Особенности приема сигналов с круговой поляризацией. Большая энциклопедия нефти и газа

До появления проекта НТВ-Плюс российским энтузиастам спутникового телевидения редко приходилось сталкиваться с круговой поляризацией - наибольший интерес для индивидуального приема представляют европейские спутники с линейно поляризованным излучением. Однако особенности приема сигналов с круговой поляризацией ярко проявились с началом цифрового вещания НТВ-Плюс. При приеме сигнала со спутника BONUM-1 на ту же антенну, что используется для приема европейских спутников (с конвертором без деполяризатора), картинка "рассыпается" даже при очень большом уровне сигнала.

При приеме сигналов "старых" спутников "Галс", TDF-2 и Hot Bird на одну подвижную антенну деполяризатор был не нужен. Во-первых, сигнал "Галсов" намного мощнее сигнала спутников Hot Bird и, даже с потерями 3 дБ, принимался не хуже. Во-вторых, несущие частоты транспондеров "Галсов" и TDF-2 разнесены довольно далеко, не менее чем на 36 МГц (11767 LZ и 11803 RZ). Это больше, чем ширина полосы пропускания приемника (27 МГц), поэтому даже при одновременном приеме сигналов в обеих поляризациях без развязки они не перекрывались по частоте. Эта особенность позиции 360 в.д. успешно использовалась при коллективном приеме - для одновременного приема сигналов с правой и левой поляризацией использовалась антенна с запасом усиления 3 дБ (диаметр примерно в 1,5 раза больше минимально необходимого) и штатный конвертор НТВ-Плюс, из которого намеренно удалялся деполяризатор. Отпадала необходимость использовать спаренные конверторы, разделители поляризаций, мультисвитчинги и т.д.

Транспондеры спутника BONUM-1 расположены "вплотную". Центральные частоты транспондеров с разной поляризацией разнесены всего на 19 МГц. При приеме сигнала, например, с правой круговой поляризацией часть мощности сигнала соседнего по частоте транспондера с левой круговой поляризацией попадет в полосу пропускания приемника. Такой сигнал не является полезным сигналом, следовательно, его можно рассматривать как шум. Увеличение диаметра антенны в данном случае не улучшает качество приема, так как уровень шума растет пропорционально уровню сигнала.

У волны с круговой поляризацией вектор электрического поля имеет постоянную величину, но изменяет направление (вращается), делая один оборот на 3600 за один период несущей частоты. Можно представить волну с круговой поляризацией как сумму двух линейно поляризованных волн, векторы Е’ и E" которых расположены ортогонально, а фаза колебаний отличается на p/2 (правая круговая поляризация) или на 3p/2 (левая круговая поляризация). На рис. 1 показан один период волны с круговой поляризацией. Вектор E’ расположен вертикально, а вектор E" - горизонтально. Из рисунка видно, что суммарный вектор Eкр постоянно изменяет свое направление, делая полный оборот за один период. Теперь предположим, что сигнал с круговой поляризацией будет приниматься на переключаемый конвертор.* Так как его штыри расположены ортогонально (под углом 900), можно расположить векторы составляющих E’ и E" параллельно "вертикальному" и "горизонтальному" штырям конвертора соответственно. Нетрудно догадаться, что сигнал будет приниматься на оба штыря одинаково, составляющая E’ будет возбуждать штырь вертикальной поляризации, составляющая E" - штырь горизонтальной поляризации. Амплитуда каждого из векторов E’ и E" будет меньше амплитуды вектора Eкр в Ц2 раз, т. е. потери по мощности составят 3 дБ (мощность сигнала разделится поровну между двумя штырями).

