É difícil destacar quem foi o primeiro a descobrir a luz polarizada. Os povos antigos podiam notar um ponto peculiar olhando para o céu em certas direções. A polarização tem muitas manias, se manifesta em diferentes áreas da vida, e hoje é objeto de pesquisa e aplicação em massa, a razão de tudo é a lei de Malus.
Descoberta da luz polarizada
Vikings podem ter usado a polarização do céu para navegar. Mesmo que não, eles definitivamente encontraram a Islândia e a maravilhosa pedra de calcita. O spar islandês (calcita) era conhecido mesmo em seus tempos, é aos habitantes da Islândia que ele deve seu nome. O mineral já foi usado na navegação devido às suas propriedades ópticas únicas. Ele desempenhou um papel importante na descoberta moderna da polarização e continua a ser o material de escolha para separar os componentes de polarização da luz.
Em 1669, o matemático dinamarquês da Universidade de Copenhague, Erasmus Bartholinus, não apenas viu uma luz dupla, mas também realizou alguns experimentos, escrevendo um livro de memórias de 60 páginas. Isso éfoi a primeira descrição científica do efeito de polarização, e o autor pode ser considerado o descobridor desta incrível propriedade da luz.
Christian Huygens desenvolveu a teoria das ondas pulsadas da luz, que publicou em 1690 em seu famoso livro Traite de la Lumiere. Ao mesmo tempo, Isaac Newton avançou a teoria corpuscular da luz em seu livro Opticks (1704). No final, ambos estavam certos e errados, pois a luz tem uma natureza dual (onda e partícula). No entanto, Huygens estava mais próximo da compreensão moderna do processo.
Em 1801, Thomas Young fez o famoso experimento de interferência de fenda dupla. Provou que a luz se comporta como ondas, e a superposição de ondas pode levar à escuridão (interferência destrutiva). Ele usou sua teoria para explicar coisas como os anéis de Newton e arcos de arco-íris sobrenaturais. Um avanço na ciência veio alguns anos depois, quando Jung mostrou que a polarização é devido à natureza de onda transversal da luz.
O jovem Etienne Louis Malus viveu em uma época turbulenta - durante a Revolução Francesa e o reino do terror. Participou com o exército de Napoleão na invasão do Egito, da Palestina e da Síria, onde contraiu a praga que o matou alguns anos depois. Mas ele conseguiu dar uma importante contribuição para a compreensão da polarização. A lei de Malus, que previa a intensidade da luz transmitida através de um polarizador, tornou-se uma das mais populares no século 21 ao criar telas de cristal líquido.
Sir David Brewster, renomado escritor científico, estudou disciplinas de física óptica como dicroísmo e espectrosabsorção, bem como assuntos mais populares, como fotografia estéreo. A famosa frase de Brewster é conhecida: "Tudo é transparente, exceto o vidro".
Ele também fez uma contribuição inestimável para o estudo da luz:
- A lei que descreve o "ângulo de polarização".
- Invenção do caleidoscópio.
Brewster repetiu os experimentos de Malus para muitas gemas e outros materiais, descobrindo uma anomalia no vidro, e descobriu a lei - "ângulo de Brewster". Segundo ele, “…quando o feixe é polarizado, o feixe refletido forma um ângulo reto com o feixe refratado.”
Lei de Polarização Malus
Antes de falarmos sobre polarização, devemos primeiro nos lembrar da luz. A luz é uma onda, embora às vezes seja uma partícula. Mas, de qualquer forma, a polarização faz sentido se pensarmos na luz como uma onda, como uma linha, que vai da lâmpada até os olhos. A maior parte da luz é uma confusão mista de ondas de luz que vibram em todas as direções. Essa direção de oscilação é chamada de polarização da luz. O polarizador é o dispositivo que limpa essa bagunça. Ele aceita qualquer coisa que misture luz e só deixa passar a luz que oscila em uma direção específica.
