Polarisering (elektromagnetisme)

Polarisering er en egenskap ved lys, radiobølger og røntgenstråler som er elektromagnetiske bølger med forskjellig bølgelengde.

Generelt sett henspiller polarisering seg på transversale bølger som har en svingning av bølgen som går på tvers av stråleretningen. Det kan sammenlignes med om vi holder et tau og beveger hånda fra side til side, eller opp og ned. Da vil vi se en bølge langs tauet som enten går opp og ned som er vertikalt polarisert, eller fra side til side som er horisontalt polarisert.

Dette er i motsetning til longitudinelle bølger som for eksempel lydbølger. Ved slike bølger er bølgebevegelsen i samme retning som bølgen beveger seg. Dette kan sammenlignes med at vi drar i og slipper ut tauet. Longitudinelle bølger kan ikke polariseres.

Det elektriske og det magnetiske feltet

Elektromagnetiske bølger har ett elektrisk felt og ett magnetisk felt. For å forklare retningen på feltene og polariseringen, kan man tenke seg en bølge som går igjennom et uendelig stort rom som en enkel flat bølgefront. Loddrett på bølgens bevegelsesretning ligger bølgefrontplanet. I dette planet går bølgens elektriske felt i en retning, og bølgens magnetiske felt i 90 graders vinkel på det elektriske feltet. Siden det magnetiske feltet alltid er i 90 graders vinkel på det elektriske feltet, og styrken av disse feltene er proporsjonale, defineres polariseringsretningen langs det elektriske feltet, og vi ser bort fra retningen på det magnetiske feltet. Aksen for det elektriske feltet regnes derfor som polariseringsaksen av polariserte elektromagnetiske bølger.

Polariserende filtre

Et polariserende filter har en polariseringsakse. Lys som er polarisert langs samme akse slippes igjennom, men lys som er polarisert 90 grader i forhold til aksen blir stoppet.

Dersom to polariseringsfiltre dekker hverandre med aksene rotert i 90 graders vinkel med hverandre, slipper lite eller intet lys igjennom.

Polariserende filtre brukes i fotokameraer, mikroskop, solbriller, polarimetre(for måling av drening av polarisert lys) og i LCD-skjermer.

Polarisering i blanke overflater

Virkning av et polariserende filter på reflektert lys fra våt jord. Ovenfor til venstre vises filteret rotert for å vise alt reflektert lys. På bildet til høyre er filteret rotert 90 grader i forhold til på venstre bilde, og stenger ute nesten alt reflektert lys.

Virkningen av et polariserende filter på fargebilde av himmelen. Ovenfor til høyre brukes filteret.

Lys som reflekteres av blanke, gjennomskinnelige eller gjennomsiktige materialer er polarisert i større eller mindre grad, unntatt når lyset er rettet rett mot overflaten (vinkelrett på flaten).

Polarisering i atmosfæren

Når lyset reflekteres eller brytes i atmosfæren, blir det brutte lyset mer eller mindre polarisert. Denne polariseringen kan gi større kontrast mellom skyer og blå himmel ved bruk av polariserende filter.

Ved solnedgang kan slik effekt sees best 90 grader til høyre eller venstre fra sola. Denne formen for polarisering skjer også i overskyet vær og kan gi mulighet for å finne ut hvor sola står, og gir mulighet for å finne kompassretningen ved hjelp av klokka under skyer.

Det er påstått at vikingene holdt greie på retningen under skyer og uten kompass under seilaser i Nord-Atlanteren fra 9ende til 11. århundre ved hjelp av en solstein, som på samme måte kunne fastsette retningen mot sola under skyer.

Bedret kontrast mellom blå himmel og skyer og polariseringen av reflektert lys på horisontale flater beskrevet ovenfor, er grunnene til at polaroid solbriller er populære.

Polarisering i dyreriket

Det er holdepunkter for at mange dyr kan oppfatte lysets polarisering for å bruke det til navigering siden sollys som er avbøyd 90 grader er polarisert vinkelrett på retningen mot sola. Bier og andre insekter gir artsfrendene opplysninger om hvor næring finnes i nabolaget ved å vise en danslignende bevegelsesforestilling. Det antaes at retningen mot sola også under skyer er elementer i denne informasjonen.

Tidligere har det vært antatt at duer også bruker polarisering av indirekte sollys på denne måten for å finne veien hjem, men nyere forskning tyder på at dette er feil.