Чтобы избежать потерь при приеме сигнала с круговой поляризацией, используются устройства - деполяризаторы. Наиболее простой деполяризатор - диэлектрический. Он представляет собой секцию круглого волновода с диэлектрической пластиной внутри (рис. 2). Допустим, что в таком волноводе распространяется волна с круговой поляризацией. Разложим ее на две составляющих, направив вектор E’ параллельно пластине деполяризатора, а вектор E" - перпендикулярно ей. Фазовая скорость составляющей, вектор E’ которой направлен параллельно пластине, не изменится и останется равной скорости распространения волны в волноводе Св. Скорость же волны, вектор E" которой перпендикулярен пластине, будет больше или меньше скорости Св, это зависит от размеров волновода, толщины и диэлектрической проницаемости материала пластины. Соответственно длина волны будет больше или меньше, чем длина волны в свободном пространстве. Необходимо задержать или ускорить составляющую E" таким образом, чтобы к концу секции деполяризатора обе составляющих E’ и E" отличались по фазе на 0 или на p. В этом случае на выходе деполяризатора они окажутся в фазе или в противофазе, и суммарный вектор будет иметь постоянное направление (450 по отношению к каждой составляющей, см. рис. 2). Таким образом, длина пластины подбирается с таким расчетом, чтобы задержка составляющей E" составляла p/2, т. е. количество длин волн составляющих E’ и E", укладывающихся на длине пластины L, должно отличаться на l/4. В конверторе Cambridge AE37 (штатный конвертор НТВ-Плюс) используется пластина из полистирола толщиной 1 мм и длиной 46 мм. Пластина располагается в волноводе таким образом, чтобы угол между плоскостью пластины и плоскостью, в которой расположен "вертикальный" штырь конвертора, составлял 450. При таком расположении пластины деполяризатор преобразует волну с правой круговой поляризацией в волну с линейной вертикальной поляризацией, а волну с левой круговой - в волну с линейной горизонтальной.

Нетрудно убедиться, что деполяризатор - обратимое устройство. Если на входе секции деполяризатора присутствует линейно поляризованная волна, вектор Eл которой расположен под углом 450 к диэлектрической пластине, то на выходе секции волна приобретает круговую поляризацию. Как принимается сигнал с круговой поляризацией на переключаемый конвертор с двумя штырями, уже рассматривалось выше. Таким образом, если линейно поляризованный сигнал (например, со спутников Hot Bird) принимать на конвертор с деполяризатором, потери по мощности составят не менее 3 дБ, и сигналы обеих поляризаций (и вертикальной и горизонтальной) будут приниматься одинаково на оба штыря, мешая приему друг друга.

Заметим, что если диэлектрическую пластину расположить параллельно или перпендикулярно направлению вектора Е линейно поляризованной волны, она будет вносить минимальное затухание, не изменяя при этом направление поляризации. Значит, деполяризатор можно "отключить" на время приема спутника с линейной поляризацией, установив пластину параллельно штырю вертикальной поляризации (или перпендикулярно ему). Это можно сделать с помощью комбинации устройств "диэлектрический деполяризатор + механический или магнитный поляризатор". При первоначальной настройке пластина деполяризатора устанавливается по направлению вектора Е вертикально поляризованной волны. Для приема сигналов с линейной поляризацией механическим поляризатором приемный штырь разворачивается параллельно или перпендикулярно пластине. Для приема сигналов с круговой поляризацией штырь устанавливается таким образом, чтобы угол между ним и плоскостью пластины составлял 450 в ту или иную сторону. Если используется магнитный поляризатор, штырь конвертора остается неподвижным, а направление поляризации линейно поляризованной волны (прошедшей параллельно или перпендикулярно пластине деполяризатора или сформированной из волны с круговой поляризацией) приводится магнитным поляризатором в плоскость штыря.

Использование обоих этих устройств связано с некоторыми ограничениями.

• Первое: для управления как магнитным, так и механическим поляризатором ресивер должен иметь соответствующий интерфейс. У цифровых ресиверов, за редкими исключениями (например, PRAXIS DVB9800 ADP), такого интерфейса нет. Для управления магнитным поляризатором в упрощенном варианте можно использовать выход ресивера 0/12 В с некоторыми доработками.
• Второе: и тот и другой поляризаторы рассчитаны на работу с конверторами без переключения поляризации (с прямоугольным фланцем). Как правило, если такой конвертор двухдиапазонный, то гетеродины верхнего и нижнего диапазона переключаются напряжением питания 13/18 В. У большинства цифровых ресиверов этот управляющий сигнал используется только для переключения поляризации. Это обстоятельство сильно усложняет программирование ресивера.
• Третье: оба эти устройства вносят собственные потери от 0,2 до 0,5 дБ, уменьшая добротность приемной установки в целом.

