Physics

Learning Objectives

By the end of this section, you will be able

• Discuss the meaning of polarization.discuta a propriedade da atividade óptica de certos materiais.os óculos de sol Polaroid são familiares para a maioria de nós. Eles têm uma capacidade especial para cortar o brilho da luz refletida a partir da água ou vidro (ver Figura 1). As polaróides têm esta capacidade por causa de uma onda característica da luz chamada polarização. O que é polarização? Como é produzido? Quais são alguns dos seus usos?, As respostas a estas perguntas estão relacionadas com o caráter onda da luz.
  

  Figura 1. Estas duas fotografias de um rio mostram o efeito de um filtro polarizador na redução de brilho na luz refletida da superfície da água. A parte b) desta figura foi tirada com um filtro polarizante e a parte a) não foi. Como resultado, o reflexo de nuvens e céu observado na parte a) não é observado na Parte b). Óculos de sol polarizantes são particularmente úteis na neve e na água., (crédito: Amithshs, Wikimedia Commons)

  

  Figura 2. Uma onda EM, como a luz, é uma onda transversal. Os campos elétrico e magnético são perpendiculares à direção de propagação.

  a luz é um tipo de onda eletromagnética (EM). As noted earlier, EM waves are transverse waves consisting of varying electric and magnetic fields that oscillate perpendicular to the direction of propagation (see Figure 2). Existem direções específicas para as oscilações dos campos elétrico e magnético., Polarização é o atributo de que as oscilações de uma onda têm uma direção definida em relação à direção de propagação da onda. (Este não é o mesmo tipo de polarização que o discutido para a separação das cargas. As ondas que têm tal direção são ditas polarizadas. Para uma onda EM, nós definimos a direção da polarização para ser a direção paralela ao campo elétrico. Assim, podemos pensar nas setas de campo elétrico como mostrando a direção da polarização, como Na Figura 2.

  para examinar mais a questão, considere as ondas transversais nos cabos mostrados na Figura 3., As oscilações em uma corda estão em um plano vertical e dizem ser verticalmente polarizadas. Aqueles na outra corda estão em um plano horizontal e são horizontalmente polarizados. Se uma fenda vertical é colocada na primeira corda, as ondas passam através. No entanto, uma fenda vertical bloqueia as ondas horizontalmente polarizadas. Para as ondas EM, a direção do campo elétrico é análoga aos distúrbios nas cordas.

  

  Figura 3., As oscilações transversais em uma corda estão em um plano vertical, e as da outra corda estão em um plano horizontal. O primeiro é dito ser verticalmente polarizado, e o outro é dito ser horizontalmente polarizado. Fendas verticais passam ondas polarizadas verticalmente e bloqueiam ondas polarizadas horizontalmente.

  

  Figura 4. A seta esbelta representa um raio de luz não-solarizada. As setas em negrito representam a direção da polarização das ondas individuais que compõem o raio., Desde que a luz é unpolarized, as setas apontam em todas as direções.

  O Sol e muitas outras fontes de luz produzem ondas que são polarizadas aleatoriamente (ver Figura 4). Tal luz é dita ser unpolarized porque é composta de muitas ondas com todas as direções possíveis da polarização. Polaroid materials, invented by the founder of Polaroid Corporation, Edwin Land, act as a polarizing slit for light, allowing only polarization in one direction to pass through. Filtros polarizantes são compostos de moléculas longas alinhadas em uma direção., Pensando nas moléculas como muitas fendas, análogas às das cordas oscilantes, podemos entender por que só a luz com uma polarização específica pode passar. O eixo de um filtro polarizante é a direção ao longo da qual o filtro passa pelo campo elétrico de uma onda EM (ver Figura 5).

  

  Figura 5. Um filtro de polarização tem um eixo de polarização que atua como uma fenda passando por campos elétricos paralelos à sua direção. A direção de polarização de uma onda EM é definida como sendo a direção de seu campo elétrico.,

  Figura 6 mostra o efeito de dois filtros polarizantes na luz originalmente não descolarizada. O primeiro filtro polariza a luz ao longo do seu eixo. Quando os eixos do primeiro e do segundo filtros são alinhados (paralelos), então toda a luz polarizada passada pelo primeiro filtro também é passada pelo segundo. Se o segundo filtro polarizante é rodado, apenas o componente da luz paralela ao eixo do segundo filtro é passado. Quando os eixos são perpendiculares, nenhuma luz é passada pelo segundo.