A formulação da Lei de Malus é: quando uma luz polarizada completamente plana incide sobre o analisador, a intensidade da luz transmitida pelo analisador é diretamente proporcional ao quadrado do cosseno do ângulo entre os eixos de transmissão do analisador e o polarizador.
Uma onda eletromagnética transversal contém um campo elétrico e um campo magnético, e o campo elétrico em uma onda de luz é perpendicular à direção de propagação da onda de luz. A direção da vibração da luz é o vetor elétrico E.
Para um feixe não polarizado comum, o vetor elétrico continua mudando sua direção aleatoriamente quando a luz passa por uma polaroid, a luz resultante é plana polarizada com seu vetor elétrico vibrando em uma determinada direção. A direção do vetor do feixe emergente depende da orientação da polaroid, e o plano de polarização é projetado como um plano contendo o vetor E e o feixe de luz.
A figura abaixo mostra a luz polarizada plana devido ao vetor vertical EI e ao vetor horizontal EII.
A luz não polarizada passa por uma Polaroid P 1 e depois por uma Polaroid P 2, formando um ângulo θ com y ax-s. Após a propagação da luz na direção x passar pela Polaroid P 1, o vetor elétrico associado à luz polarizada vibrará apenas ao longo do eixo y.
Agora, se permitirmos que este feixe polarizado passe novamente pelo P 2 polarizado, fazendo um ângulo θ com o eixo y, então se E 0 é a amplitude do campo elétrico incidente em P 2, então a amplitude de a onda que sai de P 2, será igual a E 0 cosθ e, portanto, a intensidade do feixe emergente estará de acordo com a Lei de Malus (fórmula) I=I 0 cos 2 θ
onde I 0 é a intensidade do feixe que emerge de P 2 quando θ=0θ é o ângulo entre os planos de transmissão do analisador e o polarizador.
Exemplo de cálculo de intensidade de luz
Lei de Malus: I 1=I o cos 2 (q);
onde q é o ângulo entre a direção de polarização da luz e o eixo de transmissão do polarizador.
Luz não polarizada com intensidade I o=16 W/m 2 incide sobre um par de polarizadores. O primeiro polarizador tem um eixo de transmissão alinhado a uma distância de 50° da vertical. O segundo polarizador tem o eixo de transmissão alinhado a uma distância de 20o da vertical.
Um teste da Lei de Malus pode ser feito calculando a intensidade da luz quando emerge do primeiro polarizador:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
A luz não é polarizada, então I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensidade da luz do segundo polarizador:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Seguido pela Lei de Malus, cuja formulação confirma que quando a luz sai do primeiro polarizador, é linearmente polarizada a 50o. O ângulo entre este e o eixo de transmissão do segundo polarizador é de 30°. Portanto:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Agora a polarização linear de um feixe de luz com intensidade de 16 W/m 2 incide sobre o mesmo par de polarizadores. A direção de polarização da luz incidente é 20o da vertical.
Intensidade da luz que sai do primeiro e segundo polarizadores. Passando por cada polarizador, a intensidade diminui por um fator de 3/4. Depois de deixar o primeiro polarizadora intensidade é 163/4 =12 W/m2 e diminui para 123/4 =9 W/m2 após passar o segundo.
A lei malusiana da polarização diz que para desviar a luz de uma direção de polarização para outra, a perda de intensidade é reduzida usando mais polarizadores.
Suponha que você precise girar a direção da polarização em 90o.
| N, número de polarizadores | Ângulo entre polarizadores sucessivos | I 1 / I o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90 / N | [cos 2 (90 o / N)] N |
Cálculo do ângulo de reflexão de Brewster
Quando a luz atinge uma superfície, parte da luz é refletida e parte dela penetra (refratada). A quantidade relativa dessa reflexão e refração depende das substâncias que passam pela luz, bem como do ângulo em que a luz atinge a superfície. Existe um ângulo ideal, dependendo das substâncias, que permite que a luz refrata (penetre) tanto quanto possível. Este ângulo ideal é conhecido como o ângulo do físico escocês David Brewster.
