Elektromagnetisk polarisering

Polarisering er ein eigenskap ved lys, radiobølgjer og røntgenstrålar som er elektromagnetiske bølgjer med ulike bølgelengder.

Generelt sett syner polarisering seg på transversale bølgjer som har ei svinging av bølgja som går på tvers av stråleretninga. Det kan samanliknast med om vi held eit tau og rører handa frå side til side, eller opp og ned. Då vil vi sjå ei bølgje langs tauet som anten går opp og ned som er vertikalt polarisert, eller frå side til side som er horisontalt polarisert.

Dette er i motsetnad til longitudinelle bølgjer som lydbølgjer. Ved slike bølgjer er bølgjerørsla i same retning som bølgja rører seg. Dette kan samanliknast med at vi dreg i og slepp ut tauet. Longitudinelle bølgjer kan ikkje polariserast.

Det elektriske og det magnetiske feltet

Elektromagnetiske bølgjer har éit elektrisk felt og éit magnetisk felt. For å forklare retninga på felta og polariseringa, kan ein tenkja seg ei bølgje som går igjennom eit uendeleg stort rom som ein enkel flat bølgjefront. Loddrett på rørsleretninga til bølgja ligg bølgjefrontplanet. I dette planet går det elektriske feltet til bølgja i ei retning, og magnetfeltet til bølgja i vinkelen 90 grader på det elektriske feltet. Sidan det magnetiske feltet alltid er i vinkelen 90 grader på det elektriske feltet, og styrken av desse felta er proporsjonale, blir polariseringsretninga definert langs det elektriske feltet, og vi ser bort frå retninga på det magnetiske feltet. Aksen for det elektriske feltet blir difor rekna som polariseringsaksen av polariserte elektromagnetiske bølgjer.

Polariserande filter

Animasjon der eit polariseringsfilter blir dreidd i polarisert lys.

Polariseringsfilter.

Eit polariserande filter har ein polariseringsakse. Lys som er polarisert langs same akse blir sloppe igjennom, men lys som er polarisert 90 grader i tilhøve til aksen blir stoppa.

Dersom to polariseringsfilter dekker kvarandre med aksen rotert i vinkelen 90 grader med kvarandre, slepp lite eller inkje lys igjennom.

Polariserande filter blir brukt i fotokamera, mikroskop, solbriller, polarimeter (for måling av dreiing av polarisert ljos) og i LCD-skjermar.

Polarisering i blanke overflater

Verknad av eit polariserande filter på reflektert lys frå våt jord. Ovanfor til venstre er filteret rotert for å vise alt reflektert lys. På biletet til høge er filteret rotert 90 grader i forhold til på venstre bilete, og stenger ute nesten alt reflektert lys.

Verknaden av eit polariserende filter på fargebilete av himmelen. Ovanfor til høgre er filteret nytta.

Lys som blir reflektert av blanke, gjennomskinnelege eller gjennomsiktige material er polarisert i større eller mindre grad, unntatt når lyset er retta rett mot overflata (vinkelrett på flata).

Polarisering i atmosfæren

Når lyset reflekterast eller blir brote i atmosfæren, blir det brotne lyset meir eller mindre polarisert. Denne polariseringa kan gje større kontrast mellom skyer og blå himmel ved bruk av polariserande filter.

Ved solnedgang kan slik effekt sjåast best 90 grader til høgre eller venstre frå sola. Denne forma for polarisering skjer òg i overskya vêr og kan gje høve for å finne ut der sola står, og gjev høve for å finne kompassretninga ved hjelp av klokka under skyer.

Det er påstått at vikingane heldt greie på retninga under skyer og utan kompass under seglas i Nord-Atlanteren frå 800- til 1000-talet ved hjelp av ein solstein, som på same måte kunne fastsetje retninga mot sola under skyer.

Betra kontrast mellom blå himmel og skyer og polariseringa av reflektert lys på horisontale flatar skildra ovanfor, er grunnane til at polaroide solbriller er populære.

Polarisering i dyreriket

Det er haldepunkt for at mange dyr kan oppfatte polariseringa til lyset for å bruke det til navigering sidan sollys som er avbøygd 90 grader er polarisert vinkelrett på retninga mot sola. Bier og andre insekt gjev artsfrendane opplysningar om der næring finst i nabolaget ved å vise ein dansliknande rørsleforesetilling. Det blir trudd at retninga mot sola òg under skyer er element i denne informasjonen.

Tidlegare har det vore trudd at duer òg brukar polarisering av indirekte sollys på denne måten for å finne vegen heim, men nyare forsking tyder på at dette er feil.