  Figura 6., O efeito de rodar dois filtros polarizantes, onde o primeiro polariza a luz. (a) toda a luz polarizada é passada pelo segundo filtro polarizante, porque seu eixo é paralelo ao primeiro. b) à medida que o segundo é rodado, apenas uma parte da luz é passada. c) quando a segunda é perpendicular à primeira, não passa nenhuma luz. d) nesta fotografia, coloca-se um filtro polarizante por cima de dois outros. O seu eixo é perpendicular ao filtro à direita (área escura) e paralelo ao filtro à esquerda (área mais clara). (crédito: P. P., Urone)

  

  a Figura 7. Um filtro polarizante transmite apenas o componente da onda paralela ao seu eixo, reduzindo a intensidade de qualquer luz não polarizada paralela ao seu eixo.

  apenas passa o componente da onda EM paralela ao eixo de um filtro. Chamemos o ângulo entre a direção da polarização e o eixo de um filtro θ. Se o campo elétrico tiver uma amplitude E, então a parte transmitida da onda tem uma amplitude e cos θ (ver Figura 7)., Desde que a intensidade de uma onda é proporcional à sua amplitude ao quadrado, a intensidade I da onda transmitida está relacionado com o incidente onda, I = I0 cos2 θ, onde I0 é a intensidade da onda polarizada antes de passar através do filtro. (A equação acima é conhecida como Lei de Malus.)

  exemplo 1. Calcular a redução da intensidade por um filtro polarizante

  que ângulo é necessário entre a direcção da luz polarizada e o eixo de um filtro polarizante para reduzir a sua intensidade em 90,0%?

  estratégia

  quando a intensidade é reduzida em 90,0%, é 10,0% ou 0.,100 vezes o seu valor original. Isto é, i = 0. 100I0. Usando esta informação, a equação I = I0 cos2 θ pode ser usada para resolver o ângulo necessário.

  Solução

  de Resolver a equação I = I0 cos2 θ para cos θ e substituir com a relação entre I e I0 dá

  \displaystyle\cos\theta=\sqrt{\frac{I}{I_0}}=\sqrt{\frac{0.100 I_0}{I_0}}=0.3162\\

  a Solução para θ rendimentos θ = cos−1 0.3162 = 71.6 º.

  discussão

  um ângulo bastante grande entre a direção da polarização e o eixo do filtro é necessário para reduzir a intensidade para 10.,0% do seu valor original. Isto parece razoável baseado em experiências com filmes polarizantes. É interessante que, em um ângulo de 45º, a intensidade é reduzida para 50% do seu valor original (como você vai mostrar nesta seção Problemas de & Exercícios). Note que 71.6 º é de 18,4 º de reduzir a intensidade de zero, e que, em um ângulo de 18,4 º a intensidade é reduzida a 90,0% do seu valor original (como você também vai mostrar em Problemas de & Exercícios), dando provas de simetria.,

  polarização por reflexão

  nesta altura, pode provavelmente adivinhar que os óculos de sol Polaróides cortam o brilho na luz reflectida porque essa luz é polarizada. Você pode verificar isso por si mesmo, segurando óculos de sol Polaroid na sua frente e girando-os ao olhar para a luz refletida a partir da água ou vidro. À medida que você Roda os óculos de sol, você vai notar que a Luz fica brilhante e escuro, mas não completamente preto. Isto implica que a luz refletida é parcialmente polarizada e não pode ser completamente bloqueada por um filtro polarizante.,

  

  Figura 8. Polarização por reflexão. A luz impolarizada tem quantidades iguais de polarização vertical e horizontal. Após a interação com uma superfície, os componentes verticais são preferencialmente absorvidos ou refratados, deixando a luz refletida mais horizontalmente polarizada. Isto assemelha-se a setas que batem em seus lados batendo em seus lados, enquanto setas que batem em suas pontas vão para a superfície.

  a figura 8 ilustra o que acontece quando a luz não solarizada é reflectida a partir de uma superfície., A luz polarizada verticalmente é preferencialmente refratada na superfície, de modo que a luz refletida é deixada mais horizontalmente polarizada. As razões para este fenômeno estão além do escopo deste texto, mas uma mnemônica conveniente para lembrar isso é imaginar a direção de polarização para ser como uma flecha. A polarização Vertical seria como uma seta perpendicular à superfície e seria mais provável de colar e não ser refletida. Polarização Horizontal é como uma seta saltando em seu lado e seria mais provável de ser refletida., Óculos de sol com eixos verticais, em seguida, bloquear mais luz refletida do que a luz não descolarizada de outras fontes.

