какие существуют типы поляризации
Какие существуют типы поляризации
1.1. Основные понятия
Электромагнитная световая волна плоскополяризованная (линейная поляризация), если направления колебаний векторов E и B строго фиксированы и лежат в определенных плоскостях (рис.1).
Плоскополяризованная световая волна называется плоскополяризованным (линейнополяризованным) светом.
Рис.2 Неполяризованный свет
1.2. Виды поляризации
Существует три вида поляризации. Дадим им определения.
1. Линейная
Возникает, если электрический вектор Е сохраняет свое положение в пространстве. Она как бы выделяет плоскость, в которой колеблется вектор Е.
2. Круговая
Это поляризация, возникающая, когда электрический вектор Е вращается вокруг направления распространения волны с угловой скоростью, равной угловой частоте волны, и сохраняет при этом свою абсолютную величину.
Такая поляризация характеризует направление вращения вектора Е в плоскости, перпендикулярной лучу зрения.
Примером является циклотронное излучение (система электронов, вращающихся в магнитном поле) [2,5].
3. Эллиптическая
Возникает тогда, когда величина электрического вектора Е меняется так, что он описывает эллипс (вращение вектора Е).
Эллиптическая и круговая поляризация бывает правой (вращение вектора Е происходит по часовой стрелке, если смотреть навстречу распространяющейся волне) и левой (вращение вектора Е происходит против часовой стрелки, если смотреть навстречу распространяющейся волне) [1, 3, 4].
Рис.3 Действие поляризатора
Рис.4 Действие анализатора
а) при параллельных осях кристаллов поляризатора и анализатора свет полностью проходит;
б) свет постепенно гасится, если угол между осями приближается к 90°;
в) свет полностью гасится в анализаторе.
Приведем несколько примеров таких двупреломляющих поляризаторов. Конечно, существует много различных вариантов комбинаций призм, которые конструируются под конкретные задачи, но можно сказать, что описанных выше призм для ознакомления достаточно [1, 4].
2) Призма Волластона
Особенность: на выходе получаем два ортогонально поляризованных пучка.
А именно: падающий луч делится призмой на две поляризованные компоненты и обе пропускает в разные стороны. Применяется в астрономии.
3) Призма Глана-Фуко
Особенность: состоит из двух призм, отделенных друг от друга воздушным зазором. Оптические оси перпендикулярны падающему пучку
света и верхней грани. Применяется для ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов.
5) Призма Николя
Это скорее классический пример, о котором стоит упомянуть, но рассматривать подробнее не будем, так как призма Николя уже не используется, в виду наличия более эффективных устройств.
Виды поляризации
Контрольные вопросы по предыдущей лекции.
Тема 2. Поляризация диэлектриков.
Представление об идеальном диэлектрике.
Все диэлектрические материалы имеют молекулярное или ионное строение. Молекулы, в свою очередь состоят из атомов, состоящих в свою очередь, из электронов и положительно заряженных ядер. При этом суммарный заряд всех отрицательно и положительно заряженных частиц, образующих диэлектрик, равен нулю. Идеальный диэлектрик состоит только из связанных между собой заряженных частиц, которые в силу пространственной структуры молекул, могут образовывать электрические диполи (полярные молекулы); свободных носителей заряда в нем нет. Поэтому электропроводность в идеальном диэлектрике отсутствует. Под действием приложенного напряжения все связанные заряженные частицы диэлектрика упорядоченно смещаются из своих равновесных состояний на ограниченные расстояния, а электрические диполи выравниваются по полю. В результате этих процессов диэлектрик поляризуется, в нем возникает электрический дипольный момент. Упорядоченное смещение связанных заряженных частиц и ориентация диполей приводит к образованию в материале так называемых токов смещения.
В реальных диэлектриках, используемых в электротехнике, в результате дефектов строения и наличия ионогенных примесей, кроме связанных заряженных частиц появляются и свободные заряженные частицы (свободные заряды), которые не связаны с определенными молекулами и не имеют постоянного равновесного положения. Под действием приложенного напряжения эти свободные частицы перемещаются в диэлектрике на относительно большие расстояния. Содержание свободных зарядов в диэлектриках ничтожно мало, их электропроводность в 10 11 – 10 26 раз меньше, чем у проводников. Таким образом, в реальных диэлектриках под действием внешнего электромагнитного поля имеет место как поляризация, так и электропроводность, обусловленная перемещением свободных зарядов на относительно большие расстояния.
