Polarisering: Hvad er det? Forklaring af lys, bølger og polariserede solbriller
Forstå polarisering: Læs en klar forklaring af lys og bølger, hvordan polariserede solbriller virker, og hvorfor de reducerer blænding.
Polarisation (også polarisering) er en egenskab ved nogle typer bølger. Mange bølger har svingninger i en retning, som kan være forskellig fra den retning, bølgen bevæger sig i. For eksempel vil en vandbølge bevæge sig hen over overfladen, men vandpartiklerne svinger ofte op og ned eller i cirkler i selve bevægelsen. Lysbølger er på samme måde tværgående bølger, selv om de også kan beskrives som partikler (fotoner). Det betyder, at lysets elektriske felt svinger i en bestemt retning vinkelret på udbredelsesretningen. Lydbølger har derimod ikke polarisering på samme måde, fordi de er langsgående bølger — partiklerne svinger frem og tilbage i samme retning som bølgens udbredelse. Polariserede solbriller udnytter disse svingninger til at reducere blænding.
Hvad betyder polarisation i praksis?
Uspoleret lys består af mange små bølgekilder, hvor elektriske felter peger i tilfældige retninger. Når lyset bliver polariseret, bliver disse retninger ordnet — for eksempel kan alle elektriske felter pege lodret (lineær polarisering) eller rotere i en bestemt retning (cirkulær polarisering). Polarisation fortæller altså noget om lysfeltets orientering og faseforhold mellem komponenter.
Typer af polarisation
- Lineær polarisering: Feltet svinger i én fast retning (f.eks. lodret eller vandret).
- Cirkulær polarisering: To vinkelrette svingningskomponenter har samme amplitude, men er 90° ude af fase, så resultantfeltet roterer med konstant størrelse.
- Elliptisk polarisering: Generaltilfældet, hvor de to komponenter har forskellige størrelser eller faseforskelle, så feltet beskriver en ellipse.
Hvordan virker polariserede solbriller?
Polariserede solbriller indeholder et filter (ofte en polymerfilm kaldet polaroid), som kun tillader lys med en bestemt polarisation at passere. Mange reflekterede lysfænomener — f.eks. sollys der reflekteres fra vand, sne eller veje — bliver stærkt polariseret i en vandret retning. Et polariseringsfilter, der blokerer denne retning, kan derfor:
- reducere blænding og ubehag fra skarpt reflekteret lys,
- øge kontrasten og gøre det lettere at se detaljer (f.eks. i kørsel eller ved fiskeri),
- forbedre synskomfort uden nødvendigvis at mørklægge alting kraftigt.
Hvis du drejer brillerne 90°, vil de blokere en anden polarisation og derfor ændre hvordan refleksioner og kontraster ser ud. Denne egenskab kan også bruges til at teste om et vindue eller en skærm er polariseret — ved at rotere et polariseringsfilter og se ændringer i lysstyrken.
Fysiske principper og eksempler
Nogle vigtige pointer:
- Brewsters vinkel: Når lys reflekteres fra en overflade ved en bestemt vinkel (Brewsters vinkel), bliver det reflekterede lys fuldstændigt polariseret i en retning. Det er en årsag til kraftig vandret polarisation fra våd vej eller vandflader.
- Malus' lov: Intensiteten af lineært polariseret lys, der passerer gennem et andet polariseringsfilter, afhænger af vinklen mellem deres akser. Intensiteten følger cos²-afhængighed — i daglig tale: jo større vinkel, desto mindre lys slipper igennem.
- Teknologiske anvendelser: LCD-skærme bruger polarisatorer til at styre lysgennemgangen; 3D-biografer benytter ofte polarisation (lineær eller cirkulær) til at sende to forskellige billeder til hvert øje; forskere bruger polariseret lys i målinger af materialers egenskaber.
- Diagnostik og kunst: Polariseret lys afslører stress i gennemsigtige plastmaterialer (photoelasticitet) og bruges i materialeprøvning og i kunstfotografi for at fjerne refleksioner.