В большинстве случаев выгоднее использовать для приема спутников в позиции 360 в.д. отдельную антенну или отдельный конвертор. Все без исключения цифровые ресиверы поддерживают протокол DiSEqC, поэтому проблем с коммутацией антенн не возникнет.

Поляризация электромагнитных волн.

Для ЭМВ, распространяющихся в какой-либо среде, существует понятие поляризации. Поляризация ЭМВ - это упорядоченность в ориентации векторов напряженности электрического и магнитного полей в плоскости перпендикулярной вектору скорости распространения ЭМВ. Различают эллиптическую, круговую и линейную поляризации.

Характер поляризации определяется конструкцией и ориентацией передающей антенны. В случае линейной поляризации вектор Е, периодически изменяясь, в процессе распространения остается перпендикулярным самому себе. Антенна в виде вертикального вибратора излучает вертикальную линейно-поляризованную волну. Для приема без потерь вибратор приемной антенны должен быть ориентирован также вертикально

Для создания горизонтальной линейно-поляризованной волны передающие вибраторы антенны должны располагаться горизонтально. Однако для спутниковой связи радиоволны в процессе распространения пронизывают ионосферу, находящуюся в магнитном поле Земли. В результате происходит вращение плоскости поляризации линейно-поляризованной волны (эффект Фарадея).

Ионосфера оказывается средой с двойным лучепреломлением, и радиоволна, распространяющаяся через нее, расщепляется на две составляющие. Эти составляющие распространяются в ионосфере с различными фазовыми скоростями. Поэтому при прохождении некоторого расстояния между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации. В результате рассогласования поляризации волны, пришедшей в точку приема, и поляризации приемной антенны происходит потеря энергии - возникают поляризационные замирания. Для предотвращения замираний необходимо использовать антенны с круговой поляризацией, при которой вектор Е вращается с частотой радиоволны, описывая при распространении винтовую линию. При этом величина вектора Е останется постоянной. На пути равном длине волны вектор Е поворачивается на 360 градусов.

Для создания антенны с круговой поляризацией необходимо иметь два передающих вибратора, смещенных в пространстве на 90 градусов один относительно другого. Они должны питаться токами равной амплитуды со сдвигом фазы на 90 градусов.

Радиоволны с круговой поляризацией излучают, например, турникетная антенна. Прием волн с круговой поляризацией возможен как на однотипные (турникетная, спиральная) антенны, так и на обычные вибраторы

В зависимости от направления вращения вектора Е круговая поляризация может быть:

• · левовинтовая;
• · правовинтовая.

Cтраница 1

Эллиптическая поляризация (1.146) представляет собой наиболее общий вид поляризации излучения в свободном пространстве.  

Эллиптическую поляризацию электромагнитной волны принято характеризовать коэффициентом эллиптичности поляризации, который определяется отношением длин большой и малой осей эллипса и выражается в децибелах.  

Поэтому эллиптическая поляризация будет правополяризован-ной. Наоборот, для тупых углов (я / 2 С 6 я) составляющие Env и Eav имеют противоположные знаки, и эллиптическая поляризация становится левополяризованной.  

Описание эллиптической поляризации, как и полного сопротивления, основывается на понятиях относительных амплитуд и фаз двух колеблющихся величин. Следовательно, весь математический аппарат, разработанный для описания полного сопротивления, может быть легко приспособлен для описания эллиптической поляризации. Во второй части Десчемпс применяет известный метод Пуанкаре, описывающий эллиптически поляризованные световые волны. Форма и ориентация эллипса задаются широтой и долготой на сфере. Соответствующая проекция сферы Пуанкаре на плоскость приводит к представлению эллиптической поляризации на диаграмме полных сопротивлений, описанной в первой части. Ранее Синклером было установлено, что эквивалентная длина для антенн эллиптической поляризации является комплексной величиной; во второй части показано, как для таких антенн может быть введена действительная эквивалентная длина.  