Evnen til å oppfatte polarisert lys er sett hos noen typer blekksprut og reker. Noen av disse har raskt skiftende fargerike områder av skinnet som kan brukes til kontakt med artsfrendene.

Det menneskelige øyet har en evne til å oppfatte polarisert lys nær sentrum av synsfeltet, men det kreves en del trening for å kunne benytte dette.

Polarisering i faste gjennomsiktige stoffer

Strekk og trykk-krefter i glass og gjennomsiktig plast forårsaker polarisering av lys. Bilruter som er varmeherdet, har et mønster av slike strekkmønstre som sees lett om vi ser gjennom et bilvindu med polariserende briller.

Innen teknologisk utvikling av prototyper og mekaniske deler som skal tåle fysiske krefter er det nyttig å lage delen i glass eller plast og betrakte delen i polarisert lys under varierende mekanisk belastning.

Polarisering i fiberoptisk teknikk

For signaloverføring i fiberoptiske kabler kan polarisering og endret refraksjonsindeks brukes av instrumentene i endene av fiberforbindelsen.

Polarisering i LCD-skjermer

LCD-skjermer (liquid crystal display), som er vanlige på mobiltelefoner og dataskjermer består av en ytre plate med ett polariserende lag. Under dette er et lag der felter endrer sin polarisering ved elektrisk spenning. Disse skjermene kan få mindre kontrast eller bli uleselige om vi bruker briller med polariserende glass i feil retning i forhold til de polariserte flatene.

Polariserende lys i kunst

Flere kunstnere har benyttet polarisert lys og biter av polariserende plast og cellofan og får til skiftinger i farger og lyseffekter som ville være umulig uten polarisert lys.

3-D film

Polarisering kan benyttes ved fremvising av filmer med 3-dimensjonalt bilde, også kalt stereofilm. Seeren har briller med polariserende glass med den polariserende aksen i hver sin retning med 90 graders vinkel. Bildene som er tatt av to filmkameraer ved siden av hverandre, vises med hver sin framviser og med polariserende filter som gjør at det høyre øyet til seeren ser bildet fra høyre kamera, og det venstre øyet ser bildet fra venstre kamera. Dette gir en dybdevirkning i bildet som kan bli større enn forskjellen mellom å se med ett eller to øyne.

En vanlig filmskjerm kan forårsake endret polarisering som ødelegger denne effekten, så det kan bli nødvendig med en spesiell sølvskjerm.

En annen teknikk som gir samme effekt, er å bruke en fremviser som kan gi forskjellig polarisering fra bilde til bilde.

Det finnes andre teknikker for 3D-film som ikke benytter polarisering, men forskjellige fargefilter for øynene eller skjerm med smale, vertikale prismelinser.

Dreining av polarisert lys i organisk kjemi

Mange litt større kjemiske molekyler forårsaker en dreining av polarisert lys. Lyset fortsetter rett fram i samme retning, men polariseringsretningen dreies enten mot høyre eller mot venstre.

Bakgrunnen for dette er at karbonmolekyler kan være kjemisk bundet til fire forskjellige deler av molekyler slik at det ikke dannes et symmetriplan gjennom karbonatomet, men at det blir en rommessig struktur som også kan dreie lys. Dette skjer i vanlige glukose molekyler og i en del medikamenter.

En substans kalles «dekstro» form om det polariserte lyset dreies til høyre og «levo» form om lyset dreies til venstre. Fenomenet kalles optisk isomeri, og de forskjellige stoffene kalles dekstro-isomerer eller levo-isomerer. En dekstro og levo isomer av en substans har samme grupper av atomer, men en asymmetrisk plassering omkring ett karbonatom er forskjellig mellom de to isomerene.

For noen slike medikamenter er det bare den ene isomer-formen som gir medisinsk effekt, så det kan være hensiktsmessig å rense slik at medikamentet bare inneholder den ene aktive formen.

Konsentrasjonen av en lysdreiende isomer i en væske kan bestemmes av hvor mange grader polarisert lys blir dreid over en bestemt avstand i væsken. Dette kan gjøres med et instrument som kalles polarimeter.

Polarisering av radiobølger

Alle vanlige radio og fjernsynsantenner sender og tar imot et polarisert signal. Dersom senderantennen og mottakerantennen ikke er polarisert samme vei, kan det mottatte signalet bli svakt eller ingenting. Av denne grunn kan det forekomme i områder med store behov for radiofrekvenser at samme radiokanal kan brukes igjen med mindre geografisk avstand enn normalt, og ved å bruke polarisering den andre veien enn normalt. Dette benyttes i satellittsendinger som sender signaler både med horisontal og vertikal polarisering.

