La începutul secolului al XIX-lea, statele maritime europene au decis să îmbunătățească în comun farurile - cele mai importante dispozitive de navigație ale timpului. În Franța, în acest scop a fost înființată o comisie specială, iar Fresnel a fost invitat să lucreze în acest domeniu datorită experienței sale bogate de inginerie și cunoștințelor profunde privind optica.
Lumina farului ar trebui să fie vizibilă departe, astfel încât farul de faruri este ridicat într-un turn înalt. Și pentru a-și strânge lumina în raze, felinarul ar trebui să fie plasat în centrul oricărei oglinzi concave sau al colectorilor și destul de mare. Oglinda, desigur, poate fi făcută de orice dimensiune, dar oferă doar un singur fascicul, iar lumina farului ar trebui să fie vizibilă de pretutindeni. Prin urmare, o duzină de oglinzi cu o lampă separată în centrul fiecărei oglinzi au fost așezate pe faruri. În jurul lanternului pot fi montate mai multe lentile, dar pentru a le face necesare - dimensiunea mare este aproape imposibilă. În paharul unei lentile masive, vor exista în mod inevitabil neomogenități, se va pierde forma sub gravitatea proprie și, din cauza încălzirii neuniforme, se poate sparge.
Pentru a strânge lumina într-un fascicul îngust, puteți folosi o oglindă concavă (a) sau o lentilă (b), plasând sursa de lumină în punctul de focalizare. Într-o oglindă sferică se află la o distanță de jumătate din raza de curbură a oglinzii
Lentila de colectare poate fi reprezentată ca un set de prisme, care deflectă razele luminoase într-un singur punct - focalizarea. După ce multiplicăm numărul acestor prisme, scăzând în mod corespunzător dimensiunile lor, obținem un obiectiv practic plat - obiectivul Fresnel
Au fost necesare idei noi, iar comisia, invitând Fresnel, a făcut alegerea corectă: în 1819, el a propus construirea unui obiectiv compozit, lipsit de toate dezavantajele inerente lentilei lentilei obișnuite. Fresnel a motivat, probabil așa. Lentila poate fi reprezentată sub forma unui set de prisme care reflectă razele de lumină paralelă - le deflectă în unghiuri astfel încât, după refracție, ele se convertesc în punctul de focalizare. Prin urmare, în loc de o lentilă mare, este posibilă asamblarea unei structuri sub formă de inele subțiri din prisme individuale de secțiune transversală triunghiulară.
Frenel nu numai că a calculat forma profilului inelelor, dar a dezvoltat tehnologia și a controlat întregul proces de creare a acestora, îndeplinind adesea îndatoririle unui simplu lucrător (subordonații erau extrem de lipsiți de experiență). Eforturile sale au dat un rezultat strălucit. "Luminozitatea luminii date de noul dispozitiv a surprins marinarii", a scris Fresnel prietenilor săi. Și chiar rivalii englezi - de mult timp ai francezilor pe mare - au recunoscut că desenele farurilor franceze au fost cele mai bune. Sistemul lor optic a constat în opt obiective pătrat Fresnel cu o latură de 2,5 m, având o distanță focală de 920 mm.
De atunci, au trecut 190 de ani, însă modelele propuse de Fresnel rămân un dispozitiv tehnic de neegalat, și nu doar pentru faruri și geamanduri fluviale. Până recent, sub formă de lentile Fresnel, erau pahare de diverse lămpi de semnalizare, faruri auto, semafoare și detalii ale proiectoarelor pentru cursuri. Și tocmai au apărut recent buclele sub formă de linii de plastic transparent cu caneluri circulare abia vizibile. Fiecare astfel de canelură este o prisă inelară miniaturală; și colectiv, ele formează o lentilă de colectare care poate funcționa ca o lupă, mărirea unui obiect și ca lentilă a camerei, creând o imagine inversată. O astfel de lentilă este capabilă să strângă lumina soarelui într-un loc mic și să ardă focul unei plăci uscate, să nu mai vorbim de o bucată de hârtie (mai ales de negru).
lentilă Fresnel nu poate fi doar o colectare (pozitiv), dar împrăștierea (negativ) - pentru a face acest lucru, canelurile inelare pe plastic transparent prismă piese pentru a face o altă matriță. Și lentilă Fresnel negativ cu o lungime focala foarte scurt, are un câmp larg de vedere, acesta este plasat într-o bucată dimensiune redusă de peisaj, de două până la trei ori mai mare decât capacele de ochi goi. Astfel de lentile de placă "minus" sunt folosite în loc de oglinzi panoramice în spate în mașini mari, cum ar fi minivanele și vagoanele.
Marginile prismetelor miniaturate pot fi acoperite cu un strat de oglindă - de exemplu, din aluminiu. Apoi, obiectivul Fresnel se transformă într-o oglindă, convexă sau concavă. Fabricate folosind nanotehnologie, astfel de oglinzi sunt folosite în telescoape care operează în raza de raze X. Și lovit în oglinzi din plastic flexibil și lentile pentru lumina vizibilă este atât de ușor de a face și ieftin, care produsele lor kilometri literalmente sub formă de benzi pentru vitrine sau jaluzele pentru baie.