При эллиптической поляризации существует некоторая комбинация вращательного и колебательного движений, а вектор электрического поля вычерчивает в пространстве эллипс.  

Измерение эллиптической поляризации света, отраженного от поверхности металла при наклонном падении линейно поляризованного света, лежит в основе предложенного Друде экспериментального метода определения оптических характеристик них металла. Теория связывает п и х с эксцентриситетом и положением осей эллипса колебаний.  

Определение эллиптической поляризации луча, отраженного поверхностью стекла (или других материалов), производят на поляризационном спектрометре [ 1 (гл.  

Состояние эллиптической поляризации плоской волны в данной точке может быть описано амплитудами и относительными фазами трех взаимно перпендикулярных компонент электрического (или магнитного) поля. Во многих задачах, особенно связанных с антеннами, вполне допустимо выбирать такую систему координат, в которой одна из координатных плоскостей совпадает с поляризационным эллипсом. При этом состояние эллиптической поляризации может быть описано амплитудами и разностью фаз только двух ортогональных компонент вектора поля. Если каждую из этих компонент представить в виде комплексной колебательной функции, то их отношение будет фазором, модуль которого определяет отношение амплитуд компонент, а аргумент - разность фаз.  

Антенны эллиптической поляризации ставят ряд проблем их математического описания и техники измерений, которые не возникают для антенн линейной поляризации. Например, при снятии диаграммы направленности антенны линейной поляризации обычно просто измеряется напряженность поля на достаточном расстоянии от антенны как функция направления; измерением фазы, как правило, не интересуются. У антенн эллиптической поляризации должны быть измерены две компоненты поля, причем важно знать разность фаз между ними. Эти величины изменяются с направлением, и, естественно, возникает вопрос о способе фиксирования такой информации на бумаге.  

С эллиптической поляризацией связано наиболее общее определение естественного света.  

Любая антенна, к примеру, "BOF-5xxx + Отражатель" имеет некий сектор излучения. Распространяясь в этом секторе, часть электро-магнитной энергии уходит в космос, не достигая антенны приёмника. Часть энергии, излучённая ниже уровня горизонта, попадает на поверхность земли. При этом энергия частично поглощается поверхностью, а частично отражается от земли. Этот, отражённый сигнал, так же попадает в приёмную антенну. Суммируясь в приёмной антенне с некоторым временным опозданием и со случайной фазой по отношению к основному сигналу, отражённый сигнал является значительной помехой.

Особенностью радиоволн с эллиптической поляризацией является то, что при отражении сигнала, меняется вектор его вращения на противоположный.

Рис.2. Изменение направления вращения при отражении эллиптически поляризованной волны.

Излучённый сигнал с правосторонним вращением после отражения будет вращаться влево. При линейной поляризации сигнал при отражении сохраняет свой вектор поляризации.

Рис.3. Изменение вектора поляризации при отражении радиоволны, имеющей эллиптическую поляризацию.

Антенны круговой поляризации не принимают сигнал противоположного вращения.

И поэтому на приёмной антенне, отражённый сигнал, теперь в противоположной поляризации, Э.Д.С не наведёт. Приёмная антенна просто не "увидит" этот сигнал.

При построении беспроводных каналов связи на антеннах круговой поляризации, следует учитывать особенность отражения сигнала в зеркальных антеннах. Применяя в такой антенне активный элемент, излучающий с правостороннем вращением поляризации (например, облучатель BOF-2xxx RHCP), от антенны Вы получите сигнал с левосторонним вектором вращения (LHCP).

Поэтому, такая антенна (прим.: "Тарелка+BOF-2xxx RHCP") будет работать только с антеннами LHCP-поляризации. И, соответственно, наоборот.

Рис.4. Волна с круговой поляризацией меняет вектор направленности при отражении от параболического рефлектора.

Заметьте, что сменить поляризацию простым поворотом антенн на 90°, как Вы это могли делать с антеннами линейной поляризации, не получится. Вектор поляризации задается в процессе производства антенн и не может быть изменен пользователем.

А потому, продумайте конфигурацию Вашей сети и возможное её дальнейшее развитие (расширение) перед заказом оборудования.