Calcule o ânguloBrewster para luz branca polarizada comum é produzido pela fórmula:
teta=arctan (n1 / n2), onde teta é o ângulo de Brewster e n1 e n2 são os índices de refração dos dois meios.
Para calcular o melhor ângulo para a penetração máxima da luz através do vidro - da tabela de índice de refração, descobrimos que o índice de refração do ar é 1,00 e o índice de refração do vidro é 1,50.
O ângulo de Brewster seria arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 graus (aproximadamente).
Cálculo do melhor ângulo de luz para máxima penetração de água. Da tabela de índices de refração segue que o índice para o ar é 1,00, e o índice de refração para a água é 1,33.
O ângulo de Brewster seria arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 graus (aproximadamente).
Uso de luz polarizada
Um simples leigo nem imagina a intensidade com que os polarizadores são usados no mundo. A polarização da luz da lei de Malus nos cerca por toda parte. Por exemplo, coisas populares como óculos de sol Polaroid, bem como o uso de filtros polarizadores especiais para lentes de câmera. Vários instrumentos científicos usam luz polarizada emitida por lasers ou por lâmpadas incandescentes polarizadas e fontes fluorescentes.
Polarizadores às vezes são usados na iluminação de salas e palcos para reduzir o brilho e fornecer uma iluminação mais uniforme e como óculos para dar uma sensação visível de profundidade aos filmes 3D. Polarizadores cruzados mesmousado em trajes espaciais para reduzir drasticamente a quantidade de luz que entra nos olhos de um astronauta durante o sono.
Segredos da ótica na natureza
Por que céu azul, pôr do sol vermelho e nuvens brancas? Essas perguntas são conhecidas por todos desde a infância. As leis de Malus e Brewster fornecem explicações para esses efeitos naturais. Nosso céu é realmente colorido, graças ao sol. Sua luz branca brilhante tem todas as cores do arco-íris embutidas em seu interior: vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, índigo e violeta. Sob certas condições, uma pessoa encontra um arco-íris, um pôr do sol ou uma tarde cinzenta. O céu é azul por causa da "dispersão" da luz solar. A cor azul tem um comprimento de onda mais curto e mais energia do que outras cores.
Como resultado, o azul é absorvido seletivamente pelas moléculas de ar e depois liberado novamente em todas as direções. Outras cores são menos espalhadas e, portanto, geralmente não visíveis. O sol do meio-dia é amarelo depois de absorver sua cor azul. Ao nascer ou pôr do sol, a luz do sol entra em um ângulo baixo e deve passar por uma grande espessura da atmosfera. Como resultado, a cor azul é completamente espalhada, de modo que a maior parte é completamente absorvida pelo ar, perdendo e espalhando outras cores, especialmente laranjas e vermelhos, criando um horizonte de cores glorioso.
As cores da luz do sol também são responsáveis por todos os tons que amamos na Terra, seja o verde da grama ou o oceano turquesa. A superfície de cada objeto seleciona as cores específicas que irá refletir paradistinguir-se. As nuvens geralmente são brancas brilhantes porque são excelentes refletores ou difusores de qualquer cor. Todas as cores devolvidas são adicionadas ao branco neutro. Alguns materiais refletem todas as cores uniformemente, como leite, giz e açúcar.
A importância da sensibilidade à polarização na astronomia
Por muito tempo, o estudo da lei de Malus, o efeito da polarização na astronomia foi ignorado. A luz das estrelas é quase completamente despolarizada e pode ser usada como padrão. A presença de luz polarizada na astronomia pode nos dizer como a luz foi criada. Em algumas supernovas, a luz emitida não é despolarizada. Dependendo da parte da estrela que está sendo vista, uma polarização diferente pode ser vista.
Esta informação sobre a polarização da luz de diferentes regiões da nebulosa pode dar aos pesquisadores pistas sobre a localização da estrela sombreada.
Em outros casos, a presença de luz polarizada pode revelar informações sobre toda a parte da galáxia invisível. Outro uso de medições sensíveis à polarização em astronomia é detectar a presença de campos magnéticos. Ao estudar a polarização circular de cores muito específicas da luz que emanam da coroa do sol, os cientistas descobriram informações sobre a força do campo magnético nesses lugares.