Evna til å oppfatte polarisert lys er sett hos nokre typar blekksprut og reker. Nokre av desse har raskt skiftande fargerike område av skinnet som kan brukast til kontakt med artsfrendane.

Det menneskelege auget har ei evne til å oppfatte polarisert lys nær sentrum av synsfeltet, men det blir kravd ein del trening for å kunne nytte dette.

Polarisering i faste gjennomsiktige stoff

Strekk og trykk-krefter i glas.

Strekk- og trykk-krefter i glas og gjennomsiktig plast skapar polarisering av lys. Bilruter som er varmeherda, har eit mønster av slike strekkmønster som ein lett kan sjå om vi ser gjennom eit bilvindauge med polariserande briller.

Innan teknologisk utvikling av prototypar og mekaniske delar som skal tole fysiske krefter er det nyttig å lage delen i glas eller plast og sjå på delen i polarisert lys under varierande mekanisk belastning.

Polarisering i fiberoptisk teknikk

For signaloverføring i fiberoptiske kablar kan polarisering og endra refraksjonsindeks brukast av instrumenta i endene av fibersambandet.

Polarisering i LCD-skjermar

LCD-skjermar (liquid crystal display), som er vanlege på mobiltelefonar og dataskjermar består av ei ytre plate med éit polariserande lag. Under dette er eit lag der felt endrar polariseringa si ved elektrisk spenning. Desse skjermane kan få mindre kontrast eller bli uleselege om vi brukar briller med polariserande glas i feil retning i tilhøve til dei polariserte flatene.

Polariserande lys i kunst

Fleire kunstnarar har nytta polarisert lys og bitar av polariserande plast og cellofan og får til skiftingar i fargar og lyseffekter som ville vere umogleg utan polarisert lys.

3D-film

Polarisering kan nyttast ved framvising av filmar med 3-dimensjonalt bilete, òg kalla stereofilm. Sjåaren har briller med polariserande glas med den polariserande aksen i kvar si retning med vinkelen 90 grader. Bileta som er teke av to filmkamera ved sida av kvarandre, blir vist med kvar sin framviser og med polariserande filter som gjer at det høgre auget til sjåaren ser biletet frå høgre kamera, og det venstre auget ser biletet frå venstre kamera. Dette gjev ein djupneverknad i biletet som kan bli større enn skilnaden mellom å sjå med éit eller to auge.

Ein vanleg filmskjerm kan skape endra polarisering som øydelegg denne effekten, så det kan bli naudsynt med ein spesiell sølvskjerm.

Ein annan teknikk som gjev same effekt, er å bruke ein framviser som kan gje ulik polarisering frå bilete til bilete.

Det finst andre teknikkar for 3D-film som ikkje nyttar polarisering, men ulike fargefilter for auga eller skjerm med smale, vertikale prismelinser.

Dreiing av polarisert ljos i organisk kjemi

Mange litt større kjemiske molekyl skapar ei dreiing av polarisert lys. Lyset fortset rett fram i same retning, men polariseringsretninga dreiast anten mot høgre eller mot venstre.

Bakgrunnen for dette er at karbonmolekyl kan vere kjemisk bundne til fire ulike delar av molekyl slik at det ikkje blir danna eit symmetriplan gjennom karbonatomet, men at det blir ein rommessig struktur som òg kan dreie lys. Dette skjer i vanlege glukosemolekyl og i ein del medikament.

Ein substans kallast «dekstro» form om det polariserte lyset dreiast til høgre og «levo» form om lyset blir dreidd til venstre. Fenomenet blir kalla optisk isomeri, og dei ulike stoffa blir kalla dekstro-isomerar eller levo-isomerar. Ein dekstro og levo isomer av ein substans har same grupper av atom, men ein asymmetrisk plassering omkring éit karbonatom er ulik mellom dei to isomerane.

For nokre slike medikament er det berre den eine isomer-forma som gjev medisinsk effekt, så det kan høve seg å reinse slik at medikamentet berre inneheld den eine aktive forma.

Konsentrasjonen av ein lysdreiande isomer i ei væske kan avgjerast av kor mange grader polarisert lys blir dreidd over ein bestemd avstand i væska. Dette kan gjerast med eit instrument som blir kalla polarimeter.

Polarisering av radiobølgjer

Alle vanlege radio og fjernsynsantenner sendar og tek imot eit polarisert signal. Dersom sendarantenna og mottakarantenna ikkje er polarisert same veg, kan det mottekne signalet bli svakt eller inkje. Av denne grunnen kan det finnast i område med store behov for radiofrekvensar at same radiokanal kan brukast igjen med mindre geografisk avstand enn normalt, og ved å bruke polarisering den andre vegen enn normalt. Dette blir nytta i satellittsendingar som sender signal både med horisontal og vertikal polarisering.