Если сами затрудняетесь определиться какое оборудование Вам нужно - обратитесь к нам. Мы подберем Вам только нужное оборудование, работающее друг с другом. Минимальный набор оптимальных товаров, без "втирания" ненужного хлама.

Другое преимущество использования антенн с круговой поляризацией

В идеальных условиях, когда сигнал распространяется без препятствий, нет никакой разницы в том, как ориентирован в пространстве вектор поляризации сигнала.

В реальной же ситуации, существует масса препятствий, преград на пути распространения радиосигнала. Часть препятствий сигнал свободно проходит, на некоторых частично ослабляется, на третьих - полностью или частично отражается или безвозвратно поглощается.

На рисунке 5 наглядно показано распространение радиоволн с линейной поляризацией, на пути которых встречаются препятствия в виде ряда параллельных металлических стержней, расположенных вертикально и горизонтально.

Рис.5. Прохождение сигнала линейной поляризации через ряд параллельных металлических преград.

Радиоволны, имеющие вертикальную поляризацию полностью отражаются от вертикально ориентированных проводящих препятствий. Но при этом сигнал, имеющий горизонтальную поляризацию, практически без ослабления преодолевает это препятствие.

Напротив радиоволна, имеющая горизонтальную поляризацию, беспрепятственно проникает сквозь ряд вертикальных металлических преград.

Всего лишь одно препятствие, расположенное под углом в 45 градусов, наполовину ослабляет уровень сигнала. Причем это справедливо и для вертикальной, и для горизонтальной поляризации. (См. рис.6)

Рис. 6. Влияние на распространение сигнала помехи, расположенной под углом в 45 градусов.

В реальной практике преодолеть ряд вертикально и горизонтально ориентированных препятствий линейно поляризованная волна не может.

Ситуация хотя и кажется "лабораторной", искусственно созданной, на практике является самой распространенной. Причем эти самые препятствия чаще не бывают строго ортогональными, а наоборот имеют гамму вариаций.

Рисунок 6 наглядно иллюстрирует изменения линейно поляризованного сигнал после прохождения сквозь всего лишь одного дерева:

Рис.6. Прохождение сигнала с линейной поляризацией сквозь крону всего одного дерева.

Обратите внимание на принимающую сторону. Сигнал на антенну приходит ослабленный; одновременно приходит переотраженный сигнал, причем не в фазе основного сигнала

Происходит не только многократные отражения сигнала, причём в разных направлениях, его рассеивание в пространстве, но и искажение вектора поляризации при отражении.

В итоге на приёмную антенну попадает многолучевой сигнал разнородный по уровню сигнала и по поляризации; имеющий случайную фазу и время задержки из-за разного пройденного расстояния.

Все сигналы, попавшие в приёмную антенну с опозданием от основного сигнала, становятся помехой (шумом).

Нередко в таких случаях, при очень высоком уровне принимаемого сигнала, устанавливается низкая канальная скорость. Вызвано это тем, что только простые виды модуляции могут безошибочно детектироваться в условиях многолучевого интерференционного приёма.

Можно ли как-то с этим бороться?

Единственное, что реально работает в подобных условиях - антенны с эллиптической поляризацией.

Их "дальнобойность и пробиваемость" объясняется особенностью прохождения радиоволн с вращающимся вектором поляризации сквозь препятствия.

Рис.7. Прохождение сигнала эллиптической поляризации через ряд преград. Наш "лабораторный" пример.

Мы видим, что при прохождении параллельно ориентированных препятствий, сигнал эллиптической поляризации теряет только половину своей энергии на отражение, причём абсолютно независимо от расположения этих препятствий. На практике сигнал эллиптической поляризации, как штопор сквозь пробку, проникает через "сложные" препятствия там, где линейная поляризация бессильна.

Рассмотрим на примере как будет проходить сигнал с эллиптической поляризацией сквозь то же самое дерево (что и в примере выше). И как этот сигнал будет восприниматься приёмной антенной.

Очевидно, что вне зависимости от вектора поляризации, переотражаться сигнал будет одинаково.

Т.е. на выходе из кроны мы увидим примерно одинаковую картину, как в случае с линейной поляризацией (см. рис.6), так и в случае с эллиптической поляризацией.

