O que é a polarização da luz e a sua aplicação prática

A luz polarizada difere da luz padrão na sua propagação. Foi descoberta há muito tempo e é utilizada tanto para experiências físicas como na vida quotidiana para realizar algumas medições. A compreensão do fenómeno da polarização não é difícil, ajuda a compreender como certos dispositivos funcionam e porque é que a luz não se propaga como normalmente acontece em certas condições.

Compare uma fotografia com e sem filtro polarizador, neste último caso quase não há brilho.

O que é a polarização da luz

A polarização da luz prova que a luz é uma onda transversal. Ou seja, estamos a falar da polarização das ondas electromagnéticas em geral, e a luz é uma das variedades cujas propriedades obedecem a regras gerais.

A polarização é a propriedade das ondas transversais cujo vector de oscilação é sempre perpendicular à direcção de propagação da luz ou outra coisa qualquer. Ou seja, se isolarmos raios de luz com o mesmo vector de polarização, esse seria o fenómeno de polarização.

Na maioria das vezes, vemos luz não polarizada à nossa volta, uma vez que tem um vector de intensidade que se move em todas as direcções possíveis. Para a polarizar, passa por um meio anisotrópico, que corta todas as vibrações e deixa apenas uma.

Uma comparação da luz normal e polarizada.

Quem descobriu o fenómeno e o que ele prova

O conceito em questão foi utilizado pela primeira vez pelo famoso cientista britânico И. Newton em 1706.. Mas foi outro investigador que explicou a sua natureza. James Maxwell.. Na altura, a natureza das ondas de luz não era conhecida, mas como vários factos e os resultados de várias experiências acumulados, surgiram cada vez mais provas da natureza transversal das ondas electromagnéticas.

O primeiro a experimentar nesta área foi o explorador holandês Huygens, em 1690.. Ele passou luz através de uma placa de feldspato islandês e como resultado descobriu a anisotropia transversal do feixe.

A primeira prova da polarização da luz na física foi obtida pelo investigador francês Э. Malus. Utilizou duas placas de turmalina e acabou por derivar a lei com o seu nome. Graças a numerosas experiências, foi provada a natureza transversal das ondas de luz, o que ajudou a explicar a sua natureza e características de propagação.

De onde vem a polarização da luz e como a obter você mesmo

A maior parte da luz que vemos não está polarizada. Sol, luz artificial - Um fluxo de luz com um vector oscilante em diferentes direcções, propaga-se em todas as direcções sem qualquer limitação.

A luz polarizada aparece depois de ter passado por um meio anisotrópico, que pode ter propriedades diferentes. Este meio remove a maior parte das vibrações, deixando apenas uma, o que proporciona o efeito desejado.

O polarizador mais comum são os cristais. Enquanto no passado se utilizavam sobretudo materiais naturais (por exemplo turmalina), existem agora muitas opções feitas pelo homem.

A luz polarizada também pode ser produzida por reflexão a partir de qualquer dieléctrico. A ideia é que, quando a luz atinge fluxo luminoso na junção dos dois meios de comunicação, é refractária. Isto pode facilmente ser visto colocando um lápis ou tubo num copo de água.

Este princípio é utilizado em microscópios de polarização.

No fenómeno da refracção da luz, parte dos raios é polarizada. A extensão deste efeito depende da posição fonte de luz e o ângulo de incidência da luz em relação ao local de refracção.

Quanto ao método de produção de luz polarizada, é utilizada uma de três variantes, independentemente das condições:

1. Prisma Nicolas. Com o nome do explorador escocês Nicolas William, que o inventou em 1828. Experimentou durante muito tempo e após 11 anos foi capaz de produzir um dispositivo acabado, que ainda hoje se encontra em uso, inalterado.
2. Reflexão a partir de um dieléctrico. Aqui é muito importante encontrar o ângulo óptimo de incidência e considerar o grau de de refracção (Quanto maior for a diferença de transmissão entre os dois meios, mais os raios são refractados).
3. Utilização de um meio anisotrópico. Os cristais com propriedades adequadas são mais frequentemente seleccionados para este fim. Se o fluxo luminoso for direccionado para eles, pode ser observada uma separação paralela à saída.

Polarização da luz por reflexão e refracção na interface de dois dieléctricos

Este fenómeno óptico foi descoberto por um físico escocês por David Brewster em 1815.. A lei que ele derivou mostrou a correlação dos índices de dois dieléctricos num determinado ângulo de incidência da luz. Se as condições forem escolhidas, os raios reflectidos a partir da junção dos dois meios serão polarizados no plano perpendicular ao ângulo de incidência.

Uma ilustração da Lei de Brewster.