Primul obiectiv Fresnel a fost păstrat
Lentila de colectare poate fi reprezentată ca un set de prisme, care deflectă razele luminoase într-un singur punct - focalizarea. După ce multiplicăm numărul acestor prisme, scăzând în mod corespunzător dimensiunile lor, obținem un obiectiv practic plat - obiectivul Fresnel
Proiectarea sistemului de iluminare a farului (desen Fresnel). Lumina arzătorului F este focalizată de lentilele L și L 'reflectate de oglinzile M. Lumina arzătorului, care se propagă în jos, se reflectă în direcția dorită de către un sistem oglindă (arătat în fantomă). Întregul sistem se rotește în jur
Au fost încercări de utilizare a lentilelor Fresnel pentru a crea lentile plate pentru camere. Dar pe drumul designerilor au existat dificultăți de natură tehnică. Lumina albă din prism se descompune în spectru; Același lucru se întâmplă și în prismele miniatură ale obiectivului Fresnel. Prin urmare, are un dezavantaj semnificativ - așa-numita aberație cromatică. Din acest motiv, pe marginile imaginilor obiectelor apare o jantă de curcubeu. În lentilele bune, bretonul este eliminat prin plasarea unor lentile suplimentare. Puteți face același lucru și cu un obiectiv Fresnel, dar un obiectiv plat nu ar funcționa atunci.
Câmpul de lentilă Fresnel se concentrează asupra radiațiilor solare, și chiar mai bine (deoarece este mai mare) de lentile obișnuite din sticlă. Radiațiile solare adunate de ea arde instantaneu un panou uscat de pin.
Augustin Fresnel a intrat în istoria științei și tehnologiei nu numai și nu atât de mult datorită invenției obiectivului său. Studiile lui și teoria bazată pe ele au confirmat în cele din urmă natura valurilor luminii și au rezolvat cea mai importantă problemă a fizicii din acea vreme - au găsit cauza propagării rectilinii a luminii. Lucrarea lui Fresnel a constituit baza opticii moderne. Pe parcurs, el a prezis și a explicat câteva fenomene optice paradoxale, care totuși este ușor de verificat acum.
cercetători de lungă durată dispută cu privire la natura luminii - val sau corpuscular-l - în general, a fost rezolvată, la sfârșitul secolului al XVII-lea, când Christian Huygens a publicat a lui „Treatise asupra lumii“ (1690). Huygens a crezut că fiecare punct al spațiului (în descrierea sa - un eter) prin care trece un val de lumină devine o sursă de undă secundară. Suprafața care le înconjoară este frontul undei propagatoare. Principiul Huygens a rezolvat problemele de reflexie și refracție a luminii, dar nu a putut explica fenomenul bine cunoscut - propagarea lui rectilinie. In mod paradoxal, motivul pentru care acest lucru a fost că Huygens nu a considerat abaterile de la rectitudinea - difracție de lumină (obstacole rotunjirii) și interferență (adăugarea de valuri).
Acest neajuns a fost ocupat în 1818-1819 de către Augustin Fresnel, un inginer prin educație și un fizician de interese. El a completat principiul Huygens prin procesul de interferență a undelor secundare (introdus de Huygens pur formal, adică pentru confortul calculelor, fără conținut fizic). Datorită adăugării lor, apare partea din față a valului rezultat, suprafața reală pe care valul are o intensitate vizibilă.
Deoarece toate undele secundare sunt generate de o singură sursă, ele au aceleași faze, adică coerente. Fresnel a sugerat divizarea mentală a suprafeței unui val sferic dintr-un punct O în zone de o asemenea dimensiune încât diferența de distanțe față de marginile zonelor adiacente la un anumit punct ales F să fie egală # 955; / 2. Razele care provin din zonele învecinate până la punctul F vor veni în antifază și, după adăugare, se vor slăbi unul pe altul până când dispare complet.
Denotând amplitudinea oscilațiilor undei luminoase care vine din zona m ca Sm, valoarea totală a amplitudinii oscilațiilor la punctul F
S = S0-S1 + S2-S3 + S4 +. + Sm = S0- (S1-S2) - (S3-S4) -. - (Sm-1-Sm)
Deoarece S0> S1> S2> S3> S4. Expresiile din paranteze sunt pozitive și S este mai mică decât S0. Dar cât mai puțin? Calculele sumelor seriei alternante efectuate de fizicianul american Robert Wood arată că S = S0 / 2 ± Sm / 2. Și întrucât contribuția zonei îndepărtate este extrem de mică, intensitatea luminii din zonele îndepărtate, care intră în antifază, reduce efectul zonei centrale cu un factor de două.