В распространении радиоволн эллиптической поляризации наблюдается точно такая же интерференция сигнала, как и в случае с линейно поляризованным сигналом. Однако, отраженные сигналы эллиптической поляризации приходят на антенну в противоположной поляризации, практически не оказывая никакого влияния на уровень основного сигнала, т.к. с ним не суммируются.

А все сигналы, пришедшие в одной поляризации с основным, суммируются, повышая общий уровень принятого сигнала. Они имеют разную временну ю задержку, т.е. фазу (угол вхождения сигнала в антенну). На выходе антенны будет регистрироваться один сигнал с задержкой, определяемой векторным сложением. Причем этот выходной сигнал будет "гулять" только по уровню и по временной задержке.

Этими особенностями и обусловлена такая высокая "проникаемость" эллиптически поляризованного сигнала.

В реальных условиях системы MIMO "УМЕЮТ" ЛУЧШЕ развязывать каналы именно на эллиптической поляризации. А значит, в таких системах при работе на антеннах с круговой поляризацией выше скорость и стабильнее связь.

Если на поляроид падает плоскополяризованный луч и между главной плоскостью поляроида и плоскостью поляризации луча существует некоторый угол, то плоскость поляризации луча, вышедшего из поляроида, будет повернута на этот же угол. Собственно говоря, как мы уже видели выше, неправильно в данном случае говорить о повороте плоскости поляризации. Сквозь поляроид проходит лишь проекция на данное направление исходного колебания. Чем больше угол, тем меньше амплитуда прошедшего колебания (§ 35).

В так называемых активных веществах дело обстоит совсем иначе. В них действительно происходит поворот плоскости поляризации проходящего луча. Поворот пропорционален толщине проходимого вещества. Вышедший луч имеет ту же амплитуду, но другую плоскость поляризации. Схема установки для наблюдения явлений вращения плоскости поляризации аналогична схеме для наблюдения интерференции (рис. 140): между поляроидами помещают или кусок активного вещества, или сосуд, наполненный активной жидкостью. Если мы помещаем активное вещество между скрещенными поляроидами, то поле светлеет, и, чтобы опять получить темноту, надо повернуть анализатор (или поляризатор) на некоторый угол. Очевидно, этот угол равен углу поворота плоскости поляризации. Величина и направление поворота зависят от вещества, толщины слоя вещества, а также от длины волны света.

Из твердых веществ к числу сильно вращающих принадлежат сахар и кварц; из жидкостей - винная кислота, моча и сахарный раствор.

Активные вещества делятся на право- и левовращающие в зависимости от направления вращения. Например, кварц бывает право- и левовращающим, есть право- и левовращающая винная кислота.

Явление вращения плоскости поляризации тесно связано со структурой вещества. В органических веществах вращение объясняется наличием асимметричного атома углерода, т. е. атома углерода, у которого все четыре валентности насыщены различными атомами. Схематически при этом возможны два существенно различных расположения, показанных на рис. 147; здесь зачерненный кружок означает атом углерода, а атомы различных элементов. Если левая схема соответствует одному направлению вращения, то правая - другому, причем обе схемы, очевидно, изображают одно и то же химическое вещество. Кроме структуры самих молекул играет роль также и их расположение. Особенно отчетливо это видно из того факта, что кусок неактивного вещества, например желатина, при закручивании приобретает активность вдоль оси вращения. Плоскость поляризации вращается при этом в направлении, обратном направлению закручивания.

Рис. 147. Асимметрический атом углерода.

Явлением вращения плоскости поляризации пользуются для определения концентрации какого-либо активного вещества в растворе. Поскольку величина угла поворота пропорциональна концентрации активного вещества и толщине слоя, от измеренной величины вращения легко перейти к концентрации. Для этого нужно лишь знать величину удельной вращательной способности, относимой к единице концентрации и единице толщины.

Рис. 148, Бикварц (а), Схема сахариметра (б).

