārvietoties šķērsvilnis, turklāt svārstību plakne var būt vērsta jebkurā virzienā (4. att. a). Bet ja virvi izver cauri garenai spraugai, tad, lai arī kurā virzienā mēs mēģinātu iesvārstīt virvi, aiz spraugas vilnim būs viena noteikta svārstību plakne (4. att. b).
Izlasi Dabaszinātņu un matemātikas izglītības centra materiālu par gaismas polarizāciju!
4.att. Mehānisko viļņu polarizācija
Ja kāds nepolarizētas gaismas avots (1. att. a) tiek apskatīts caur vienu polarizatoru, tas izskatās tumšāks (1. att. b), jo tiek nodzēstas elektriskā lauka svārstības, kuru plakne nesakrīt ar polarizācijas ass virzienu.
1.att. Gaismas avots bez un ar polarizācijas filtru
Tomēr pilnībā gaismas plūsmu pārtraukt nevar, jo, lai arī kādā virzienā tiktu pagriezta polarizācijas ass, nepolarizētajā gaismā vienmēr atradīsies elektriskais lauks, kurš svārstās polarizācijas ass virzienā. Lai ar polarizatoriem pilnībā nodzēstu gaismas plūsmu, nepieciešami divi polarizatori, kuru polarizācijas asis novietotas perpendikulāri (2. att.). Aiz pirmā polarizatora pārvietojas tikai polarizēta gaisma, bet, tā kā otrā polarizatora ass ir perpendikulāra lineāri polarizētās gaismas svārstību plaknei, tad šī gaisma caur polarizatoru netiek izlaista.
2.att. Divi polarizatori darbībā
Līdzīgi notiek ar mehāniskajiem viļņiem, kas pārvietojas, piemēram, virvē (3. att.). Ja virve ir izvērta starp diviem sētas posmiem, kuros dēļi ir novietoti vertikāli, tad vertikālās svārstības caur šiem abiem posmiem iziet bez problēmām (3. att. a). Savukārt ja otro sētas posmu pagriež horizontāli (maina polarizācijas ass virzienu), tad mehāniskie viļņi šādai sistēmai cauri vairs netiek (3. att. b).
3.att. Mehānisko viļņu apturēšana
Izmantojot divus polarizatorus, var nodzēst arī Saules gaismu. Ja Saules gaismā tiks grozīts viens polarizators, tad, grozies kā gribi, Saules gaisma vienmēr būs redzama (4. att. a). Ja paņem divus polarizatorus un to polarizācijas asis novieto paralēli, tad arī Saules gaisma ir redzama (4. att. b). Bet, ja polarizatoru polarizācijas asis novieto perpendikulāri, tad Saules gaisma cauri vairs nespīd (4. att. c).
4.att. Saules gaismas nodzēšana, izmantojot polarizatorus
Gaismu var polarizēt arī ar citiem paņēmieniem. Izrādās, ka nepolarizētai gaismai, atstarojoties no kādas virsmas, atstarotā un lauztā gaisma ir polarizēta (5. att.). Turklāt atstarotajai un lauztajai gaismai polarizācija notiek perpendikulārās plaknēs. Šī iemesla dēļ ar polarizācijas filtriem ir iespējams uzņemt fotogrāfijas, kurās ir samazināti atspulgi, tādā veidā palielinot fotogrāfijas kontrastu.
5.att. Gaismas polarizācija atstarošanās un laušanas procesā
Polarizētas gaismas īpašības tiek izmantotas LCD monitoru darbībā, līdz ar to gaisma, kas nāk no šādiem monitoriem, ir polarizēta. Ja šādu monitoru apskata caur polarizatoru, tad atkarībā no polarizācijas ass stāvokļa ekrānu var redzēt gan gaišu (6. att. a), gan pilnīgi tumšu (6. att. b). LCD monitori tiek plaši lietoti, tādēļ šādā veidā var aptumšot gan datora, televizora un mobilā telefona, gan arī kalkulatora ekrānus.
6.att. LCD monitori izstaro polarizētu gaismu
Gaismas polarizācijas parādība tiek izmantota 3D kino. Lai mēs redzētu 3D attēlu, uz katru aci ir jāvirza cits attēls. 3D kino uz ekrāna tiek rādīti divi attēli, un šiem attēliem gaisma ir polarizēta savstarpēji perpendikulāros virzienos. Lai katrā acī nonāktu savs attēls, tiek lietotas speciālas brilles, kurām lēcu vietā atrodas polarizatori, kuru polarizācijas asis novietotas perpendikulāri (7. att.). Ja 3D kino apskata ekrānu bez brillēm, tad attēls ir miglains, jo šādā gadījumā abās acīs nonāk abi attēli un sajaucas kopā.
