Polarização da Luz
Neste livro aborda-se a polarização da luz, enquanto onda eletromagnética, e alguns métodos de polarização. Partimos das equações de Maxwell, passamos pela equação de onda, obtemos a solução referente a frente de onda plana, conceituamos a polarização e analisamos as possíveis configurações: elíptica, circular e linear. Por fim, lida-se com os métodos de polarização via absorção seletiva, reflexão e birrefringência. A orientação pedagógica do livro fundamenta-se na Teoria da Aprendizagem Significativa, na Epistemologia de Gaston Bachelard e na Teoria dos Registros e Representações Semióticas de Raymond Duval. Sendo o resultado do trabalho de conclusão de curso de Licenciatura em Física do autor.
Table of Contents
- Introdução
- Um panorama da Óptica
- Teoria Eletromagnética
- Equações de Maxwell
- Onda eletromagnética
- Onda harmônica
- Frente de onda
- Polarização da luz
- Ondas longitudinal e transversal
- Transversalidade da luz
- Luz monocromática com frente plana
- Polarização elíptica da luz
- Polarização circular
- Polarização linear
- Métodos de polarização
- Absorção seletiva
- Polarização por absorção seletiva
- Lei de Malus
- Reflexão e refração
- Coeficientes de Fresnel
- Polarização da luz por reflexão
- Birrefringência
- Polarização da luz por birrefringência
- Atividades
- 1)Polarização de micro-ondas
- 2)Polarizadores sobrepostos
- 3)Polarização por reflexão
Um panorama da Óptica
Localizando a Óptica na Física.
A Óptica é uma das áreas da Física mais antigas, há registros de estudos desde a antiguidade. Tratando-se desde a natureza da luz à lei da reflexão de modo quantitativo, a qual foi adequadamente obtida empiricamente. Entretanto, após um longo período de inércia científica, ocorreu progresso mais expressivo apenas no século XVII, com a formulação da lei da refração de Snell-Descartes. A qual foi demonstrada em seguida também por Fermat, mediante o seu princípio do tempo mínimo.[br] A formulação geométrica, construída até então, já era bem compreendida até o final do século XII e fortemente usada para construção de instrumentos ópticos. Inclusive, as lunetas, usadas inicialmente para navegação, eram utilizadas na astronomia, ineditamente por Galileu Galilei, e influenciaram quebras de paradigmas. No entanto, pouco sabia-se sobre a natureza da luz.[br] Não abarcado pela formulação geométrica, Newton buscou explicar o fenômeno da dispersão atribuindo natureza corpuscular à luz. Em contrapartida, seu contemporâneo Huygens apresentou uma proposta, igualmente explicativa dos fenômenos observados até então, na qual a luz apresenta natureza ondulatória.[br] Divergentemente, pela concepção corpuscular previa-se que a luz teria velocidade maior em meios mais refringentes, enquanto pela ondulatória em menos refringentes. O experimento de Foucault, realizado no século XIX, mensurou menor velocidade num meio menos refringente, corroborando com a concepção ondulatória e aparentemente encerrando o conflito.[br] Adicionalmente, Young havia observado os fenômenos de interferência e difração com a luz, típicos de ondas. E Maxwell havia unificado a eletricidade e o magnetismo, formulando o eletromagnetismo em suas quatro equações, e englobando a óptica como caso particular da teoria eletromagnética. A luz foi inferida, portanto, como uma onda eletromagnética, formulação conhecida como Óptica Física. Todavia, a dualidade onda-partícula retorna mediante o efeito fotoelétrico explicado por Einstein. A abaixo ilustra hierarquicamente a relação entre alguns desses conceitos referidos.[br]
Equações de Maxwell
As leis do eletromagnetismo clássico foram descobertas/elaboradas de modo fragmentado por Franklin, Coulomb, Gauss, Lorentz, Ampère, Faraday e outros. Mas, a unificação entre a eletricidade e o magnetismo foi finalizada por Maxwell ao incluir a corrente de deslocamento na lei de Ampère e formular o eletromagnetismo compactamente em 12 equações, as quais com a notação vetorial de Gibbs são as famosas quatro equações de Maxwell:
A equação (1) deve-se a Gauss. Dela se compreende que o campo elétrico tem como fonte ou sorvedouro a carga elétrica. A (2) implica na não existência de monopolos magnéticos, isto é, não há uma fonte ou sorvedouro. A (3) deve-se a Faraday, a qual afirma que a variação de campo magnético gera campo elétrico. E por fim, a (4) deve-se a Ampère, sendo o último termo adicionado por Maxwell. A qual diz que o campo magnético é gerado tanto por uma densidade de corrente elétrica como pela variação do campo elétrico no tempo.[br] Ademais, há também a expressão de força devida a Coulomb e Lorentz pertinente para a teoria. E, evidentemente, essas quatro equações oferecem muito mais que esse breve resumo. A exemplo, ao aplicar a identidade vetorial
na equação (4), tendo ciência da (1), obtém-se a equação da continuidade, da qual infere-se a conservação da carga elétrica na natureza:
Ondas longitudinal e transversal
Quando a perturbação da onda tem a mesma direção da propagação, essa classifica-se como longitudinal, a exemplo do som, conforme o GIF superior do vídeo abaixo. Quando sua perturbação é perpendicular à propagação, classifica-se como transversal, a exemplo de ondas numa corda, conforme o GIF inferior.
Ondas longitudinal e transversal
Todavia, há ondas que apresentam perturbação em ambas as direções, como as do mar, denominadas de ondas mistas. Conforme a ilustração seguinte.
Onda mista
Absorção seletiva
Quando a luz incide num material, parte é refletida, parte é refratada e outra parte é absorvida. Quando a absorção discrimina a direção, diz-se ter uma absorção seletiva. [br] Como a luz monocromática não polarizada pode ser expressa como a superposição de duas ondas ortogonais linearmente polarizadas de mesma frequência, conforme a equação (24). Um dispositivo que absorve totalmente uma e permite a passagem integral da outra é dito um polarizador linear ideal por absorção seletiva. [br] Por exemplo, uma onda eletromagnética no espectro de rádio que atravessa uma grade metálica, figura abaixo, induz uma corrente elétrica e acaba dissipando energia por efeito Joule. A componente do campo elétrico paralela às barras é totalmente dissipada, enquanto a perpendicular é praticamente conservada devido à espessura desprezível da barra.
1)Polarização de micro-ondas
Identificando a polarização da fonte
Qual a polarização da onda eletromagnética emitida pela fonte do experimento acima?
Descreva o experimento apresentado no vídeo.