Polarização da luz: tipos, exemplos, aplicações - Ciência - 2023

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o polarização da luz É o fenômeno que ocorre quando a onda eletromagnética que constitui a luz visível oscila em uma direção preferencial. Uma onda eletromagnética é composta por uma onda elétrica e uma onda magnética, ambas transversais à direção de propagação. A oscilação magnética é simultânea e inseparável da oscilação elétrica e ocorre em direções mutuamente ortogonais.

A luz que a maioria das fontes de luz emite, como o Sol ou uma lâmpada, é não polarizada, o que significa que ambos os componentes: elétrico e magnético, oscilam em todas as direções possíveis, embora sempre perpendiculares à direção de propagação.

Mas quando há uma direção preferencial ou única de oscilação do componente elétrico, então falamos de uma onda eletromagnética polarizada. Além disso, se a frequência da oscilação está no espectro visível, então falamos de luz polarizada.

A seguir, veremos os tipos de polarização e os fenômenos físicos que produzem luz polarizada.

Tipos de polarização

Polarização linear

A polarização linear ocorre quando o plano de oscilação do campo elétrico da onda de luz possui uma única direção, perpendicular à direção de propagação. Este plano é considerado, por convenção, o plano de polarização.

E o componente magnético se comporta da mesma forma: sua direção é perpendicular à componente elétrica da onda, é única e também é perpendicular à direção de propagação.

A figura superior mostra uma onda polarizada linearmente. No caso mostrado, o vetor campo elétrico oscila paralelo ao eixo X, enquanto o vetor campo magnético oscila simultaneamente ao elétrico, mas na direção Y. Ambas as oscilações são perpendiculares à direção Z de propagação.

A polarização linear oblíqua pode ser obtida a partir da superposição de duas ondas que oscilam em fase e possuem planos de polarização ortogonais, como é o caso da figura abaixo, onde o plano de oscilação do campo elétrico na onda de luz é mostrado em azul. .

Polarização circular

Nesse caso, a amplitude dos campos elétrico e magnético da onda de luz tem magnitude constante, mas sua direção gira com velocidade angular constante na direção transversal à direção de propagação.

A figura abaixo mostra a rotação da amplitude do campo elétrico (na cor vermelha). Essa rotação resulta da soma ou superposição de duas ondas de mesma amplitude e polarizadas linearmente em planos ortogonais, cuja diferença de fase é π / 2 radianos. Eles são representados na figura abaixo como ondas azuis e verdes, respectivamente.

A maneira de escrever os componentes matematicamente x e Y do campo elétrico de uma onda com polarização circular direita, de amplitude Eo e isso se espalha na direção z isto é:

E = (Ex Eu; Ei j; Ez k) = Eo (Cos [(2π / λ) (c t - z)] Eu; Cos [(2π / λ) (c t - z) - π / 2]j; 0 k)

Em vez disso, uma onda com polarização circular canhota amplitude Eo que se espalha na direção z é representado por:

E = (Ex Eu; Ei j; Ez k) = Eo (Cos [(2π / λ) (c t - z)] Eu, Cos [(2π / λ) (c t - z) + π / 2] j, 0 k)

Observe que o sinal muda na diferença de fase de um quarto de onda do componente Y, em relação ao componente x.

Tanto para o caso dextro-rotatório Como canhoto, o campo magnético vetorial B está relacionado ao vetor de campo elétrico E por produto vetorial entre o vetor unitário na direção de propagação eE, incluindo um fator de escala igual ao inverso da velocidade da luz:

B = (1 / c) û_z ｘ E

Polarização elíptica

A polarização elíptica é semelhante à polarização circular, com a diferença de que a amplitude do campo gira descrevendo uma elipse em vez de um círculo.

A onda com polarização elíptica é a superposição de duas ondas polarizadas linearmente em planos perpendiculares com avanço ou atraso de π/2 radianos na fase de uma em relação à outra, mas com a adição de que a amplitude do campo em cada uma das componentes é diferente.

