Polarização da Luz: Definição, Reflexão, Refração e Espalhamento

Você pode usar óculos de sol polarizados, mas o que isso significa? Como eles são diferentes de outros tipos de óculos de sol e por que são úteis? Polarização, em termos de luz, refere-se ao processo de orientar ou filtrar as ondas de luz em uma única direção, o que afeta o que você pode ver.

Uma onda eletromagnética é uma onda transversal que consiste em uma onda de campo elétrico oscilando em um plano perpendicular (em ângulos retos) a uma onda de campo magnético, sendo que ambos são perpendiculares à direção de movimento.

Visto que a radiação eletromagnética atua como uma onda, qualquer onda eletromagnética ou onda de luz em particular terá uma frequência e comprimento de onda associados a ela. O produto do comprimento de onda e frequência é a velocidade da onda.

No entanto, as ondas eletromagnéticas não requerem um meio através do qual se propaguem e, portanto, podem atravessam o vácuo do espaço vazio (o que eles fazem na velocidade da luz - a velocidade mais rápida do universo).

As ondas eletromagnéticas vêm em muitas variedades, incluindo ondas de rádio, microondas, radiação infravermelha, luz visível, radiação ultravioleta, raios X e raios gama.

Além disso, uma vez que uma onda eletromagnética é transversal com amplitude perpendicular à direção do movimento, ela pode ser polarizada - existem muitos planos possíveis perpendiculares à direção do movimento, mas uma onda polarizada terá amplitude transversal em apenas um dos eles. As ondas longitudinais, como as ondas sonoras, têm deslocamento apenas na direção do movimento e, portanto, não podem ser polarizadas.

As ondas de luz não polarizadas têm várias orientações sobrepostas. As ondas de luz têm campos elétricos e magnéticos, sempre perpendiculares entre si - por convenção, a polarização é definida pela direção do campo elétrico. Olhando de frente, podemos ver os vetores do campo elétrico apontando em todas as direções diferentes.

Quando a luz passa por um polarizador ou filtro de polarização, o filtro permite que apenas a parte da luz com linhas de campo elétrico orientadas paralelamente ao filtro passe. Como resultado, a luz se torna polarizada - tudo orientado na mesma direção. Esta é a polarização linear.

A luz que vem de lâmpadas ou do sol não é polarizada. As fontes mais comuns de luz polarizada são os lasers. Se dois filtros polarizadores forem mantidos em ângulos retos um com o outro na frente de uma fonte de luz incidente, toda a luz será bloqueada. Se o ângulo for menor (45 graus, por exemplo), apenas parte da luz será bloqueada.

Os polarizadores de luz vêm em três tipos: reflexivos, dicróicos e birrefringentes. Os polarizadores reflexivos permitem apenas que uma certa polarização da luz passe, enquanto refletem o resto; Os polarizadores dicróicos fazem o oposto, apenas bloqueando uma certa polarização da luz enquanto permitem a passagem de todas as outras. Na birrefringência, diferentes polarizações de luz refratam em diferentes ângulos, permitindo que diferentes polarizações de luz sejam selecionadas dependendo de qual polarização é desejada.

A polarização da luz é como os filmes são projetados em 3D. Os óculos 3D dados aos cinéfilos, na verdade, têm filtros polarizadores opostos em cada lente; um filtro horizontal à esquerda e um filtro vertical à direita, por exemplo. O filme é então projetado na mesma tela a partir de dois projetores diferentes, um projetando luz polarizada verticalmente e outro projetando luz polarizada horizontalmente. O olho esquerdo então vê uma imagem ligeiramente diferente do olho direito, e o cérebro combina as imagens para criar uma percepção de profundidade.

Quando um feixe de luz incide sobre a superfície de um material, parte da luz é refletida e parte é refratada (ela viaja através do material). O ângulo de luz incidente necessário para que a luz refletida e a luz refratada estejam em um ângulo reto exato é chamado de ângulo de Brewster.

Quando o ângulo de incidência é igual ao ângulo de Brewster (dependente das composições dos meios em qualquer lado da superfície), e a luz incidente não é polarizada, isso causará a polarização linear do refletido luz. Se a luz incidente tiver uma polarização específica, particular para o material, ela só será refratada sem nenhuma luz refletida.

Por que isso acontece? Quando a luz incidente é temporariamente absorvida pelos átomos na superfície do material, os elétrons nos átomos do material oscilam. Como as ondas de luz são transversais, a polarização deve ser perpendicular à direção do movimento da onda. Portanto, se a polarização da onda incidente estiver na direção que a onda refletida deveria estar, a onda refletida não pode existir.

Se a luz incidente não for polarizada, a luz refletida será polarizada horizontalmente, paralela à superfície refletora. Isso é chamado de luz S-polarizada. A luz com polarização no plano de incidência, ou plano formado a partir da direção do movimento da luz incidente e um vetor perpendicular à superfície, é chamada de p-polarizada.

Os óculos de sol polarizados usam o conceito do ângulo de Brewster para reduzir o reflexo da luz solar nas superfícies horizontais. Quando o sol está baixo no céu, há muita luz polarizada em S no brilho refletido em superfícies como água e estradas. Óculos de sol polarizados bloqueiam a luz com essa polarização, reduzindo o brilho.

O espalhamento da luz incidente pelas moléculas de ar faz com que a luz seja linearmente polarizada perpendicularmente ao plano de incidência. As moléculas de ar carregam sua própria pequena oscilação em uma direção, conhecida como momento de dipolo, e irradiam energia perpendicular à linha dessa oscilação. Portanto, se o momento de dipolo de uma molécula oscila para frente e para trás no y-eixo, luz incidente não polarizada vai se espalhar fora dele no x-direcção, polarizada no y-direcção (paralela ao dipolo).

Se o comprimento de onda da luz incidente for comparável ao tamanho das moléculas, isso é chamado de espalhamento de Rayleigh. A dispersão de Rayleigh é responsável pela cor do céu, seja um azul profundo de um belo dia ou o vermelho profundo de um pôr do sol; as cores mudam dependendo do ângulo de incidência da luz solar na atmosfera.

A polarização também pode ocorrer pela refração ou curvatura da luz à medida que ela passa de um meio para outro. Na maioria das vezes, a polarização ocorre perpendicularmente à superfície.

Quando o índice de refração de um material depende da direção do incidente e da polarização da luz, ele é chamado de birrefringente. Em materiais birrefringentes, um raio de luz incidente é dividido por polarização em dois raios dentro do material, que seguem caminhos ligeiramente diferentes.

Alguns cientistas suspeitam que um tipo de cristal birrefringente chamado "calcita" pode ter sido usado pelos vikings como um ajuda à navegação, pois suas propriedades de polarização refrativa podem ser usadas para localizar o sol em um dia nublado, ou mesmo abaixo do horizonte.

A polarização circular é um estado de polarização no qual a direção do campo elétrico gira circularmente com o tempo a uma taxa constante em um plano perpendicular à direção de propagação. Isso pode ser imaginado como o vetor de campo elétrico desenhando uma hélice em torno do eixo de propagação conforme a onda se propaga. (A polarização elíptica, na qual a hélice é ligeiramente comprimida em uma dimensão, também é possível.)

Se, ao olhar na direção da fonte de luz, o vetor do campo elétrico parece estar girando no sentido anti-horário, a luz é chamada de polarizada circularmente à direita. Se o vetor parece estar girando no sentido horário, a luz é chamada de polarizada circularmente à esquerda.

A polarização circular é criada por duas ondas de luz polarizadas linearmente, polarizadas perpendicularmente uma à outra e cada uma propagando 90 graus fora de fase. Polarização elíptica é quando uma dessas ondas de luz tem uma amplitude menor que a outra, criando uma elipse em vez de um círculo.