  Uma vez que a parte da luz que não é refletida é refratada, a quantidade de polarização depende dos índices de refração dos meios envolvidos. Pode ser mostrado que a luz refletida é completamente polarizada em um ângulo de reflexão θb, dada por \tan\theta_{\text{b}}=\frac{n_2}{n_1}\\, onde n1 é o meio em que o incidente e a luz refletida de viagens e n2 é o índice de refração do meio que constitui a interface que reflete a luz., Esta equação é conhecida como Lei de Brewster, e θb é conhecido como Ângulo de Brewster, em homenagem ao físico escocês do século XIX que os descobriu.

  coisas grandes e pequenas: explicação atômica dos filtros polarizantes

  os filtros polarizantes têm um eixo de polarização que atua como uma fenda. Esta fenda passa por ondas eletromagnéticas (muitas vezes luz visível) que têm um campo elétrico paralelo ao eixo. Isto é realizado com moléculas longas alinhadas perpendicularmente ao eixo, como mostrado na Figura 9.

  

  Figura 9., Moléculas longas são alinhadas perpendicularmente ao eixo de um filtro polarizante. O componente do campo elétrico em uma onda EM perpendicular a estas moléculas passa através do filtro, enquanto o componente paralelo às moléculas é absorvido.a Figura 10 ilustra como o componente do campo elétrico paralelo às moléculas longas é absorvido. Uma onda eletromagnética é composta por campos elétricos e magnéticos oscilantes. O campo elétrico é forte em comparação com o campo magnético e é mais eficaz em exercer força sobre cargas nas moléculas., As partículas carregadas mais afetadas são os elétrons nas moléculas, uma vez que as massas elétricas são pequenas. Se o elétron é forçado a oscilar, ele pode absorver energia da onda EM. Isto reduz os campos na onda e, portanto, reduz a sua intensidade. Em moléculas longas, elétrons podem mais facilmente oscilar paralelamente à molécula do que na direção perpendicular. Os elétrons estão ligados à molécula e são mais restritos em seu movimento perpendicular à molécula. Assim, os elétrons podem absorver ondas EM que têm um componente de seu campo elétrico paralelo à molécula., Os elétrons são muito menos sensíveis aos campos elétricos perpendiculares à molécula e permitirão que esses campos passem. Assim, o eixo do filtro polarizante é perpendicular ao comprimento da molécula.

  Figura 10. Artist’s conception of an electron in a long molecule oscilating parallel to the molecule. A oscilação do elétron absorve energia e reduz a intensidade do componente da onda EM que é paralela à molécula.,

  Polarização por Dispersão

  

  Figura 11. Polarização por dispersão. A dispersão de luz não-descolada das moléculas de ar agita seus elétrons perpendiculares à direção do raio original. A luz dispersa, portanto, tem uma polarização perpendicular à direção original e nenhuma paralela à direção original.

  se segurar os seus óculos de sol Polaroid à sua frente e os rodar ao olhar para o céu azul, verá o céu ficar brilhante e escuro., Esta é uma indicação clara de que a luz espalhada pelo ar é parcialmente polarizada. A figura 11 ajuda a ilustrar como isso acontece. Uma vez que a luz é uma onda em transversal, ela vibra os elétrons das moléculas de ar perpendiculares à Direção em que está viajando. Os elétrons então irradiam como pequenas antenas. Uma vez que eles estão oscilando perpendicularmente à direção do raio de luz, eles produzem radiação EM que é polarizada perpendicular à direção do raio., Ao ver a luz ao longo de uma linha perpendicular ao raio original, como Na Figura 11, não pode haver polarização na luz dispersa paralela ao raio original, porque isso exigiria que o raio original fosse uma onda longitudinal. Ao longo de outras direções, um componente da outra polarização pode ser projetado ao longo da linha de visão, e a luz dispersa será apenas parcialmente polarizada. Além disso, a dispersão múltipla pode trazer luz para seus olhos de outras direções e pode conter polarizações diferentes.,

  fotografias do Céu podem ser escurecidas por filtros polarizantes, um truque usado por muitos fotógrafos para tornar as nuvens mais brilhantes por contraste. Espalhamento de outras partículas, como fumaça ou poeira, também pode polarizar a luz. Detectar polarização em ondas EM dispersas pode ser uma ferramenta analítica útil na determinação da fonte de dispersão.