Способность диэлектрика поляризоваться под действием приложенного электромагнитного поля является его фундаментальным свойством, которым обладают как реальные диэлектрики, так и идеальный диэлектрик.
2.1. Перекличка. Контрольные вопросы по предыдущей лекции.
2.1.1. Ковалентная связь.
2.1.3. Характеристики электрического диполя.
В отсутствии внешнего электрического поля все связанные и свободные заряженные частицы диэлектрика, а также его полярные молекулы (диполи), расположены таким образом, что общий электрический дипольный момент всех микроскопических объемов равен или близок к нулю. Под действием приложенного электрического поля все связанные заряженные частицы смещаются из своих равновесных положений на ограниченные расстояния. Возникает поляризация диэлектрика и его результирующий дипольный момент становится отличным от нуля.
Следует различать два основных вида поляризации. Первый вид поляризации происходит в диэлектрике под действием электрического поля практически мгновенно, без рассеяния энергии, т.е. без выделения тепла. Он называется упругойилидеформационной поляризацией. Второй вид поляризации нарастает и убывает замедленно и сопровождается нагреванием диэлектрика. Второй вид поляризации называется релаксационной. Вид поляризации в первую очередь зависит от того, какие частицы диэлектрика, смещаясь, вызывает поляризацию, а также на какие расстояния они смещаются. Все частицы диэлектрика, способные смещаться и вызывать поляризацию, можно разделить на две группы упруго (сильно) связанные и слабо связанные.
Упруго связанные заряды имеют одно положение равновесия, около которого они совершают тепловое движение. Под действием электрического поля они смещаются на небольшие расстояния: электроны смещаются в пределах атома или иона, атомы – в пределах молекулы, ионы – в пределах ячейки кристаллической решетки и т.д.
Слабо связанные частицы (например, ионы в неплотно упакованной кристаллической решетке, в аморфном теле или на дефектах строения) имеют несколько положений равновесия, в которых они располагаются случайно и равновероятно. Слабо связанные частицы могут случайно перемещаться между положениями равновесия в ходе теплового движения. Электрическое поле придает таким переходам направленный характер. Смещение слабо связанных частиц происходит на гораздо большие расстояния, чем для упруго связанных зарядов.
Соответственно первый вид поляризации вызван процессами, которые связаны с упруго связанными частицами, релаксационная поляризация связана со слабо связанными зарядами.
К деформационным видам поляризации относится электронная и ионная.
2. Ионная поляризация.Наблюдается в кристаллических и аморфных телах ионного строения (кварц, асбест, слюда, стекло и др.)
Достаточно часто молекула диэлектрика состоит из атомов различных химических элементов, имеющих разные электрические заряды. Ионы, находящиеся в узлах кристаллической решетки, несут на себе электрические заряды разной полярности. По действием внешнего электрического поля происходит смещение ионов на расстояние в пределах шага решетки, т.е. происходит упругая деформация всей кристаллической решетки (для аморфных веществ – апериодической сетки). Например, поваренная соль NaCl имеет кубическую кристаллическую решетку. Под действием внешнего электрического поля эта решетка деформируется, отдельные ячейки теряют кубическую форму, отдельные ребра решетки растягиваются и сжимаются. Показатели ионной поляризации не зависят от частоты напряжения, однако линейно зависят от температуры вещества, так как происходит изменение энергии упругой связи между ионами.
К релаксационным видам поляризации относятся:
3. Ионно-релаксационная поляризация. Она наблюдается в стеклах, а также в веществах с неплотной упаковкой кристаллической решетки (электротехническая керамика, асбест, мрамор), когда в отдельных узлах решетки имеются незанятые вакансии. В отсутствии электрического поля слабо связанные ионы при тепловом движении могут хаотично перемещаться между вакансиями, а под действием внешнего поля переходы в направлении поля становятся более вероятными, что приводит к появлению направленных переходов ионов. Ионы могут перемещаться на расстояния большие, чем шаг кристаллической решетки. С повышением температуры ионно-релаксационная поляризация нелинейно усиливается за счет увеличения числа ионов, участвующих в перемещениях.