Fenômenos devido à polarização da luz

Reflexão

Quando um feixe de luz não polarizado atinge uma superfície, por exemplo, vidro, ou a superfície da água, parte da luz é refletida e parte é transmitida. O componente refletido é parcialmente polarizado, a menos que a incidência do feixe seja perpendicular à superfície.

No caso particular em que o ângulo do feixe refletido forma um ângulo reto com o feixe transmitido, a luz refletida tem polarização linear total, na direção normal ao plano de incidência e paralela à superfície refletora. O ângulo de incidência que produz polarização total por reflexão é conhecido como Ângulo de Brewster.

Absorção seletiva

Alguns materiais permitem a transmissão seletiva de um determinado plano de polarização do componente elétrico da onda de luz.

Esta é a propriedade que se utiliza para a fabricação de filtros polarizadores, nos quais geralmente se utiliza um polímero à base de iodo esticado ao limite e alinhado como uma grade, compactado entre duas lâminas de vidro.

Tal arranjo atua como uma grade condutora que "curto-circuita" o componente elétrico da onda ao longo das ranhuras e permite que os componentes transversais passem através do feixe polimérico. A luz transmitida é, portanto, polarizada na direção transversal do corpo estriado.

Ao anexar um segundo filtro polarizador (chamado de analisador) à luz já polarizada, um efeito de obturador pode ser obtido.

Quando a orientação do analisador coincide com o plano de polarização da luz incidente, toda a luz passa, mas na direção ortogonal a luz se extingue completamente.

Para as posições intermediárias há passagem parcial da luz, cuja intensidade varia de acordo com o Lei de Malus:

I = Io Cos²(θ).

Birrefringência de cristal

A luz no vácuo, como todas as ondas eletromagnéticas, se propaga com uma velocidade c de aproximadamente 300.000 km / s. Mas em um meio translúcido, sua velocidade v é um pouco menos. O quociente entre c Y v se denomina índice de refração do meio translúcido.

Em alguns cristais, como a calcita, o índice de refração é diferente para cada componente de polarização. Por isso, quando um feixe de luz passa por um vidro com birrefringência, o feixe é separado em dois feixes com polarização linear em direções ortogonais, conforme verificado com um filtro polarizador-analisador.

Exemplos de polarização de luz

A luz refletida da superfície da água do mar ou lago é parcialmente polarizada. A luz do céu azul, mas não das nuvens, está parcialmente polarizada.

Alguns insetos como o besouro Cetonia aurata reflete a luz com polarização circular. A figura abaixo mostra este interessante fenômeno, em que a luz refletida pelo besouro pode ser observada sucessivamente sem filtros, com um filtro polarizador direito e depois com um filtro polarizador esquerdo.

Além disso, foi colocado um espelho que produz uma imagem com um estado de polarização invertido em relação ao da luz refletida diretamente pelo besouro.

Aplicações de polarização de luz

Filtros de polarização são usados em fotografia para eliminar o clarão produzido pela luz refletida de superfícies reflexivas, como a água.

Eles também são usados para eliminar o brilho produzido pela luz do céu azul parcialmente polarizada, obtendo fotografias de melhor contraste.

Na química, assim como na indústria de alimentos, um instrumento denominado polarímetro, que permite medir a concentração de certas substâncias que em solução produzem uma rotação do ângulo de polarização.

Por exemplo, através da passagem de luz polarizada e com a ajuda de um polarímetro, a concentração de açúcar em sucos e bebidas pode ser rapidamente determinada para verificar se está de acordo com os padrões do fabricante e controles sanitários.

Referências

Goldstein, D. Polarized Light. Nova York: Marcel Dekker, Inc, 2003.
Jenkins, F. A. 2001. Fundamentals of Optics. NY: McGraw Hill Higher Education.
Saleh, Bahaa E. A. 1991. Fundamentals of photonics. Canadá: John Wiley & Sons, 1991.
Guenther, R D. 1990. Modern Optics. John Wiley & Sons Canadá.
Bohren, C.F. 1998. Absorção e difusão de luz por pequenas partículas. Canadá: John Wiley & Sons.
Wikipedia. Polarização eletromagnética. Recuperado de: es.wikipedia.com