7.att. Polarizētas gaismas izmantošana 3D kino
2. solī tika minēts, ka atstarotā gaisma ir polarizēta, tomēr lielākajā daļā gadījumu šī gaisma nav pilnībā polarizēta. Tas nozīmē: lai gan ar atšķirīgu amplitūdu, bet elektriskā lauka svārstības pastāv visos virzienos. Tomēr, ja starp atstaroto un lauzto staru ir 90º leņķis, tad atstarotā gaisma ir pilnībā polarizēta un elektriskais lauks svārstās novērotājam perpendikulārā plaknē (1. att.). Krišanas leņķi α, pie kura iestājas šāda situācija, sauc par Brūstera leņķi. Brūstera leņķi var izrēķināt, izmantojot to, ka α + γ = 90º. Pēc gaismas laušanas likuma (Gaismas izplatīšanās) iznāk, ka sinα : sinγ = n2 : n1, kur n1 un n2 ir abām vidēm absolūtie gaismas laušanas koeficienti. Apvienojot abas sakarības, iegūst sinα : sin(90 - α) = n2: n1. Tālāk jāizmanto matemātiska sakarība sin(90 - α) = cosα. Ņemot šo vērā, sinα : cosα = n2 : n1 = tgα. Līdz ar to α = arctg(n2 : n1).
1.att. Brūstera lenķis
Vēl viena interesanta parādība, kas saistās ar polarizētu gaismu, ir vielu optiskā aktivitāte. Ir vielas, kurās, pārvietojoties polarizētai gaismai, tiek pagriezta tās polarizācijas plakne (2. att.). Šādas vielas sauc par optiski aktīvām vielām, un tādas ir, piemēram, cukura šķīdums ūdenī, terpentīns, aminoskābes un dažādas olbaltumvielas.
2.att. Vielu optiskā aktivitāte
Optisko aktivitāti var izmantot, lai noteiktu vielas koncentrāciju. Sadaļā par gaismas izplatīšanos 2. solī tika apskatīta metode, ka vielas koncentrāciju nosaka, pamatojoties uz gaismas laušanas koeficientu atšķirībām pie dažādām koncentrācijām. Šajā gadījumā tiek izmantots fakts: jo lielāka optiski aktīvajai vielai ir koncentrācija, jo vairāk tiek pagriezta polarizācijas plakne. Šim nolūkam ir nepieciešams gaismas avots, divi polarizatori un paraugs ar pētāmo vielu (3. att.). Izejot caur pirmo polarizatoru, gaisma tiek lineāri polarizēta, tad šī polarizētā gaisma virzās cauri paraugam, kurā tiek pagriezta polarizācijas plakne. Visbeidzot caurizgājusī gaisma tiek laista caur otru polarizatoru, ko sauc par analizatoru. Analizators ir jāpagriež tā, lai novērotājs redzētu visspilgtāko gaismas signālu, jo tas nozīmē, ka polarizatora-analizatora polarizācijas ass ir pagriezta polarizācijas plaknes virzienā. Leņķis starp pirmā un otrā polarizatora polarizācijas asīm ir leņķis, par kādu optiski aktīvā viela ir pagriezusi polarizācijas plakni.
3.att. Vielu optiskāsaktivitātes izmantošana koncentrācijas noteikšanai
Līdz šim tika pieminēta tikai lineāri polarizēta gaisma, kurai elektriskais lauks nemitīgi svārstās vienā noteiktā plaknē. Līdztekus šim pastāv arī citi polarizācijas veidi. Viens no tādiem ir cirkulāri polarizēta gaisma, kurā elektriskais lauks ir pakļauts riņķveida kustībai ap viļņa izplatīšanās virzienu (4. att.). Cirkulāri polarizētus EM viļņus izmanto komunikācijā, piemēram, FM radiopārraidēs, jo signālu iespējams pārraidīt ar mazākiem zudumiem tieši tad, ja signāla vilnis ir cirkulāri polarizēts.
4.att. Cirkulāri polarizēta gaisma