4. Дипольно-релаксационная поляризация наблюдается в диэлектриках молекулярного строения с полярными молекулами, находящимися в газообразном, жидком и твердом аморфном состоянии. У таких диэлектриков молекулы даже в отсутствии внешнего электрического поля уже имеют постоянный дипольный момент m, (например, полихлордифенилы, ПВХ и др.). Дипольно-релаксационная поляризация заключается в более упорядоченном положении дипольных молекул (диполей), совершающих тепловое движение. Этот вид поляризации зависит от температуры и частоты приложенного напряжения. С увеличением температуры межмолекулярные силы ослабляются, снижается вязкость вещества, что усиливает дипольную поляризацию. Дальнейшее увеличение температуры усиливает тепловое движение и снижает ориентирующее воздействие поля. Дипольная поляризация при этом начинает снижаться.
Поляризация света
Начало XIX века для физики ознаменовалось развитием волновой теории света, которым занимались ученые Т. Юнг и О. Френель. В то время природа световых волн оставалась неизвестной. Изначально предполагалось, что свет является распространяющимися в некоторой гипотетической среде – эфире продольными волнами. Однако в процессе изучения явлений дифракции и интерференции вопрос о том, продольные или поперечные световые волны, стал второстепенен. На тот момент казалось невозможным, что свет – это поперечные волны, по той причине, что по аналогии с механическими волнами пришлось бы признать эфир твердым телом, ведь поперечные механические волны не обладают возможностью распространяться в газообразной или же жидкой среде.
Несмотря ни на что, постепенно копились свидетельствующие в пользу поперечности световых волн экспериментально полученные факты.
Поляризация света
Как же получить поляризованный свет?
Интенсивность прошедшего света оказалась прямо пропорциональной cos 2 φ :
Двойное лучепреломление точно также, как и закон Малюса не может быть объяснено с точки зрения теории продольных волн. Для продольных волн направление распространения луча представляет собой ось симметрии. В них любые направления в плоскости, нормальной, то есть перпендикулярной, лучу, равноправны.
Выходит, что асимметрия относительно направления распространения луча – это решающий признак, отличающий поперечную и продольную волны. Первым высказал догадку о поперечности световых волн Т. Юнг в 1816 году. Независимо от Юнга Френель тоже выдвинул концепцию поперечности световых волн, и даже смог обосновать ее с помощью большого количества опытов. Им была создана теория двойного лучепреломления света в кристаллах.
Пропала необходимость во введении особой среды распространения волн – эфира, который приходилось рассматривать как твердое тело. Благодаря этому электромагнитная теория света приобрела должную стройность.
В каждом из процессов взаимодействия света с веществом электрический вектор E → играет основную роль. По данной причине его называют световым вектором.
Виды поляризации света
Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, то подобная волна носит название линейно поляризованной или плоско поляризованной. Отметим, что термин поляризации волн ввел Малюс применительно к поперечным механическим волнам.
В нормальной (то есть перпендикулярной) направлению распространения волны эллиптически поляризованной волне в каждой плоскости P конец результирующего вектора E → за период светового колебания обходит некоторый эллипс, носящий название эллипса поляризации.
Его размер и форма характеризуются амплитудами a x и a y линейно поляризованных волн и фазовым сдвигом Δ φ между ними.
Линейно поляризованный свет производится лазерными источниками. В случае отражения или рассеяния свет может стать поляризованным. В частности, голубой свет от неба частично или полностью поляризован. Однако, свет, который испускают обычные источники, такие как, например, солнечный свет и излучение ламп накаливания, является неполяризованным. Свет, исходящий от подобных источников, в любой момент состоит из вкладов огромного числа независимо излучающих атомов, обладающими различной ориентацией светового вектора в волнах, которые они излучают. По этой причине в результирующей волне вектор E → хаотично меняет свою ориентацию во времени, из-за чего в среднем все направления колебаний получаются равноправными.
Неполяризованный свет также называют естественным светом.
Кристаллы, в которых происходит двойное лучепреломление, называются анизотропными.
У значительной части кристаллов поглощение света кардинально зависимо от направления электрического вектора в световой волне. Такое явление носит название дихроизма.
