Mundo da polarização

Polarização da Luz

Introdução

O experimento teve como objetivo o estudo da polarização da luz utilizando o método por filtros polaróides. Também foi verificada a Lei de Malus, à intensidade da luz transmitida por estes filtros .

Objetivos

-Estudar a polarização da luz.

Fundamentos teóricos

O matemático Étienne-Louis Malus descobriu a polarização em 1809, apesar da luz polarizada já ser utilizada muito antes de sua descoberta. Acredita-se que vikings usavam a polarização do céu como auxilio ao navegar, embora não compreendessem o seu funcionamento.

Malus percebeu que a intensidade da luz que passava por um cristal variava conforme girava o mesmo. Através de experimentos descobriu que essa característica não era exclusiva de cristais, mas que podia estar presente no reflexo de qualquer substância, com exceção de metais polidos. Apesar de seus esforços suas descobertas foram limitadas pela baixa qualidade dos materiais disponíveis, mas ainda assim foi capaz de desenvolver a ‘Lei de Malus’, uma importante fórmula no estudo da polarização.

Considere o caso geral no qual o eixo do segundo polarizador, ou analisador, faz um ângulo θ com o eixo de polarização do primeiro polarizador. Podemos decompor a luz linearmente polarizada, transmitida pelo primeiro polarizador em dois componentes, um paralelo e outro perpendicular ao eixo do analisador. Somente o componente paralelo, com amplitude E cos θ, será transmitido pelo analisador. A intensidade do feixe transmitido será máxima quando θ=0 e será igual a zero quando o eixo do polarizador estiver cruzado com o do analisador, ou seja, quando θ=90º. Para determinar a direção da polarização da luz transmitida pelo primeiro polarizador, gire o analisador até que a fotocélula que ficará atrás do analisador indique intensidade igual a zero; nessa posição o eixo do primeiro polarizador é perpendicular ao eixo do analisador.

A Lei de Malus diz que a intensidade de um feixe de luz polarizado transmitido através de um polarizador é diretamente proporcional ao quadrado do cosseno do ângulo θ dado entre a direção de polarização do feixe de luz e do eixo de transmissão do polarizador, ou seja:

I(θ) = I0 cos² θ .

Onde: I(θ) é a intensidade medida depois do polarizador.

I0 é a intensidade em θ = 0°, isto é, a intensidade máxima.

Polarização

A polarização é uma característica de todas as ondas eletromagnéticas. Para introduzir certos conceitos básicos sobre polarização, relembraremos alguns conceitos sobre ondas transversais em uma corda vibrante. Em uma corda em equilíbrio ao longo do eixo Ox, os deslocamentos podem ocorrer ao longo do eixo Oy. No em tanto, os deslocamentos também poderiam ocorrer ao longo do eixo Oz, nesse caso, a corda fica contida no plano xz.

Quando uma onda possui somente o componente y, dizemos que ela é linearmente polarizada ao longo da direção y; quando uma onda possui somente o componente z, dizemos que ela é linearmente polarizada ao longo da direção z. Para ondas mecânicas, podemos fazer um filtro polarizador, ou simplesmente polarizador, o qual deixa passar somente componentes da onda com polarização em determinada direção. Esse filtro deixa passar ondas polarizadas na direção y, mas bloqueia aquelas polarizadas na direção z.

Podemos usar esse mesmo tipo de linguagem para as ondas eletromagnéticas, que também apresentam polarização. Qualquer onda eletromagnética é uma onda transversal; os campos elétricos e magnéticos flutuam em direções perpendiculares à direção de propagação da onda e em direções perpendiculares entre si. Sempre definiremos a direção de polarização de uma onda eletromagnética como a direção do vetor campo elétrico E, e não a direção de polarização do campo magnético, pois quase todos os detectores de ondas eletromagnéticas funcionam pela ação da força elétrica sobre os elétrons do material e não pela ação da força magnética.

As ondas produzidas por uma emissora de rádio são, em geral, linearmente polarizadas. A antena vertical de um telefone celular emite ondas contidas num plano horizontal em torno da antena e que são polarizadas em uma direção vertical. Se uma antena de TV no telhado de uma casa possui um elemento na horizontal, ela capta ondas polarizadas na horizontal e, se o elemento da antena estiver em uma direção vertical, ela detecta as ondas polarizadas verticalmente.

Para produzir um feixe de luz polarizada a partir de um feixe de luz natural, é necessário um filtro polarizador. Os filtros polarizadores trabalham como uma fenda, onde a luz normal que incide ao atravessar passe em somente um plano. Caso sejam utilizados dois polarizadores como na figura 1 e seja feito o alinhamento dos mesmos em ângulo não perpendicular, ou seja, que os ângulos não estejam defasados de 90°, a luz que passar pelo primeiro e atinge o segundo filtro, poderemos ver o texto um pouco mais escuro, devido à polarização, mas em todo caso é possível observar o texto.

Figura 1 – Exemplo de filtros polarizadores sobre uma página de revista com um ângulo de 90º

Na figura acima, os dois primeiros filtros são posicionados de tal forma que possuam um ângulo perpendicular entre si, com isso, não podemos observar o texto escrito, pois a luz polarizada pelo primeiro filtro ao atingir o segundo filtro está polarizada em apenas um plano, que é defasado de 90° ao segundo filtro, com isso ao atingir o segundo filtro não é possível passar nenhum raio de luz, pois não existe nenhuma onda nesse plano decorrente. Diversos são os equipamentos que utilizam essa técnica para filtrar a luz do Sol, por exemplo, como insufilm de automóveis, óculos de sol, telas de LCD e calculadoras.

Um filtro polarizador ideal deixa passar 100% da luz que é polarizada na mesma direção do eixo de polarização e bloqueia completamente a luz polarizada na direção perpendicular a esse eixo. Tal dispositivo é uma idealização inatingível, porém é um conceito útil para esclarecer as ideias básicas.

Uma luz não-polarizada indica sobre um polarizador em várias direções. O eixo do polarizador é indicado pela figura. Após, passar pelo polarizador a luz que emerge é linearmente polarizada na direção do eixo do polarizador.

Figura