  Existe uma gama de efeitos ópticos utilizados nos óculos de sol. Além de ser polaróide, outros óculos de sol têm pigmentos coloridos incorporados neles, enquanto outros usam revestimentos não refletivos ou mesmo refletivos., Um desenvolvimento recente são as lentes fotocrômicas, que escurecem na luz solar e se tornam claras dentro de casa. As lentes fotocrômicas são incorporadas a moléculas microcristalinas orgânicas que mudam suas propriedades quando expostas ao UV na luz solar, mas tornam-se claras na iluminação artificial sem UV.

  Take-Home Experiment: polarização

  encontrar Óculos De Sol Polaróides e rodar um enquanto segura o outro imóvel e olhar para diferentes superfícies e objectos. Explique as suas observações. Qual é a diferença de ângulo de quando você vê uma intensidade máxima para quando você vê uma intensidade mínima?, Encontre uma superfície de vidro reflectora e faça o mesmo. Em que ângulo o vidro precisa ser orientado para dar brilho mínimo?

  cristais líquidos e outros efeitos de polarização em materiais

  embora você esteja, sem dúvida, ciente de ecrãs de cristais líquidos (LCDs) encontrados em relógios, calculadoras, ecrãs de computador, telemóveis, televisores de ecrã plano, e outros lugares miríades, você pode não estar ciente de que eles são baseados na polarização. Cristais líquidos são assim chamados porque suas moléculas podem ser alinhadas, mesmo que estejam em um líquido., Cristais líquidos têm a propriedade de que eles podem rodar a polarização da luz que passa por eles por 90º. Além disso, esta propriedade pode ser desligada pela aplicação de uma tensão, como ilustrado na Figura 12. É possível manipular Esta característica rapidamente e em pequenas regiões bem definidas para criar os padrões de contraste que vemos em tantos dispositivos LCD.

  em televisores LCD de tela plana, há uma grande luz na parte de trás da TV. A luz viaja para a tela dianteira através de milhões de pequenas unidades chamadas pixels (elementos de imagem)., Uma delas é mostrada na Figura 12 (a) e (b). Cada unidade tem três células, com filtros vermelho, azul ou verde, cada uma controlada de forma independente. Quando a tensão através de um cristal líquido é desligada, o cristal líquido passa a luz através do filtro em particular. Pode-se variar o contraste da imagem variando a força da tensão aplicada ao cristal líquido.

  

  Figura 12., a) a luz polarizada é rodada 90º por um cristal líquido e depois passada por um filtro polarizante que tem o seu eixo perpendicular à direcção de polarização original. b) Quando uma tensão é aplicada ao cristal líquido, a luz polarizada não é rodada e é bloqueada pelo filtro, tornando a região escura em comparação com a sua envolvente. (C) Os LCDs podem ser feitos de cor específica, pequena e rápida o suficiente para usar em Computadores portáteis e TVs. (crédito: Jon Sullivan)

  muitos cristais e soluções giram o plano de polarização da luz que passa por eles., Diz-se que essas substâncias são opticamente activas. Os exemplos incluem água de açúcar, insulina e colagénio (ver Figura 13). Além de depender do tipo de substância, a quantidade e direção de rotação depende de uma série de fatores. Entre eles está a concentração da substância, a distância que a luz percorre através dela, e o comprimento de onda da luz. A atividade óptica é devida à forma assimétrica das moléculas na substância, como sendo helicoidais., As medições da rotação da luz polarizada que passa por substâncias podem, assim, ser usadas para medir concentrações, uma técnica padrão para açúcares. Ele também pode dar informações sobre as formas de moléculas, como proteínas, e os factores que afectam as suas formas, tais como temperatura e pH.

  

  Figura 13. Atividade óptica é a capacidade de algumas substâncias para rodar o plano de polarização da luz que passa por elas. A rotação é detectada com um filtro polarizante ou analisador.,

  vidro e plástico tornam-se opticamente activos quando estressados; quanto maior a tensão, maior o efeito. A análise do stress óptico em formas complicadas pode ser realizada através da elaboração de modelos plásticos e da sua observação através de filtros cruzados, como se vê na Figura 14. É evidente que o efeito depende tanto do comprimento de onda como do stress. A dependência do comprimento de onda é, por vezes, também utilizada para fins artísticos.

  

  Figura 14. Análise de tensão óptica de uma lente de plástico colocada entre polarizadores cruzados., (credit: Infopro, Wikimedia Commons)

  outro fenômeno interessante associado com a luz polarizada é a capacidade de alguns cristais de dividir um feixe de luz em dois. Tais cristais são considerados birefringentes (ver Figura 15). Cada um dos raios separados tem uma polarização específica. Um se comporta normalmente e é chamado de raio comum, enquanto o outro não obedece a lei de Snell e é chamado de raio extraordinário. Cristais birefringentes podem ser usados para produzir feixes polarizados a partir de luz não solarizada., Alguns materiais birefringentes absorvem preferencialmente uma das polarizações. Estes materiais são chamados dicróicos e podem produzir polarização por esta absorção preferencial. Isto é fundamentalmente como filtros polarizantes e outros polarizadores funcionam. O leitor interessado é convidado a prosseguir as numerosas propriedades dos materiais relacionados à polarização.

  

  Figura 15. Materiais birefringentes, como a calcite mineral comum, dividem feixes de luz não solarizados em dois., O raio comum comporta-se como esperado, mas o raio extraordinário não obedece à Lei de Snell.

  Section Summary

  • Polarization is the attribute that wave oscillations have a definite direction relative to the direction of propagation of the wave.as ondas EM São ondas transversais que podem ser polarizadas.
  • a direção da polarização é definida como sendo a direção paralela ao campo elétrico da onda EM.
  • A luz não-Solarizada é composta por muitos raios com direções de polarização aleatória.,a luz pode ser polarizada através de um filtro polarizante ou outro material polarizante. A intensidade I da luz polarizada depois de passar por um filtro polarizante é I = I0 cos2 θ, onde I0 é a intensidade original e θ é o ângulo entre a direção da polarização e o eixo do filtro.a polarização também é produzida por reflexão.,
  • Brewster lei diz que a luz refletida será completamente polarizada com o ângulo de reflexão θb, conhecido como ângulo de Brewster, dada por uma declaração conhecida como lei de Brewster: \tan{\theta }_{\text{b}}=\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}\\, onde n1 é o meio em que o incidente e a luz refletida de viagens e n2 é o índice de refração do meio que constitui a interface que reflete a luz.a polarização também pode ser produzida por dispersão.,existem vários tipos de substâncias opticamente ativas que rodam a direção de polarização da luz que passa por elas.em que circunstâncias a fase da luz é alterada pela reflexão? A fase está relacionada à polarização?uma onda sonora no ar pode ser polarizada? Explicar.nenhuma luz passa por dois filtros polarizantes perfeitos com eixos perpendiculares. No entanto, se um terceiro filtro polarizante é colocado entre os dois originais, alguma luz pode passar. Porquê?, Em que circunstâncias passa a maior parte da luz?explique o que acontece com a energia transportada pela luz que é atenuada ao passar por dois filtros polarizantes cruzados.
  • When particles scattering light are much smaller than its wavelength,the amount of scattering is proportional to \frac{1}{{\lambda }^{4}}\\. Isto significa que existe mais dispersão para o pequeno λ do que para o grande λ? Como isso se relaciona com o fato de que o céu é azul?usando a informação dada na pergunta anterior, explique por que o pôr-do-sol é vermelho.,quando a luz é refletida no ângulo de Brewster a partir de uma superfície lisa, ela é 100% polarizada paralela à superfície. Parte da luz será refratada na superfície. Descreva como você faria uma experiência para determinar a polarização da luz refratada. Que direção você esperaria que a polarização tivesse e você esperaria que fosse 100%?