Hvorfor lydbølger ikke er polariserede
Lydbølger i luft er langsgående, hvilket betyder, at luftpartiklerne svinger frem og tilbage i samme retning som bølgen bevæger sig. Derfor giver begrebet "retning for svingning vinkelret på udbredelsesretningen" ikke mening for almindelig lyd i luft, og man taler ikke om polarisation på samme måde som for lys. I faste stoffer og i nogle mekaniske systemer kan dog optræde transversale bølger, hvor polarisation bliver relevant.
Kort opsummering
Polarisation beskriver, hvordan svingningerne i en bølge er orienteret. For lys betyder det orienteringen af det elektriske felt. Polariserede solbriller bruger filtre, der blokerer bestemte polarisationer og dermed reducerer blænding fra reflekteret, ofte vandret polariseret, lys. Polarisation har mange praktiske anvendelser fra skærme og 3D-teknik til fotografering og materialeundersøgelser.
Lys
Lys, der reflekteres af skinnende gennemsigtige materialer, er helt eller delvist polariseret, undtagen når lyset er vinkelret på overfladen. Polarisering blev først opdaget i 1808 af matematikeren Etienne Louis Malus. Et polarisationsfilter, f.eks. et par polariserende solbriller, kan bruges til at observere denne effekt ved at dreje filteret, mens man ser gennem det på reflektionen fra en fjern horisontal overflade. Ved visse rotationsvinkler vil det reflekterede lys blive reduceret eller elimineret. Polarisationsfiltre fjerner lys, der er polariseret 90° i forhold til filterets polarisationsakse. Hvis to polarisatorer placeres oven på hinanden i en vinkel på 90° i forhold til hinanden, kan meget lidt lys passere gennem begge.
Polarisation ved spredning observeres, når lyset passerer gennem atmosfæren. Det spredte lys giver lysstyrken og farven på en klar himmel. Denne delvise polarisering af det spredte lys kan bruges til at mørklægge himlen på fotografier, hvilket øger kontrasten. Denne effekt er lettest at observere ved solnedgang, ved horisonten i en vinkel på 90° fra den nedgående sol. En anden let observeret effekt er den drastiske reduktion af lysstyrken på billeder af himlen og skyer, der reflekteres fra vandrette flader. Det er derfor, at polariseringsfiltre ofte anvendes i solbriller. Polariserende solbriller viser også regnbueagtige mønstre forårsaget af farveafhængige dobbeltbrydende effekter, f.eks. i hærdet glas (f.eks. bilruder) eller genstande fremstillet af gennemsigtige plastmaterialer. Den rolle, som polarisering spiller i forbindelse med driften af LCD-skærme (LCD-skærme), er også ofte synlig for brugeren af polariserende solbriller, hvilket kan reducere kontrasten eller endog gøre skærmen ulæselig.
Polarisationsfilter
Polarisation af lys er nyttig, efter at det er blevet filtreret. Et filter adskiller lys med én type polarisering fra andre typer. Det meste dagslys eller lys fra en pære har en blanding af polarisationer (lasere er en undtagelse). Filteret fungerer lidt ligesom at prøve at putte et spillekort gennem en kam - kun hvis kortet vendes i den rigtige retning, passer det ind. Lys, der er drejet en anden vej, vil blive blokeret af filteret. LCD-skærme (Liquid Crystal Displays) bruger dette til at blokere lyset for at lave bogstaver eller tal på et display. Briller, der har forskellige polarisationsfiltre til hvert øje, kan adskille lys, der er beregnet til venstre øje og til højre øje. Dette er en almindelig måde at lave 3D-film og 3D-tv på.
I naturen har lys, der preller af på en overflade, undertiden den samme polarisering - dette kaldes "blænding" fra et vindue eller vand. Et polarisationsfilter på et kamera fjerner denne blænding for at hjælpe med at se gennem vinduet eller vandet (eller kan øge blændingen, afhængigt af hvordan det er indstillet).
Fotografiet til højre blev taget gennem polariserende solbriller og gennem bagruden på en bil. Lyset fra himlen reflekteres af forruden på den anden bil i en vinkel, hvilket gør det mest horisontalt polariseret. Bagruden er lavet af hærdet glas. Spændinger fra varmebehandling af glasset ændrer polariseringen af det lys, der passerer igennem det, ligesom en bølgeplade. Uden denne effekt ville solbrillerne blokere det horisontalt polariserede lys, der reflekteres fra den anden bils vindue. Spændingen i bagruden ændrer imidlertid noget af det horisontalt polariserede lys til vertikalt polariseret lys, som kan passere gennem brillerne. Som følge heraf bliver det regelmæssige mønster af varmebehandlingen synligt.