Microscopia óptica
O microscópio de luz polarizada é projetado para observar e fotografar espécimes que são visíveis através desua natureza opticamente anisotrópica. Materiais anisotrópicos têm propriedades ópticas que mudam com a direção de propagação da luz que passa por eles. Para realizar esta tarefa, o microscópio deve ser equipado com um polarizador colocado no caminho da luz em algum lugar na frente da amostra e um analisador (segundo polarizador) colocado no caminho óptico entre a abertura traseira da objetiva e os tubos de visualização ou porta da câmera.
Aplicação da polarização em biomedicina
Esta tendência popular hoje é baseada no fato de que em nossos corpos existem muitos compostos que são opticamente ativos, ou seja, eles podem girar a polarização da luz que passa por eles. Vários compostos opticamente ativos podem girar a polarização da luz em diferentes quantidades e em diferentes direções.
Alguns produtos químicos opticamente ativos estão presentes em concentrações mais altas nos estágios iniciais da doença ocular. Os médicos poderiam potencialmente usar esse conhecimento para diagnosticar doenças oculares no futuro. Pode-se imaginar que o médico incida uma fonte de luz polarizada no olho do paciente e mede a polarização da luz refletida na retina. Usado como um método não invasivo para testar doenças oculares.
O presente da modernidade - tela LCD
Se você olhar atentamente para a tela LCD, você notará que a imagem é uma grande variedade de quadrados coloridos dispostos em uma grade. Neles, eles encontraram aplicação da lei de Malus,a física do processo que criou as condições quando cada quadrado ou pixel tem sua própria cor. Esta cor é uma combinação de luz vermelha, verde e azul em cada intensidade. Essas cores primárias podem reproduzir qualquer cor que o olho humano possa ver porque nossos olhos são tricromáticos.
Em outras palavras, eles aproximam comprimentos de onda específicos da luz analisando a intensidade de cada um dos três canais de cores.
Os monitores exploram essa deficiência exibindo apenas três comprimentos de onda que visam seletivamente cada tipo de receptor. A fase de cristal líquido existe no estado fundamental, no qual as moléculas são orientadas em camadas, e cada camada subsequente se torce levemente para formar um padrão helicoidal.
Tela LCD de 7 segmentos:
- Eletrodo positivo.
- Eletrodo negativo.
- Polarizador 2.
- Exibir.
- Polarizador 1.
- Cristal líquido.
Aqui o LCD está entre duas placas de vidro, que são equipadas com eletrodos. LCDs de compostos químicos transparentes com "moléculas torcidas" chamadas cristais líquidos. O fenômeno da atividade óptica em alguns produtos químicos é devido à sua capacidade de girar o plano da luz polarizada.
Filmes 3D em estéreo
A polarização permite que o cérebro humano finja 3D analisando as diferenças entre duas imagens. Os humanos não podem ver em 3D, nossos olhos só podem ver em 2D. Imagens. No entanto, nossos cérebros podem entender a distância dos objetos analisando as diferenças no que cada olho vê. Este processo é conhecido como Stereopsis.
Como nossos cérebros só podem ver pseudo-3D, os cineastas podem usar esse processo para criar a ilusão de três dimensões sem recorrer a hologramas. Todos os filmes 3D funcionam com duas fotos, uma para cada olho. Na década de 1950, a polarização tornou-se o método dominante de separação de imagens. Os cinemas passaram a ter dois projetores funcionando simultaneamente, com um polarizador linear sobre cada lente.
Para a atual geração de filmes 3D, a tecnologia mudou para a polarização circular, que resolve o problema de orientação. Esta tecnologia é atualmente fabricada pela RealD e responde por 90% do mercado 3D. A RealD lançou um filtro circular que alterna entre a polarização no sentido horário e anti-horário muito rapidamente, então apenas um projetor é usado em vez de dois.