Plăci de zonă cu Fresnel. În stânga - zonele ciudate sunt deschise, chiar și - chiar
Prin urmare, dacă zona centrală este închisă cu un mic disc, iluminarea din centrul umbrei nu se schimbă: acolo, datorită difracției, lumina va proveni din următoarele zone. Prin mărirea dimensiunii discului și închiderea secvențială a următoarelor zone, puteți să vă asigurați că există un loc luminos în centrul umbrei. Acest lucru a fost dovedit teoretic în 1818 de către Simeon Denis Poisson și considerat ca o dovadă a falșului teoriei lui Fresnel. Cu toate acestea, experimentele pe care Domenic Arago și Fresnel le-au făcut au văzut locul. De atunci, se numeste spotul Poisson.
Pentru succesul experimentului, este necesar ca marginile discului să coincidă exact cu limitele zonelor. Prin urmare, în practică, utilizați o minge miniaturală din rulment, lipită de sticlă.
Un alt paradox al proprietăților undelor luminii. Am pus pe calea razei un ecran cu o gaură mică. Dacă dimensiunea sa este egală cu diametrul zonei centrale Fresnel, iluminarea din spatele ecranului va fi mai mare decât fără ea. Dar dacă mărimea orificiului acoperă cea de-a doua zonă, lumina din ea va veni în antifază, iar când se adaugă la lumina din zona centrală, valurile se anulează reciproc. Prin creșterea diametrului gaurii, puteți reduce iluminarea după zero!
Așadar, amplitudinea totală a întregului val sferic este mai mică decât amplitudinea creată de o zonă centrală. Și din moment ce zona zonei centrale este mai mică de 1 mm2, se pare că fluxul de lumină este sub forma unui fascicul foarte îngust, adică rectiliniu. Deci teoria lui Fresnel din punct de vedere al undelor a explicat legea propagării luminii rectilinii.
Un exemplu bun care ilustrează metoda Fresnel este experimentul cu placa de zonă, care funcționează ca o lentilă de colectare.
Pe o foaie de hârtie mare trage o serie de cercuri concentrice cu raze proporționale cu rădăcinile pătrate ale numerelor naturale (1, 2, 3, 4). În acest caz, zonele tuturor inelelor rezultate vor fi egale cu aria cercului central. Am pus cerneala pe inele printr-o singură și nu contează dacă să părăsească lumina din zona centrală sau să o facă negru. Structura inelului alb-negru rezultat va fi fotografiată cu o scădere semnificativă. Pe negativ, obținem placa de zonă Fresnel. Diametrul zonei centrale determină formula D = 0,95√ # 955; F, unde # 955; - lungimea de undă a luminii, F - lungimea focală a plăcii lentilelor. la # 955; = 0,64 μm (lumină roșie) și F = 1 m D0,8 mm. Dacă zona centrală a unei astfel de plăci este îndreptată către un bec luminos, atunci va începe să lumineze ca o lentilă de colectare. Dacă este combinat cu un ocular de la un obiectiv slab, veți obține un telescop capabil să ofere o imagine clară a filamentului unui bec. Și din două plăci de zone este posibil să construim un telescop conform schemei lui Galileo (lentila este o placă cu o lungime focală mare, ocularul cu unul mic). El dă o imagine directă, ca un binoclu teatral.
Din tot ceea ce sa spus, devine clar cum o mică gaură poate juca rolul unui obiectiv numit "stenop" sau "pinhole". Aceasta corespunde zonei centrale a plăcii de fază Fresnel. Acesta este motivul pentru care stenopul nu are aberații, cu excepția cromatică, deoarece razele trec prin el fără distorsiuni.
Unda luminoasă care trece prin placa de zonă dă amplitudinea rezultantă S = S0 + S2 + S4 +. - de două ori mai mare decât un val liber: placa de zonă acționează ca o lentilă de colectare. Un efect și mai mare se obține dacă lumina zonelor uniforme nu este reținută, dar faza sa este inversată. Intensitatea luminii crește cu un factor de patru.
O astfel de înregistrare în 1898, a făcut Robert Wood acoperit cu un strat de lac de sticlă și eliminarea ei din zonele impare, astfel încât diferența cale în ele a fost # 955; / 2. O placă de sticlă, vernisată, a pus pe o masă rotativă. Cutter - au servit ac gramofon - taie straturi de lac pentru zonele exterioare a fost doar un singur pasaj ac, iar pe acul interior se deplasează de-a lungul unui rând în spirală îngustă îndepărtarea mai multor șanțuri confluente. Diametrul zonelor și lățimea lor au fost monitorizate într-un microscop.
Ar fi interesant să încerci să faci o astfel de înregistrare utilizând playerul de discuri.
În sfârșit, încă un paradox al opțiunii de undă. După cum am menționat deja, nu contează dacă zona centrală este transparentă sau nu. Aceasta înseamnă că rolul obiectivului camerei pinhole (sau pinhole) pot juca nu numai gaura mica, dar, de asemenea, mingea mică de un diametru egal cu cel al centrului zonei Fresnel.
Trimiteți-le prietenilor: