O que é polarização da luz e sua aplicação prática

A luz polarizada difere da luz padrão em sua distribuição. Foi descoberto há muito tempo e é usado tanto para experimentos físicos quanto na vida cotidiana para realizar algumas medições. Compreender o fenômeno da polarização não é difícil, isso permitirá que você entenda o princípio de operação de alguns dispositivos e descubra por que, sob certas condições, a luz não se propaga como de costume.

Comparação de fotos sem filtro polarizador e com ele, no segundo caso quase não há brilho.

O que é polarização da luz

A polarização da luz prova que a luz é uma onda transversal. Ou seja, estamos falando da polarização das ondas eletromagnéticas em geral, e a luz é uma das variedades, cujas propriedades estão sujeitas a regras gerais.

A polarização é uma propriedade das ondas transversais, cujo vetor de oscilação é sempre perpendicular à direção de propagação da luz ou outra coisa.Ou seja, se você selecionar os raios de luz com a mesma polarização do vetor, esse será o fenômeno da polarização.

Na maioria das vezes, vemos luz não polarizada ao nosso redor, pois seu vetor de intensidade se move em todas as direções possíveis. Para torná-lo polarizado, ele é passado por um meio anisotrópico, que corta todas as oscilações e deixa apenas uma.

Comparação de luz comum e polarizada.

Quem descobriu o fenômeno e o que isso prova

O conceito em consideração foi usado pela primeira vez na história por um famoso cientista britânico I. Newton em 1706. Mas outro pesquisador explicou sua natureza - James Maxwell. Então a natureza das ondas de luz não era conhecida, mas com o acúmulo de vários fatos e os resultados de vários experimentos, surgiram mais e mais evidências da transversalidade das ondas eletromagnéticas.

O primeiro a realizar experimentos nessa área foi um pesquisador holandês Huygens, isso aconteceu em 1690. Ele passou a luz através de uma placa de spar islandês, como resultado da descoberta da anisotropia transversal do feixe.

A primeira evidência da polarização da luz na física foi obtida por um pesquisador francês E. Malus. Ele usou duas placas de turmalina e acabou criando uma lei com o seu nome. Graças a numerosos experimentos, a transversalidade das ondas de luz foi comprovada, o que ajudou a explicar sua natureza e características de propagação.

De onde vem a polarização da luz e como obtê-la você mesmo

A maior parte da luz que vemos não é polarizada. Sol, iluminação artificial - um fluxo luminoso com um vetor oscilando em diferentes direções, espalha-se em todas as direções sem nenhuma restrição.

A luz polarizada aparece depois de passar por um meio anisotrópico, que pode ter propriedades diferentes. Este ambiente remove a maioria das flutuações, deixando a única coisa que proporciona o efeito desejado.

Na maioria das vezes, os cristais atuam como um polarizador. Se antes eram usados ​​principalmente materiais naturais (por exemplo, turmalina), agora existem muitas opções de origem artificial.

Além disso, a luz polarizada pode ser obtida por reflexão de qualquer dielétrico. A linha inferior é que quando fluxo luminoso é refratado na junção de dois meios. Isso é fácil de ver colocando um lápis ou um tubo em um copo de água.

Este princípio é usado em microscópios de polarização.

Durante o fenômeno de refração da luz, parte dos raios é polarizada. O grau de manifestação deste efeito depende da localização fonte de luz e o ângulo de sua incidência em relação ao ponto de refração.

Quanto aos métodos para obter luz polarizada, uma das três opções é usada independentemente das condições:

1. Prisma Nicolas. É nomeado após o explorador escocês Nicolas William que o inventou em 1828. Ele conduziu experimentos por um longo tempo e, após 11 anos, conseguiu obter um dispositivo acabado, que ainda é usado inalterado.
2. Reflexão de um dielétrico. Aqui é muito importante escolher o ângulo de incidência ideal e levar em consideração o grau refração (quanto maior a diferença na transmissão de luz dos dois meios, mais os raios são refratados).
3. Usando um ambiente anisotrópico. Na maioria das vezes, os cristais com propriedades adequadas são selecionados para isso. Se você direcionar um fluxo de luz para eles, poderá observar sua separação paralela na saída.

Polarização da luz após reflexão e refração na interface de dois dielétricos

Este fenômeno óptico foi descoberto por um físico da Escócia David Brewster em 1815. A lei que ele derivou mostrou a relação entre os indicadores de dois dielétricos em um certo ângulo de incidência da luz. Se escolhermos as condições, os raios refletidos da interface de dois meios serão polarizados em um plano perpendicular ao ângulo de incidência.

Uma ilustração da lei de Brewster.

O pesquisador observou que o feixe refratado é parcialmente polarizado no plano de incidência. Neste caso, nem toda a luz é refletida, parte dela vai para o feixe refratado. Ângulo de Brewster é o ângulo em que Luz refletida completamente polarizado. Neste caso, os raios refletidos e refratados são perpendiculares entre si.

Para entender o motivo desse fenômeno, você precisa saber o seguinte:

1. Em qualquer onda eletromagnética, as oscilações do campo elétrico são sempre perpendiculares à direção de seu movimento.
2. O processo é dividido em duas etapas. No primeiro, a onda incidente faz com que as moléculas do dielétrico se excitem, no segundo, aparecem as ondas refratadas e refletidas.

Se um plástico de quartzo ou outro mineral adequado for usado no experimento, intensidade luz polarizada plana será pequena (cerca de 4% da intensidade total). Mas se você usar uma pilha de placas, poderá obter um aumento significativo no desempenho.

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

Polarização da luz por um cristal

Os dielétricos comuns são anisotrópicos e as características da luz quando os atinge dependem principalmente do ângulo de incidência. As propriedades dos cristais são diferentes, quando a luz os atinge, pode-se observar o efeito da dupla refração dos raios.Isso se manifesta da seguinte forma: ao passar pela estrutura, dois feixes refratados são formados, que vão em direções diferentes, suas velocidades também diferem.

Na maioria das vezes, cristais uniaxiais são usados ​​em experimentos. Neles, um dos feixes de refração obedece às leis padrão e é chamado de ordinário. O segundo é formado de maneira diferente, é chamado de extraordinário, pois as características de sua refração não correspondem aos cânones usuais.

É assim que a refração dupla se parece no diagrama.

Se você girar o cristal, o feixe comum permanecerá inalterado e o extraordinário se moverá ao redor do círculo. Na maioria das vezes, calcita ou spar islandês são usados ​​​​em experimentos, pois são adequados para pesquisas.

A propósito! Se você olhar para o ambiente através do cristal, os contornos de todos os objetos se dividirão em dois.

Baseado em experimentos com cristais Étienne Louis Malus formulou a lei em 1810 o ano que recebeu seu nome. Ele deduziu uma clara dependência da luz linearmente polarizada após sua passagem por um polarizador feito com base em cristais. A intensidade do feixe após passar pelo cristal diminui proporcionalmente ao quadrado do cosseno do ângulo formado entre o plano de polarização do feixe incidente e o filtro.

Vídeo aula: Polarização da luz, física 11º ano.

Aplicação prática da polarização da luz

O fenômeno em consideração é usado na vida cotidiana com muito mais frequência do que parece. O conhecimento das leis de propagação das ondas eletromagnéticas auxiliou na criação de diversos equipamentos. As principais opções são:

1. Filtros polarizadores especiais para câmeras permitem que você se livre do brilho ao tirar fotos.
2. Óculos com esse efeito são frequentemente usados ​​pelos motoristas, pois removem o brilho dos faróis dos veículos que se aproximam.Como resultado, mesmo os faróis altos não podem ofuscar o motorista, o que aumenta a segurança.
   A ausência de brilho é devido ao efeito da polarização.
3. O equipamento utilizado em geofísica permite estudar as propriedades das massas de nuvens. Também é usado para estudar as características da polarização da luz solar ao passar pelas nuvens.
4. Instalações especiais que fotografam nebulosas cósmicas em luz polarizada ajudam a estudar as características dos campos magnéticos que ali surgem.
5. Na indústria de engenharia, é usado o chamado método fotoelástico. Com ele, você pode determinar claramente os parâmetros de tensão que ocorrem nos nós e peças.
6. Equipamento usado na criação de cenários teatrais, bem como na concepção de concertos. Outra área de aplicação são vitrines e stands de exposição.
7. Dispositivos que medem o nível de açúcar no sangue de uma pessoa. Eles funcionam determinando o ângulo de rotação do plano de polarização.
8. Muitas empresas da indústria alimentícia utilizam equipamentos capazes de determinar a concentração de uma determinada solução. Existem também dispositivos que podem controlar o conteúdo de proteínas, açúcares e ácidos orgânicos através do uso de propriedades de polarização.
9. A cinematografia 3D funciona justamente pelo uso do fenômeno considerado no artigo.

A propósito! Familiar a todos os monitores de cristal líquido e TVs também funcionam com base em um fluxo polarizado.

Conhecer as características básicas da polarização permite explicar os muitos efeitos que ocorrem ao redor. Além disso, esse fenômeno é amplamente utilizado em ciência, tecnologia, medicina, fotografia, cinema e muitos outros campos.