Для обнаружения небольших количеств веществ, например сахара, в растворах необходимо иметь достаточно чувствительный прибор, обнаруживающий весьма небольшой поворот плоскости поляризации. Приведенная выше схема непригодна для этой цели; ввиду этого схема сахариметра (прибора для определения концентрации сахара) несколько усложнена. Добавляется обычно кроме николей еще так называемый бикварц. Бикварц состоит из двух кварцевых пластинок, вырезанных перпендикулярно к оптической оси (рис. 148, а). Одна пластинка правовращающая, другая

Рис. 149. Схема опыта Умова.

левовращающая. Толщина пластинок подобрана так (3,75 мм), что плоскость поляризации желто-зеленых лучей поворачивается на 90°.

Поэтому при помощи пластинок между параллельными николями желто-зеленые лучи гасятся и проходят лишь красные и фиолетовые лучи. Поле имеет тогда синевато-фиолетовую «чувствительную» окраску и разделено на две части. При малейшем повороте поляризатора или анализатора окраска обеих половинок бикварца резко меняется. Если одна из половинок окрашивается в синий цвет, то другая - в красный или наоборот в зависимости от направления вращения. В сахариметре бикварц В помещают между сосудом и анализатором (рис. 148). Установив при пустом сосуде S анализатор на чувствительную окраску обоих полей бикварца, наливают жидкость и поворотом анализатора добиваются восстановления одинаковой окраски обоих полей. Как указывалось, поворот анализатора равен повороту плоскости поляризации. На лимбе анализатора наносятся значения концентрации сахара.

Н. А. Умов использовал явление вращения плоскости поляризации для создания чрезвычайно красивого демонстрационного опыта (опыт Умова). В сборнике, посвященном памяти Умова, А. А. Эйхенвальд следующим образом описывает этот опыт:

«При помощи небольшого зеркала, поставленного на пути горизонтального пучка поляризованного света, мы отклоняем его вертикально вверх так, чтобы он мог пройти по оси этого цилиндрического сосуда (рис. 149).

Рис. 150. Винтообразный ход луча в опыте Умова.

Сперва мы наполним сосуд водой и сделаем ее мутной прибавкой небольшого количества раствора канифоли в спирту. Тотчас же путь луча обрисовывается во всю высоту сосуда в виде белого столба со слегка размытыми контурами. Только благодаря присутствию мути в воде мы и можем видеть этот путь лучей (явление Тиндаля): действительно, ведь луч света идет вертикально вверх, а потому к нам в глаз непосредственно попасть не может; но каждая частичка мути разбрасывает свет во все стороны диффузно и часть этого диффузно отраженного света попадает в наши глаза.

Однако это еще не все: оказывается, что каждая разбрасывающая свет частица поляризует свет (§ 35), и, следовательно, может служить нам анализатором. Положим, что наш горизонтальный луч,

идущий из фонаря, имеет колебания по оси фрнаря; при этих условиях путь света в воде будет виден, если смотреть справа и слева по оси фонаря, но ни спереди, ни сзади по оси фонаря он виден не будет.

Если повернуть поляризатор на какой-либо угол, то на тот же угол повернется и весь столб с его темными и светлыми сторонами.

Заменим теперь воду раствором сахара, тоже слегка мутным; тогда по мере того, как луч света все глубже и глубже входит в раствор сахара, плоскость его колебаний поворачивается, и если внизу сосуда колебания происходили по оси фонаря, то на некоторой высоте колебания эти будут уже в другом направлении, под углом к оси. Этот поворот колебаний увеличивается по высоте с равномерной постепенностью, и мы видим, что путь луча с его светлыми и темными сторонами как бы закручивается в растворе сахар а винтообразно (рис. 150).

Рис. 151. Разложение прямолинейного колебания на два круговых колебания»

Если поместить между поляризатором и раствором сахара кристаллическую пластинку, то все явление расцвечивается: столб света оказывается винтообразно обмотанным разноцветными лентами всевозможных оттенков».