  problemas& exercícios

  1. que ângulo é necessário entre a direcção da luz polarizada e o eixo de um filtro polarizante para cortar a sua intensidade ao meio?,
  2. o ângulo entre os eixos de dois filtros polarizantes é de 45,0 º. Por quanto o segundo filtro reduz a intensidade da luz que passa pelo primeiro?se tiver uma luz completamente polarizada de intensidade de 150 W / m2, qual será a sua intensidade depois de passar por um filtro polarizante com o seu eixo a um ângulo de 89.0 º em relação à direcção de polarização da luz?
  3. Que ângulo o eixo de um filtro polarizante precisa fazer com a direção da luz polarizada de intensidade 1,00 kW/m2 para reduzir a intensidade para 10,0 W/m2?,no final do exemplo 1, foi afirmado que a intensidade da luz polarizada é reduzida para 90,0% de seu valor original, passando por um filtro polarizante com seu eixo em um ângulo de 18,4 º para a direção da polarização. Verifique esta declaração.
  4. Mostrar que, se você tem três filtros polarizados, com a segunda em um ângulo de 45º para o primeiro e o terceiro em um ângulo de 90.0 º para o primeiro, a intensidade da luz transmitida pelo primeiro será reduzido a 25,0% de seu valor., (Isto é em contraste com ter apenas o primeiro e o terceiro, o que reduz a intensidade a zero, de modo que colocar o segundo entre eles aumenta a intensidade da luz transmitida.)
  5. Provar que, se I é a intensidade de luz transmitida por dois filtros polarizados com eixos de um ângulo θ e I ” é a intensidade quando os eixos estão em um ângulo 90.0 º − θ, então eu + eu = I0 a intensidade original. (DICA: Use as identidades trigonométricas cos (90.0 º − θ) = sin θ e cos2 θ + sin2 θ = 1.)
  6. em que ângulo a luz refletida do diamante será completamente polarizada?,Qual é o ângulo de Brewster para a luz viajando na água que se reflete do vidro da coroa?um mergulhador vê a luz reflectida na superfície da água. Em que ângulo será esta luz completamente polarizada?em que ângulo está a luz dentro do vidro da coroa completamente polarizada quando reflectida a partir da água, como num aquário?a luz reflectida a 55,6 º de uma janela está completamente polarizada. Qual é o índice de refração da janela e a substância provável da qual ela é feita?a luz reflectida a 62,5 º de uma pedra preciosa num anel é completamente polarizada., A jóia pode ser um diamante? b) em que ângulo a luz seria completamente polarizada se a gema estivesse na água?if θb is Brewster’s angle for light reflected from the top of an interface between two substances, and θ’B is Brewster’s angle for light reflected from below, prove that θb + θ’B = 90.0 º.conceitos integrados. Se um filtro polarizante reduz a intensidade da luz polarizada para 50,0% de seu valor original, por quanto os campos elétricos e magnéticos são reduzidos?conceitos integrados., Imagina que pões dois pares de óculos de sol Polaroid com os seus eixos num ângulo de 15,0 º. Quanto tempo mais demorará a luz a depositar uma determinada quantidade de energia no seu olho em comparação com um único par de óculos de sol? Suponha que as lentes são claras, exceto por suas características polarizadoras.conceitos integrados. a) num dia em que a intensidade da luz solar é de 1,00 kW/m2, uma lente circular de 0,200 m de diâmetro concentra a luz sobre a água num copo preto. Duas folhas polarizadoras de plástico são colocadas na frente da lente com seus eixos em um ângulo de 20,0 º., Assumindo que a luz solar não é descolada e que os polarizadores são 100% eficientes, Qual é a taxa inicial de aquecimento da água em ºC/s, assumindo que é 80,0% absorvida? O copo de alumínio tem uma massa de 30,0 gramas e contém 250 gramas de água. b) os filtros polarizantes aquecem? Explicar.,plano

     opticamente ativo: substâncias que girar o plano de polarização da luz que passa através deles

     polarização: o atributo de onda oscilações ter uma direção definida em relação à direcção de propagação da onda

     polarizada: ondas de ter elétrica e oscilações do campo magnético em uma direção definida

     a luz refletida que é completamente polarizada: luz refletida no ângulo de reflexão θb, conhecido como ângulo de Brewster

     unpolarized: ondas que são aleatoriamente polarizada

     polarizada verticalmente: as oscilações são, em um plano vertical