В частности, данным свойством обладают использованные в знакомых нам опытах Малюса пластины турмалина. При некоторой толщине пластинка турмалина практически полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (как, к примеру, E x ) и частично пропускает вторую волну (то есть E y ).
Направление колебаний электрического вектора в прошедшей волне является разрешенным направлением пластины.
Пластинка турмалина может применяться как для создания поляризационного света, то есть в качестве поляризатора, так и для анализа характера поляризации света, как анализатор.
В наше время часто применяются искусственные дихроичные пленки, называющиеся поляроидами.
Поляроиды пропускают практически всю волну разрешенной поляризации и не пропускают поляризованную в нормальном направлении волну. Исходя из всего вышесказанного, можно заявить, что поляроиды – это идеальные поляризационные фильтры.
Выходит, что в электромагнитной теории света закон Малюса находит естественное объяснение, чья основа заключается в разложении вектора E → на его составляющие.
Процесс поляризации диэлектриков: описание, типы
Если конденсатор помещается в сильное электрическое поле, диэлектрический материал, из которого он изготовлен, интенсивно поляризуется. Данное явление заключается в том, что отрицательные заряды располагаются по направлению положительных, а последние сдвигаются в направлении негативно заряженных. Такой физический эффект приобрёл название «поляризация диэлектриков». Возможностью свободного перемещения заряженные частицы, однако, не обладают, что сохраняет запас энергии, который накапливается конденсатором.
С улучшением условий для протекания поляризационных процессов, число заряженных частиц, которые находятся на обкладках конденсатора, возрастает. Подобное качество постепенного накопления энергии получило название диэлектрической проницаемости K или относительной диэлектрической проницаемости вещества εr.
Что такое поляризация
Явление возникает тогда, когда в изоляционном материале из-за наличия внешнего электрического поля образуется дипольный момент. Когда ток взаимодействует с диэлектрическим (изолирующим) материалом, последний реагирует сдвигом в распределении заряженных частиц, при этом позитивно заряженные частицы выстраиваются в направлении существующего поля, а негативно заряженные – в обратном направлении. Схема размещения зарядов не зависит от конструкции конденсатора.
Поляризация диэлектриков является термином, который применяется для описания поведения материала с подобными свойствами, располагающегося во внешнем поле. Существующие частицы взаимодействуют с электрическим полем, имеющемся на пластинах конденсатора, в результате чего образуются электрически связанные частицы. Они формируются вследствие контакта конденсаторных пластин конденсатора, а свободные заряды в это же время получают возможность свободного передвижения. Используя модель конденсатора, представляется возможным определить значение диэлектрической проницаемости. Для этого вычисляют показатель относительной проницаемости, используя значение ёмкости так называемого эталонного конденсатора. Эта ёмкость обычно соотносится с показателем диэлектрической проницаемости вакуума.
Интенсивность поляризационных процессов Р, протекающих в любом диэлектрике, является отношением суммарного дипольного момента к единице объёма конденсатора:
Итоговая интенсивность поляризационных процессов, которые протекают в диэлектриках, представляет собой векторную сумму нескольких источников: смещения электронов Pэ, смещения ионов Pи, переориентации диполей Pд, и смещения заряда в пространстве Pп:
Поэтому важно знать, в какой мере виды поляризации диэлектриков влияют на их значение в действующих электрических полях разной мощности.
Типы поляризации диэлектриков
Для каждой разновидности поляризационных процессов характерны собственные характеристики времени, которые зависят от показателя частоты имеющегося электрического поля. Быстрее всего реализуется механизм электронного смещения, что чаще всего и случается в высокочастотных полях. Ионная и, тем более, дипольная поляризация возникают при меньшей частотности, поэтому диэлектрическая проницаемость не относится к числу электрофизических констант. Однако при возрастании частоты показатель диэлектрической проницаемости, как правило, снижается, а механизмы её действия теряют первоначальную интенсивность.
Влияние частоты обуславливается сдвигом по фазе на 90 градусов параметров напряжения и тока на идеальном конденсаторе в цепях переменного тока. Фактические материалы-диэлектрики, которые имеются в распоряжении инженеров, характеризуются различного рода дефектами, наличие которые обуславливает дополнительные диэлектрические потери. В частности, значение угла запаздывания, который определяет расхождение между реальным и идеальным токами в конденсаторе получило название тангенса потерь (tg δ) или коэффициента рассеяния. С ростом характеристик диэлектрических констант фактические значения тангенса потерь обычно увеличиваются.
