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Polarização da Luz

Davy Dias Andrade, Jan 24, 2023

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.

Introdução
1. Um panorama da Óptica
Teoria Eletromagnética
1. Equações de Maxwell
2. Onda eletromagnética
3. Onda harmônica
4. Frente de onda
Polarização da luz
1. Ondas longitudinal e transversal
2. Transversalidade da luz
3. Luz monocromática com frente plana
4. Polarização elíptica da luz
5. Polarização circular
6. Polarização linear
Métodos de polarização
1. Absorção seletiva
2. Polarização por absorção seletiva
3. Lei de Malus
4. Reflexão e refração
5. Coeficientes de Fresnel
6. Polarização da luz por reflexão
7. Birrefringência
8. Polarização da luz por birrefringência
Atividades
1. 1)Polarização de micro-ondas
2. 2)Polarizadores sobrepostos
3. 3)Polarização por reflexão

Information

1.

Introdução

1. Um panorama da Óptica

1.1.

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. 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. 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. 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. 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.

2.

Teoria Eletromagnética

1. Equações de Maxwell
2. Onda eletromagnética
3. Onda harmônica
4. Frente de onda

2.1.

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. 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:

2.2.

2.3.

2.4.

3.

Polarização da luz

3.1.

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

3.2.

3.3.

3.4.

3.5.

3.6.

4.

Métodos de polarização

Os métodos de polarização exploram basicamente quatro conceitos: absorção seletiva, reflexão, birrefringência e difusão.

1. Absorção seletiva
2. Polarização por absorção seletiva
3. Lei de Malus
4. Reflexão e refração
5. Coeficientes de Fresnel
6. Polarização da luz por reflexão
7. Birrefringência
8. Polarização da luz por birrefringência

4.1.

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. 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. 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.

Atividades

1. 1)Polarização de micro-ondas
2. 2)Polarizadores sobrepostos
3. 3)Polarização por reflexão

5.1.

1)Polarização de micro-ondas

Identificando a polarização da fonte

Qual a polarização da onda eletromagnética emitida pela fonte do experimento acima?

a) Elíptica c) Linear b) Circular

Descreva o experimento apresentado no vídeo.

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Polarização da Luz

Table of Contents

Information

Introdução

Um panorama da Óptica

Localizando a Óptica na Física.

Teoria Eletromagnética

Equações de Maxwell

Polarização da luz

Ondas longitudinal e transversal

Ondas longitudinal e transversal

Onda mista

Métodos de polarização

Absorção seletiva

Atividades

1)Polarização de micro-ondas

Identificando a polarização da fonte