Polariserende solbriller afslører spændinger i bilruden (se teksten for forklaring.)
Effekten af et polariseringsfilter på himlen i et fotografi. På billedet til højre er filteret anvendt.
Effekten af en polarisator på refleksion fra mudderflader. På billedet til venstre er polarisatoren drejet for at transmittere refleksionerne bedst muligt; ved at dreje polarisatoren 90° (billedet til højre) blokeres næsten alt spejlreflekteret sollys.
Elektromagnetisk
Andre elektromagnetiske bølger har også polarisering, men det kan ske på forskellige måder.
Generel polarisering: Nogle bølger kan beskrives ved at have det elektriske felt vinkelret på bølgeretningen, og disse kaldes TE-bølger (transversale elektriske bølger). Andre har et magnetfelt vinkelret på bølgernes retning, og disse kaldes TM-bølger (transversale magnetiske bølger). Dette er de mest generelle typer af bølgepolarisering. De kan også kaldes vertikalt eller horisontalt polariserede bølger. Hvis både det elektriske felt og det magnetiske felt er vinkelret på bølgernes retning, kaldes bølgen TEM (transversal elektromagnetisk). Lineær, cirkulær og elliptisk polarisering er specifikke tilfælde af TEM-polarisering.
Lineær, cirkulær og elliptisk polarisering er tre specifikke typer af TEM-polarisering. De kan ikke måles tæt på en antenne. Langt væk fra en antenne er felterne TEM, så disse kan anvendes. De er lette at forestille sig, hvis man ser fra bølgen ligeud.
Lineær polarisering
Hvis man ser i bølgeretningen, er det elektriske felt en enkelt lige linje. Hvis retningen af det elektriske felt forbliver konstant, selv om størrelsen eller størrelsen ændres, kaldes polarisationstilstanden lineær. Dette skyldes, at spidsen af den elektriske feltvektor tegner sig som en ret linje i det plan, der er vinkelret på bølgens fremadrettede retning. (Svarende til at ryste et hoppetov op og ned, mens man ser på tovet fra den ene ende. Det bevægelige reb vil have form som en linje).
Cirkulær polarisering
Hvis man ser i bølgeretningen, tegner det elektriske felt sig som en cirkel. Hvis størrelsen af det elektriske felt er konstant, og hvis man lader retningen variere, kaldes polarisationstilstanden cirkulær, fordi spidsen af det elektriske felt tegner en cirkel i det plan, der er vinkelret på bølgens fremadrettede retning. Cirkelen kan især tegnes i retning med eller mod uret (når bølgen bevæger sig væk). (Dette svarer til at svinge et hoppetov rundt for at hoppe, det giver en cirkelform).
Elliptisk polarisering
Dette er ligesom cirkulær polarisering, men størrelsen ændres, når den roterer, og danner en ellipse.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er polarisering?
A: Polarisation er en egenskab ved nogle typer af bølger, hvor bølgen har bevægelse i en anden retning samt bølgeretning.
Spørgsmål: Hvilke typer bølger har polarisering?
Svar: Lys- og vandbølger har polarisering, mens lydbølger ikke har det.
Spørgsmål: Hvordan udnytter polariserede solbriller disse svingninger?
A: Polariserede solbriller er designet til at filtrere visse lysbølger, der svinger i en bestemt retning, hvilket er med til at reducere blænding og forbedre synligheden.
Spørgsmål: Er lysbølger partikler eller tværgående bølger?
A: Lysbølger er både partikler og tværgående bølger.
Spørgsmål: Har lydbølger polarisering?
A: Nej, lydbølger er langsgående og har ikke polarisering.
Spørgsmål: Hvordan bevæger en bølge sig over vand?
Svar: En bølge bevæger sig over vandets overflade, men den får også vandet til at bevæge sig op og ned på overfladen.
Søge