Polarixação da luz

Ciências da Natureza e suas
Tecnologias - Física
Ensino Médio, 3º Ano
Polarização da luz
FÍSICA, 30 Ano do Ensino Médio
Polarização da Luz
Sumário
1. Polarização de uma onda
2. Polarização da luz
3. Aplicações
3.1 O polaroide
3.2 O cinema em 3D
3.3 As abelhas
4. Experimente você
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Polarização da Luz
1. Polarização de uma onda
Imagem: M.arunprasad / the Creative
Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported
Sabemos que, quando uma onda mecânica se propaga em
um determinado meio, as partículas desse meio oscilam.
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Polarização da Luz
Essa oscilação pode se efetuar na mesma direção do
movimento , no caso das ondas longitudinais, como o som, ou
perpendicularmente a essa direção, no caso das ondas
transversais numa corda, por exemplo.
Onda longitudinal
Direção de
vibração
Direção de
propagação
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Polarização da Luz
Onda transversal
Direção de
propagação
Direção de
vibração
A
B
y
Na figura, a representa a amplitude da onda e λ o
comprimento de onda.
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Polarização da Luz
A oscilação transversal, ao contrário da longitudinal, permite
que as partículas oscilem em qualquer plano perpendicular à
direção de propagação, como indica a figura:
Direções de
oscilação
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Polarização da Luz
Se a corda ultrapassar uma fenda simples (um obstáculo), o
plano de oscilação das partículas será único e paralelo à fenda.
Dizemos, portanto, que a onda está polarizada.
Direção da
oscilação
Fenda
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Polarização da Luz
•
A polarização é uma característica das ondas transversais.
Ondas longitudinais não podem ser polarizadas porque oscilam
na mesma direção de propagação.
2. Polarização da Luz
Antigamente os físicos que acreditavam no caráter
ondulatório da luz admitiam que essa onda se propagaria de
forma longitudinal, como o som. Por isso, quando a polarização
da luz foi descoberta no início do século XIX, esse modelo
ondulatório teve que ser reformulado.
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Polarização da Luz
•
O modelo ondulatório da luz aceito até hoje propõe que ela
seja uma onda eletromagnética, onde campos elétricos e
magnéticos são perpendiculares entre si. Ela não depende de
meio para se propagar, sendo uma onda do tipo transversal.
Onda Eletromagnética
Campa
Elétrico (E)
Campo
Magnético (B)
(y)
Compriment
o da onda
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Polarização da Luz
Apesar de abstrata, essa representação possibilita o estudo
teórico da propagação luminosa (e de qualquer outra onda
eletromagnética) com enorme precisão.
Quem consolidou essa ideia no
século
XIX,
usando
bases
matemáticas rigorosas, foi o físico
James Clerk Maxwell (1831-1879).
Isso se deu através das suas
quatro famosas equações que
resumem o eletromagnetismo: as
equações de Maxwell.
Imagem: G. J. Stodart / Domínio Público.
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Polarização da Luz
O estudo teórico e experimental da polarização da luz
mostrou que esse fenômeno pode ocorrer:
i)
Por reflexão
Sempre que a luz se reflete numa superfície polida (não
metálica) as oscilações paralelas à superfície se refletem com
mais intensidade que as oscilações perpendiculares. Este efeito é
máximo quando o raio refratado é perpendicular ao raio refletido.
Nesse caso, o ângulo de incidência é chamado ângulo de
Brewster.
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Polarização da Luz
Raio refletido
Raio incidente
ÂB
ÂB
n1
90º
n2
Raio refratado
Temos na figura um esquema clássico de refração de um
raio luminoso, passando de um meio cujo índice de refração é n1,
para outro meio de índice n2.
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Polarização da Luz
Imagem: Smithsonian Institute Libraries /
Domínio Público.
•
As oscilações não paralelas à superfície (setas vermelhas)
são parcialmente absorvidas; as paralelas à superfície e
perpendiculares ao plano da figura (pontos azuis) são
integralmente refletidas.
•
Quando o ângulo de incidência chega ao valor ÂB - ângulo
de Brewster – o raio refletido é totalmente polarizado.
David Brewster (1781-1868) foi um
cientista e inventor escocês. Realizou
inúmeros estudos sobre a reflexão, a
refração e polarização da luz.
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Polarização da Luz
ii) Por transmissão
Muitos cristais, como a calcita, o quartzo, a turmalina e até
mesmo o gelo, podem ter dois índices de refração, por isso o
mesmo raio de luz se divide em dois; esses raios são polarizados
em direções perpendiculares entre si.
Imagem: Eurico Zimbres FGEL-UERJ /
Creative Commons Attribution-Share
Alike 2.5 Generic.
Quartzo
Imagem: Beatrice Murch / Creative
Commons Attribution 2.0 Generic.
Calcita
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Imagem: Stefan / Creative Commons
Attribution-Share Alike 2.0 Generic.
Gelo
Imagem: Eurico Zimbres FGEL-UERJ /
Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0
Brazil.
Turmalina
Entretanto não temos ferramentas matemáticas suficientes
no ensino médio para estudar com detalhes esse tipo de
polarização.
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No ano de 1928, foi
criado o polaroide, uma
película (filtro) capaz de
polarizar
a
luz
em
determinada direção, que
permitiu a construção de
polarizadores artificiais.
Filtro
polarizador
Onda polarizada
na vertical
Imagem: Modificada de Mortimer Abramowitz e
Michael W. Davidson / Olympus America Inc.
iii) Através de polarizadores
O polarizador artificial funciona como uma grade que só permite a
passagem das oscilações paralelas aos vãos. Vamos discutir com
detalhes a seguir.
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3. Aplicações
3.1 O Polaroide
Até a metade do século passado, não se fabricavam
instrumentos para a polarização da luz porque os materiais
polarizadores eram raros e frágeis.
•
No entanto, em 1928, o inventor americano Edwin Herbert
Land (1909-1991), ainda estudante, descobriu uma técnica para
impregnar esses cristais numa folha de plástico, que denominou
Polaroide. Quando o plástico é esticado em certa direção, os
cristais se alinham nessa mesma direção, que se torna a direção
de polarização.
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Polarização da Luz
•
O olho humano não distingue a luz polarizada da não
polarizada. Para saber se a luz é polarizada, precisamos de um
polarizador.
Imagem: NielsB / Creative
Commons Attribution-Share Alike
2.5 Generic.
•
Para saber como isso ocorre, vamos ilustrar um exemplo em
que temos dois polarizadores. Numa primeira situação, dispomos
os polarizadores de tal forma que seus planos de polarização (os
vãos das grades, mostrados na figura anterior) sejam paralelos.
Note que é possível ver, na
intersecção, o polarizador de
baixo. Isso porque a luz
polarizada por ele, ao passar pelo
polarizador de cima, não modifica
a sua direção de oscilação.
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Polarização da Luz
Detalhadamente temos:
luz não
polarizada
Polarizador
Plano de polarização
Polarizador
Observador
luz polarizada
A luz entra no primeiro polarizador com oscilações em todas
direções e sai polarizada. Ao passar pelo segundo polarizador,
não sofre mais polarização, porque o plano de polarização deste
é paralelo ao primeiro. O observador não vê mudanças.
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Polarização da Luz
Imagem: NielsB / Creative Commons
Attribution-Share Alike 2.5 Generic.
Se girarmos 90º qualquer um dos polarizadores, seus planos
de polarização serão perpendiculares, e acontecerá a seguinte
situação:
A luz praticamente
não passa na região
de intersecção dos
polarizadores!
O que acontece na realidade é mostrado a seguir:
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Polarização da Luz
luz não
polarizada
Polarizador
Plano de polarização
Polarizador
Observador
luz polarizada
Como os planos de polarização estão perpendiculares
agora, a luz polarizada vinda do primeiro polarizador não pode
ser mais polarizada pelo segundo. Isso porque a direção de
oscilação da onda, sendo somente vertical, não pode ser
polarizada por um plano de horizontal.
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Polarização da Luz
Um exemplo análogo
ao que mostramos:
http://def.fe.up.pt/luz/polarizacao.jpg
Máquinas
de
fotografar
modernas usam o efeito da
polarização para melhorar suas
imagens. A primeira fotografia foi
tirada com o auxílio do
polarizador. Já a segunda não
utilizou a tecnologia. Compare:
Imagem: Briho / GNU Free Documentation License version 1.2.
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Polarização da Luz
3.2 O cinema em 3D
A tecnologia 3D (três dimensões) do cinema também usa a
polarização da luz. A imagem em 3D vista, na realidade, é uma
ilusão gerada para “enganar” seu cérebro.