Fjernsynssignal er nesten alltid horisontalt polarisert. Dei vanlege Yagi-antennene for fjernsyn har difor element som ligg horisontalt.

AM og FM kringkastingssignal er nesten alltid vertikalt polarisert. Det er òg radiosignala til kommunikasjonsradioar. Ein av grunnane til dette er at det er enkelt å lage ei antenne med vertikal polarisering som sender og tek imot signalet like godt i alle retningar. Ei einskild kvartbølgjeantenne eller 5/8-dels antenne er ei enkel vertikal stong, og sender like godt i alle retningar med vertikal polarisering.

Ved bruk av privatradio, eller andre berbare kommunikasjonradioar med ei enkel antenne øvst på radioen, kan ein miste sambandet ved å halde radioen horisontalt eller å leggje han ned.

I område med dårleg signal for ein kommunikasjonradio kan ein retningsvirkande Yagiantenne gje brukbart signal ved innstilling av antenna i riktig retning. Då må elementa på Yagiantenna stillast vertikalt for å få riktig vertikal polarisering.

Einskilde satellittar sendar radiosignal med roterande polarisering, og det finst òg elliptisk polarisering. Det finst spesielle antenner som sender og tek imot slike signal.

Vinklar og plan og ulikt polarisering

I mange samanhengar skildrast lyspolariseringa etter eit aksesystem der «z-aksen» gjev rørsleretninga til lysbølgja, og «x-aksen» er ein tilfeldig vald akse i planet på tvers av stråleretninga. «y-aksen» blir i same planet, men i vinkelen til 90 grader med x-aksen.

Når bølgja har ein enkel frekvens utan harmoniske «overtonar» og med form som ei ren sinuskurve, vil projeksjonane til det elektriske feltet i dei to projeksjon-plana «xz» og «yz» varierer med nøyaktig same frekvens. Likevel har dei to projeksjonane to andre særteiknsom kan vere ulike. Dei to projeksjonane kan for det første ha ulik amplitude. For det andre kan dei vere faseforskyvd, det vil seie at topputslaget for den eine projeksjonen kan kome litt etter topputslaget for den andre.

Forma som kan registrerast på definerte plan av dei varierande vektorane av dei elektriske felta når ei bølgje passerer, blir kalla ein Lissajous figur og er ei god skildring av polariseringstilstanden av ei bølgje.

Figurane under viser nokre døme på utviklinga av vektoren av det elektriske feltet (blå kurve) mot tida (den vertikale aksen), med x- og y-projeksjonane (raud/venstre og grøn/høgre), i tillegg til sporet (rosa) etter spissen til vektoren projisert på det definerte planet.

Lineært polariseringsdiagram	Sirkulært polariseringsdiagram	Elliptisk polariseringsdiagram
Lineær	Sirkulær	Elliptisk

I figuren over til venstre kan ein sjå ein elektrisk vektor langs x-aksen i fase med vektoren langs y-aksen slik at projeksjonen av dei over tid blir ei rett linje. Dette blir ein lineær polarisasjon.

I den midterste figuren over har projeksjonane av det elektriske feltet same amplitude og dei er faseforskyvd nøyaktig 90 grader. Projeksjonen av vektoren over tid dannar då ein sirkel. For å få til ein slik polarisering, som blir kalla sirkulær, må feltprojeksjonane vere nøyaktig 90 grader faseforskyvd. Dette gjev to høve, at x-projeksjonen er 90 grader etter y, eller omvendt. Då er det anten høgredreiande polarisering eller venstredreiande polarisering avhengig av rotasjonsretninga på polariseringa.

I alle andre tilfelle, det vil seie når projeksjonane ikkje er i fase og har ulik amplitude og har ein annan faseforskyving enn 90 grader, blir polariseringa kalla elliptisk sidan projeksjonen til vektoren over tid blir ein ellipse.

Inkoherent stråling

I naturen dannast elektromagnetisk stråling av mange strålekjelder som dannar bølgjar uavhengig av kvarandre. Denne typen stråling blir kalla inkoherent. Det er ikkje ein bestemd frekvens eller bølgjelengd, men eit samanhengande spekter over eit frekvensband. Det er òg polarisering utan einsarta mønster. Eit lys kan skildrast med tilfeldig polarisering med alle polariseringsretningar og med grader av polarisering definert til eit polariseringsplan.

Sjå òg

Kjelder

Denne artikkelen bygger på «Polarisering (elektromagnetisme)» frå Wikipedia på bokmål, den 19. februar 2013.