O investigador observou que o feixe refractário está também parcialmente polarizado no plano de incidência. Isto não reflecte toda a luz, parte dela escapa para o feixe refractário. O ângulo Brewster é o ângulo em que luz reflectida é totalmente polarizado. Os raios reflectidos e refractários são perpendiculares um ao outro.

Para compreender a razão deste fenómeno, há que saber o seguinte:

1. Em qualquer onda electromagnética, a oscilação do campo eléctrico é sempre perpendicular à direcção do seu movimento.
2. O processo está dividido em duas fases. Na primeira, a onda incidente causa uma perturbação das moléculas dieléctricas, e na segunda, há ondas refractadas e reflectidas.

Se utilizarmos na experiência uma única placa de quartzo ou outro mineral adequado, a intensidade de luz polarizada plana será pequena (na ordem de 4% da intensidade total). Mas se utilizar uma pilha de placas, pode conseguir um aumento significativo no desempenho.

A propósito! A lei de Brewster também pode ser derivada utilizando fórmulas Fresnel.

Polarização da luz por um cristal

Os dieléctricos normais são anisotrópicos e as características da luz que os atinge dependem principalmente do ângulo de incidência. Os cristais têm propriedades diferentes, quando a luz os atinge, pode ser observado um efeito birefringente. Isto manifesta-se da seguinte forma: duas vigas refractárias são formadas quando passam pela estrutura; vão em direcções diferentes e as suas velocidades são também diferentes.

Os cristais de eixo único são mais frequentemente utilizados em experiências. Um dos feixes de refracção obedece a leis padrão e é chamado comum. O segundo feixe é formado de forma diferente, é chamado extraordinário, porque as peculiaridades da sua refracção não correspondem aos cânones habituais.

Este é o aspecto da dupla refracção no diagrama.

Se rodar o cristal, o feixe ordinário permanecerá inalterado e o feixe extraordinário mover-se-á em torno da circunferência. Calcite ou feldspato islandês são mais frequentemente utilizados em experiências, uma vez que são bem adequados para a investigação.

A propósito! Se olhar para o seu ambiente através de um cristal, os contornos de todos os objectos bifurcarão.

Com base em experiências com cristais Etienne Louis Malus formulou uma lei em 1810 em 1810, que tem o seu nome. Ele derivou uma clara dependência de luz polarizada linearmente depois de ter passado por um polarizador feito a partir de cristais. A intensidade do feixe após a passagem pelo cristal diminui em proporção ao quadrado do cosseno do ângulo formado entre o plano de polarização do feixe de entrada e o filtro.

Vídeo aula: Polarização da luz, física de grau 11.

Aplicações práticas da polarização da luz

O fenómeno em questão é utilizado na vida quotidiana com muito mais frequência do que parece. O conhecimento das leis de propagação de ondas electromagnéticas ajudou na criação de vários equipamentos. As principais opções são as seguintes:

1. Filtros de polarização especiais para máquinas fotográficas permitem-lhe ver-se livre do brilho ao tirar fotografias.
2. Os óculos com este efeito são frequentemente utilizados pelos condutores, uma vez que removem o brilho dos faróis que se aproximam. Como resultado, mesmo o feixe alto não pode ofuscar o condutor, aumentando a segurança.
   A ausência de brilho é devida ao efeito de polarização.
3. O equipamento utilizado na geofísica permite o estudo das propriedades das massas de nuvens. É também utilizado para estudar os padrões de polarização da luz solar à medida que passa através das nuvens.
4. Equipamento especial que tira fotografias de nebulosas cósmicas em luz polarizada ajuda a estudar as peculiaridades dos campos magnéticos que aí surgem.
5. Na engenharia mecânica, é utilizado o chamado método fotoelástico. Pode ser utilizado para identificar claramente as tensões que ocorrem em componentes e montagens.
6. O equipamento é utilizado em produções teatrais, bem como em decorações de concertos. Outra aplicação encontra-se em armários de exposição e stands de exposição.
7. Dispositivos que determinam o nível de açúcar no sangue de uma pessoa. Trabalham determinando o ângulo de rotação do plano de polarização.
8. Muitas empresas da indústria alimentar utilizam o equipamento capaz de determinar a concentração de alguma ou outra solução. Existem também dispositivos capazes de monitorizar proteínas, açúcares e ácidos orgânicos através da aplicação de propriedades de polarização.
9. A cinematografia 3D funciona precisamente através da utilização do fenómeno discutido neste artigo.

A propósito! Os famosos monitores de cristais líquidos e televisores funcionam também com base em fluxo polarizado.

O conhecimento das características básicas da polarização ajuda a explicar muitos dos efeitos encontrados em todo o mundo. É também um fenómeno amplamente utilizado na ciência, tecnologia, medicina, fotografia, cinema e muitos outros campos.