A imagem em três dimensões
é gerada por um efeito
chamado
estereoscopia.
Trata-se da projeção (1) de
duas imagens da mesma
cena, só que de pontos de
vista ligeiramente diferentes.
http://www.arkade.com.br/wpcontent/uploads/2010/03/info
grafico_3d_3-474x347.jpg
FÍSICA, 30 Ano do Ensino Médio
Polarização da Luz
•
Seu cérebro automaticamente funde as duas imagens (2)
em apenas uma, gerando uma ilusão de visão em 3D. Isso
graças a uns óculos especiais (3), em que cada lente tem um
polarizador com planos de polarização diferentes. Sem esses
óculos, não é possível assistir ao filme.
3.3 As abelhas
As abelhas têm dois olhos compostos localizados na parte
lateral da cabeça que permitem uma visão panorâmica dos
objetos afastados, aumentando-os 60 vezes. Elas conseguem
distinguir a luz polarizada.
Imagem: Louise Docker / Creative Commons
Attribution 2.0 Generic.
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Polarização da Luz
Como a luz do céu é polarizada, as abelhas tomam
vantagem disso para localizar a sua colmeia, tendo como
referência principalmente as radiações ultravioletas, espalhadas
na atmosfera, parcialmente polarizadas. Assim, as abelhas não
precisam ver o sol para se orientarem.
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Polarização da Luz
4. Experimente você
As imagens dos visores de LCD (cristal líquido) de relógios,
calculadoras e celulares são polarizadas. Para comprovar isso,
disponha de uma película polarizadora e coloque em frente ao
visor de uma calculadora. Se você vir os números normalmente, e
depois girar 90º, o que acontece?
Imagem: Korte / Domínio Público.
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Polarização da Luz
Segue abaixo link de um vídeo no YouTube que resume
muito bem o efeito da polarização, bem como mostra na prática o
exemplo dos polarizadores que apresentamos:
http://www.youtube.com/watch?v=WQo9tGUEcTc
Existe também uma simulação, porém em inglês, no site
http://tutor-homework.com/Physics_Help/polarized_light.html
a
qual permite que se observem os efeitos da polarização. Você
pode variar os ângulos dos planos de polarização e ir observando
os efeitos.
FIM
Tabela de Imagens
n° do
slide
3
10
direito da imagem como está ao lado da
foto
M.arunprasad / the Creative
Commons Attribution-Share Alike 3.0
Unported
G. J. Stodart / Domínio Público.
13
Smithsonian Institute Libraries / Domínio
Público.
14a Beatrice Murch / Creative Commons
Attribution 2.0 Generic.
14b Eurico Zimbres FGEL-UERJ / Creative
Commons Attribution-Share Alike 2.5
Generic.
link do site onde se conseguiu a informação
Data do
Acesso
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arun_imag 21/08/2012
e30.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:James_Cle 21/08/2012
rk_Maxwell.png?uselang=pt-br
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:David_Bre 21/08/2012
wster.jpg?uselang=pt-br
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Museo_de 21/08/2012
_La_Plata_-_Calcita_(2).jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:QuartzoEZ. 21/08/2012
jpg
15a Eurico Zimbres FGEL-UERJ / Creative
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turmalinas 21/08/2012
Commons Attribution-Share Alike 2.0 Brazil. EZ.jpg
15b Stefan / Creative Commons AttributionShare Alike 2.0 Generic.
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ice_Glasse 21/08/2012
s_in_Ice_Hotel.jpg
Tabela de Imagens
n° do
slide
18
20
direito da imagem como está ao lado da
foto
NielsB / Creative Commons AttributionShare Alike 2.5 Generic.
NielsB / Creative Commons AttributionShare Alike 2.5 Generic.
22b Briho / GNU Free Documentation
License version 1.2.
25 Louise Docker / Creative Commons
Attribution 2.0 Generic.
26 Korte / Domínio Público.
link do site onde se conseguiu a informação
Data do
Acesso
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polarizer_s 21/08/2012
heet_parallel.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Polarizer_s
heet_perpendicular.jpg
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Polarizer_compa
rison2.jpg
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bee_eyes.j
pg
http://en.wikipedia.org/wiki/File:LCDneg.jpg
21/08/2012
21/08/2012
21/08/2012
21/08/2012