Skip to main content
Вся фізика

Вектор електричного поля світлової хвилі

Фейнманівські лекції з фізики

У цьому розділі ми розглянемо коло явищ, пов'язаних із векторним характером електричного поля світлової хвилі. У попередніх розділах напрямок коливань електричного поля нас не цікавив, правда, ми зазначили, що вектор електричного поля лежить у площині, перпендикулярній напрямку поширення світла. Але нам не потрібно було знати напрямок вектора точніше. Тепер ми перейдемо до вивчення явищ, у яких головну роль відіграє певний напрямок коливань електричного вектора. В ідеально монохроматичній світловій хвилі електричне поле коливається з певною частотою, а оскільки х- та y-компоненти поля можуть коливатися незалежно з однією й тією самою частотою, то спочатку ми розглянемо додавання двох взаємно перпендикулярних коливань. Яке електричне поле виникає при додаванні коливань х- та y-компонент поля з однаковою частотою? Додаючи коливання в напрямку х і коливання з тією самою фазою в напрямку y, отримуємо в площині ху коливання в новому напрямку. На фіг. 33.1 показано, як відбувається додавання коливань з різними амплітудами в напрямку х і у. Але приклади, наведені на цьому рисунку, не вичерпують усіх можливостей: досі передбачалося, що коливання вздовж осей х і у перебувають в одній фазі, але це зовсім не обов'язково. Може статися, що х- та y-коливання відбуваються з різними фазами. У цьому останньому випадку вектор електричного поля описує еліпс, що можна проілюструвати на такому простому прикладі. Підвісимо на довгій мотузці м'яч, щоб він міг вільно коливатися в горизонтальній площині; коливання матимуть синусоїдний характер. Уявімо собі подумки осі х і у в горизонтальній площині коливань м'яча з початком координат у точці спокою м'яча. Вибираючи відповідне початкове зміщення і початкову швидкість м'яча, можна змусити м'яч коливатися по осі х, по осі у або в будь-якому іншому напрямку в площині ху з тією самою частотою, що дорівнює частоті маятника. Ці коливання м'яча аналогічні коливанням електричного вектора, наведеним на фіг. 33.1. У кожному випадку коливання в напрямках х і у досягають максимуму одночасно і, отже, обидва коливання перебувають у фазі. Але відомо, що найзагальніший тип руху м'яча — рух по еліпсу — виникає, коли коливання в напрямках х і у відбуваються з різними фазами. На фіг. 33.2 показано додавання коливань по осях х і у для різних значень зсуву фаз між ними. У всіх прикладах електричний вектор описує еліпс. Коливання по прямій є теж окремим випадком еліптичного, коли зсув фаз дорівнює нулю (або цілому кратному π); за рівних амплітуд і зсуву фаз 90° (або непарного числа π/2) відбувається рух по колу. На фіг. 33.2 компоненти електричного поля в напрямках х і у записані у вигляді комплексних чисел, що виявляється дуже зручним для явного виділення різниці фаз. У цих позначеннях не слід тільки плутати дійсну та уявну частини з x- та y-компонентами поля. Зображені на фіг. 33.2 компоненти поля по осях х і у є реальними фізичними полями, які можна виміряти. Дійсна та уявна частини вектора електричного поля введені лише для математичної зручності, і фізичного змісту такий поділ не має. Зробимо кілька зауважень щодо термінології. Світло називається лінійно поляризованим (іноді плоско поляризованим), якщо електричне поле коливається по прямій лінії; на фіг. 33.1 показано випадок лінійної поляризації. Коли вектор електричного поля описує еліпс, говорять про еліптичну поляризацію. Якщо ж електричний вектор описує коло, ми маємо кругову поляризацію. Якщо електричний вектор під час свого руху у світловій хвилі обертається як правосторонній гвинт, говорять про праву кругову поляризацію. На фіг. 33.2, ж наведено приклад правої кругової поляризації, а на фіг. 33.2, в — приклад лівої кругової поляризації. В обох випадках світло рухається від площини сторінки до читача. Наше визначення лівої та правої кругових поляризацій узгоджується з подібними визначеннями для всіх інших частинок у сучасній фізиці, для яких можна ввести поняття поляризації (наприклад, для електронів). Однак у курсах оптики іноді використовуються прямо протилежні визначення, тому читачеві слід з обережністю ставитися до термінів ліва та права поляризація. Ми описали лінійну, кругову та еліптичну поляризації світла і охопили, таким чином, усі можливі випадки стану світла, крім одного, — випадку неполяризованого світла. Ну, а як же може вийти неполяризоване світло, якщо відомо, що коливання неодмінно відбуваються по тому чи іншому еліпсу? Візьмемо не зовсім монохроматичне світло, коли зсув фаз х- та y-коливань непостійний і електричний вектор коливається довільним чином; тоді поляризація світла буде весь час змінюватися. Згадаймо, що один атом випромінює світло за 10 -8 с, і, якщо всі атоми будуть випромінювати світло з різною поляризацією, поляризація повного пучка світла буде змінюватися через кожні 10-8 с. Коли поляризація світла змінюється настільки швидко, що її неможливо виміряти, говорять про неполяризоване світло, тому що всі ефекти поляризації усереднюються і зводяться до нуля. Жоден з інтерференційних ефектів при додаванні поляризацій не проявляється для неполяризованого світла. Водночас саме визначення неполяризованого світла передбачає, що експериментально неможливо встановити, поляризоване світло чи ні.