Fjernsynssignaler er nesten alltid horisontalt polarisert. De vanlige Yagi (antenne)ne for fjernsyn har derfor elementer som ligger horisontalt.

AM og FM kringkastingssignaler er nesten alltid vertikalt polarisert. Det er også radiosignalene til kommunikasjonsradioer. En av grunnene til dette er at det er enkelt å lage en antenne med vertikal polarisering som sender og tar imot signalet like godt i alle retninger. En enkelt kvartbølgeantenne eller 5/8-dels antenne er en enkel vertikal stang, og sender like godt i alle retninger med vertikal polarisering.

Ved bruk av privatradio, eller andre bærbare kommunikasjonradioer med en enkel antenne øverst på radioen, kan man miste forbindelsen ved å holde radioen horisontalt eller å legge den ned.

I områder med dårlig signal for en kommunikasjonradio kan en retningsvirkende Yagiantenne gi brukbart signal ved innstilling av antennen i riktig retning. Da må elementene på Yagiantennen stilles vertikalt for å få riktig vertikal polarisering.

Enkelte satellitter sender radiosignaler med roterende polarisering, og det forekommer også elliptisk polarisering. Det finnes spesielle antenner som sender og tar imot slike signaler.

Vinkler og plan og forskjellig polarisering

I mange sammenhenger beskrives lyspolariseringen etter et aksesystem der «z-aksen» angir lysets /bølgens bevegelsesretning, og «x-aksen» er en tilfeldig valgt akse i planet på tvers av stråleretningen. «y-aksen» blir i samme planet, men i 90 graders vinkel med x-aksen.

Når bølgen har en enkel frekvens uten harmoniske "overtoner" og med form som en ren sinuskurve, vil det elektriske feltets projeksjoner i de to projeksjons-planene «xz» og «yz» varierer med nøyaktig samme frekvens. Likevel har de to projeksjonene to andre særtegn som kan være forskjellige. De to projeksjonene kan for det første ha forskjellig amplitude. For det andre kan de være faseforskjøvet, det vil si at topputslaget for den ene projeksjonen kan komme litt etter topputslaget for den andre.

Formen som kan registreres på definerte plan av de varierende vektorene av de elektriske feltene når en bølge passerer, kalles en Lissajous figur og er en god beskrivelse av polariseringstilstanden av en bølge.

Figurene under viser noen eksempler på utviklingen av vektoren av det elektriske feltet (blå kurve) mot tiden (den vertikale aksen), med x og y projeksjonene (rød/venstre og grønn/høyre), i tillegg til sporet (rosa) etter vektorens spiss projisert på det definerte planet.

Lineær
Sirkulær
Elliptisk

I figuren over til venstre sees elektrisk vektor langs x-aksen i fase med vektoren langs y-aksen slik at projeksjonen av dem over tid blir en rett linje. Dette blir en lineær polarisasjon.

I den midterste figuren over har projeksjonene av det elektriske feltet samme amplitude og de er faseforskjøvet nøyaktig 90 grader. Projeksjonen av vektoren over tid danner da en sirkel. For å få til en slik polarisering, som kalles sirkulær, må feltprojeksjonene være nøyaktig 90 grader faseforskjøvet. Dette gir 2 muligheter, at x projeksjonen er 90 grader etter y, eller omvendt. Da er det enten høyredreiende polarisering eller venstredreiende polarisering avhengig av rotasjonsretningen på polariseringen.

I alle andre tilfeller, det vil si når projeksjonene ikke er i fase og har forskjellig amplitude og har en annen faseforskyvning enn 90 grader, kalles polariseringen elliptisk siden vektorens projeksjon over tid blir en ellipse.

Inkoherent stråling

I naturen dannes elektromagnetisk stråling av et stort antall strålekilder som danner bølger uavhengig av hverandre. Denne typen stråling kalles inkoherent. Det er ikke en bestemt frekvens /bølgelengde, men et sammenhengende spekter over et frekvensbånd. Det er også polarisering uten ensartede mønster. Et lys kan beskrives med tilfeldig polarisering med alle polariseringsretninger og med grader av polarisering definert til et polariseringsplan.

Se også

Eksterne lenker

(en) Polarization (waves) – kategori av bilder, video eller lyd på Commons