Френель разработал феноменологическую теорию естественного вращения плоскости поляризации, рассматривая его как проявление своеобразного двойного лучепреломления. С этой целью Френель разложил плоскополяризованное колебание, входящее в оптически активную среду, на два круговых противоположно направленных колебания (рис. 151). В каждый момент времени вращающиеся векторы круговых колебаний образуют равные углы с вектором плоскополяризованного колебания. Предположим теперь, что оба круговых колебания распространяются в среде с различными скоростями. Тогда между ними возникнет дополнительная разность фаз и нарушится

указанное равенство углов. Биссектрисой угла между векторами круговых колебаний явится уже новое направление, соответствующее новому результирующему световому вектору. Таким образом, возникнет поворот светового вектора в сторону, соответствующую направлению вращения более быстро распространяющегося в среде кругового колебания.

Теория Френеля не освещает причины различия скоростей двух противоположно направленных круговых колебаний. На этот вопрос дает ответ молекулярная теория вращения плоскости поляризации. В молекулярной теории приходится учитывать конечные размеры молекул, сказывающиеся на интерференции вторичных волн, возникающих в отдельных частях молекулы под действием проходящей световой волны.

В 1846 г. Фарадей опубликовал статью под странным названием «О магнетизации света и освещении магнитных силовых линий». Фарадей понимал необычность такого заголовка и сделал следующее пояснение: «Заголовок этой статьи, я думаю, привел многих в недоумение относительно ее содержания, и потому я считаю долгом прибавить объяснительное примечание... Я думаю, что в опытах, описанных мной в этой статье, свет подвергался действию магнитной силы, т. е. магнетизм в силах материи подвергался действию и в свою очередь действовал на магнетизм в силе света». Речь шла об открытом Фарадеем новом эффекте вращения плоскости поляризации света, проходящего сквозь тело, помещенное в продольное магнитное поле. Это явление получило название эффекта Фарадея.

Приведенное примечание Фарадея показывает, что, несмотря на неудачное название статьи, он понимал, что причиной наблюдающихся эффектов является не непосредственное действие магнитного поля на свет, а изменение оптических свойств вещества в магнитном поле.

До сих пор речь шла лишь о плоскополяризованном свете. Однако понятие поляризации света является гораздо более общим и обнимает гораздо больший круг явлений. Поляризованным, вообще говоря, называют луч, в котором существует какая-либо упорядоченность колебаний. Например, световой луч, в каждой точке которого равномерно вращается его электрический вектор, называется поляризованным по кругу. Световой луч, у которого конец электрического вектор а описывает эллипс, называется эллиптически поляризованным.

В природе эллиптически поляризованный свет получается при отражении естественного света от металла. Накаленные металлы испускают свет, обладающий некоторой долей эллиптической поляризации. Легко также получить эллиптически поляризованный свет из плоскополяризованного. Собственно говоря, мы его уже получали в наших схемах в качестве промежуточного состояния, но не обращали на это внимание. В самом деле, при прохождении света

сквозь кристаллическую пластинку в интерференционных опытах из нее выходил луч, состоявший из двух взаимно-перпендикулярных колебаний, отстававших друг от друга по фазе. При разности фаз, не равной нулю или целому числу , сложение таких колебаний дает, вообще говоря, движение по эллипсу, а в частном случае равенства осей - по окружности (т. 1, § 59, 1959 г. ; в пред. изд. § 69). Таким образом, кристалл кварца, вырезанный параллельно оптической оси и расположенный соответствующим образом, может превратить плоскополяризованный свет в свет, поляризованный по кругу. Кварц же, вырезанный перпендикулярно к плоскости оси, просто поворачивает плоскость поляризации на некоторый угол, как это указывалось выше. Анализ эллиптически поляризованного света заключается в определении осей эллипса, равных соответствующим амплитудам, и разности фаз слагающих колебаний. Для этой цели употребляют кроме анализаторов упомянутые выше компенсаторы, служащие для определения разности фаз. Эллиптически поляризованный свет является самым общим типом поляризованного света; все остальные виды поляризации являются частными случаями эллиптически поляризованного света, как мы это уже указывали.

С эллиптической поляризацией связано наиболее общее определение естественного света. С. И. Вавилов пишет: «Естественный свет теоретически можно осуществить бесчисленными способами, рассматривая его или как результат наложения однотипных эллипсов с хаотически распределенными осями, или как сумму всевозможных, беспорядочно ориентированных эллипсов».