Частота, на которой используется диэлектрик, определяет влияние механизмов поляризации, отображаемое его материалом. При постоянном мониторинге за сменой показателей электрического поля в переменном контуре возможны три варианта:
Таким образом эффективность диэлектрика минимальна тогда, когда фактический период релаксации не зависит от характеристик поля. Эти свойством обладают, в частности, диэлектрические композиции из керамических материалов, которые практически всегда являются поликристаллами. В электростатических системах повышенной и высокой частоты такой показатель называют Q-фактором; он считается величиной, которая обратна показателю тангенса потерь.
Электронная
Возникает одновременно при активном воздействии электрического поля. В этом случае ядро атома вместе с его электронным облаком движутся во взаимно противоположных направлениях. В результате они удаляются друг от друга, а образующийся диполь обладает крайне малыми размерами. Соответственно эффект поляризации, если и возникает, то имеет весьма незначительные объём и влияние.
Рассматриваемый вид поляризации характеризуется небольшим относительным сдвигом позитивного и негативного заряда, которые перемещаются во взаимно обратных направлениях. Электронная поляризация активна, если имеющееся электрическое поле деформирует область негативно заряженных электронов, которые расположены у позитивно заряженных ядер. Существуют материалы, молекулы которых находятся в состоянии перманентной поляризации. Причина этого явления – наличие сильных и постоянных химических связей. Например, в воде электронный тип поляризации обусловлен молекулами, которые непрерывно вращаются под влиянием сильного электрического поля. В данном случае явление поляризации диэлектриков вызывает э дипольный момент, равный промежутку между центрами смещения негативных и позитивных зарядов, умноженному на их количество. Значение показателя электронной поляризации Р может быть вычислено как величина дипольного момента p, которая отнесена к единице объёма V поляризованного материала
Ионная
В некоторых твёрдых веществах-диэлектриках, например, в керамике, ионы в кристаллической решетке размещаются симметрично, естественно, что в таком случае поляризация отсутствует. Но, если ввести в такое электрическое поле некоторое количество положительно и отрицательно заряженных частиц, то их притягивание будет осуществляться в разных направлениях. Этим вызывается ионная поляризация, вызывающая изменения диэлектрических констант.
Всегда имеется некоторое расстояние между смежными ядрами в молекуле твёрдого тела-диэлектрика, поэтому в молекуле всегда наличествует дипольный момент, который не зависит от характеристик внешнего электрического поля. внешнего электрического поля. Как известно, молекулы поваренной соли имеют только два иона, поэтому в каждой молекуле появляется свой дипольный момент, направление которого – от негативно до позитивно заряженного иона.
Дипольная
Существует много ионных соединений, у которых более двух атомов. В этих случаях количество ионных связей, и, следовательно, моментов, также увеличивается. Результирующий параметр (который заключается в разделении позитивно и негативно заряженных частиц в структуре отдельной молекулы) будет являться векторной суммой отдельных дипольных моментов.
В том случае, когда молекула имеет центр симметрии, равнодействующий дипольный момент молекулы равен нулю. Чистый дипольный момент молекулы присутствует только в асимметричных молекулярных структурах. Эту величину называют постоянным дипольным моментом, поскольку он присутствует там даже тогда, когда внешнее поле отсутствует.
Некоторые твёрдые тела обладают постоянными молекулярными диполями. Они вращаются, создавая при этом средний дипольный момент, который направлен в направлении приложенного поля. Дипольная ориентация часто встречается в полимерных материалах, атомная структура которых допускает подобную переориентацию.
Самопроизвольная
Выше характерной температуры, называемой температурой точки Кюри, явление сегнетоэлектричества исчезает, потому что тепло интенсивно встряхивает диполи и тем самым преодолевает силы, самопроизвольно выравнивающие их.
Механизмы поляризации диэлектриков, кроме описанных, реализуются и в форме межфазной поляризации. В керамических материалах это явление возникает из-за посторонних зарядов, которые возникают из-за загрязнений или неправильной геометрии на границах раздела поликристаллических твердых тел. Эти заряды частично подвижны, поэтому перемещаются под действием приложенного поля.