III.4. Polarizarea luminii (F1).

Lumina este emisă de diferite surse cum ar fi Soarele sau becurile.

Procesul de emisie al undelor electromagnetice este rezultatul dezexcitării atomilor care se află în stări cu energie mare, instabile, care revin în stări cu energie mică numite şi stări fundamentale.

Atomii se comportă ca nişte oscilatori microscopici care emit lumină.

Procesul de emisie este unul aleator, o sursă de lumină fiind compusă din foarte mulţi asemenea oscilatori. Prin urmare direcţia după care oscilează câmpul electric şi respectiv câmpul magnetic este una aleatoare.

Acest tip de lumină se numeşte naturală sau nepolarizată.

Senzaţia de lumină este produsă în ochi de către componenta câmpului electric a undei electromagnetice.

Din acest motiv câmpul electric se mai numeşte şi vector luminos. Ne vom referi în continuare simplicat la unda electromagnetică reprezentând doar oscilaţiile câmpului electric. În lumina naturală, undele trimise de fiecare atom al sursei sunt polarizate liniar, dar planele de oscilație sunt orientate haotic în toate direcțiile.

Fenomenele de interferență și de difracție demonstrează caracterul luminii de undă electromagnetică.

Aceste fenomene nu arată dacă lumina este o undă transversală sau longitudinală.

Polarizarea luminii demonstrează că lumina este o undă transversală.

Dacă printr-un procedeu oarecare se selectează din totalitatea planurilor în care oscilează câmpul electric un singur plan, atunci lumina care se obţine se numeşte liniar polarizată sau total polarizată.

Există mai multe metode de a obţine lumină polarizată:

1. Folosind polaroizi (strat de polimer cu molecule organice alungite), materiale speciale care lasă să treacă doar componenta luminoasă paralelă cu o anumită axă a polaroidului.

Fizicianul american Edwin Land (1909-1991) a descoperit în 1932 filtrele polarizante, prin alinierea cristalelor microscopice de sulfat de iodoquinină pe care le-a incorporat într-o folie de plastic. Ulterior le-a folosit la developarea rapidă a unor fotografii, în camerele foto Polaroid.

2. Prin reflexia pe o oglindă dielectrică (de sticlă neagră sau flint greu) atunci când suma unghiului de incidență și a celui de refracție este de 90°.

Lumina reflectată (IR) este polarizată total dacă unghiul de incidență are o asemenea valoare iB, încât raza reflectată să fie perpendiculară pe raza refractată (IŔ ), adică unghiul dintre ele să fie π/2= 90°.

Dacă i_B + r_B = π/2, atunci relația dintre cele două unghiuri poate fi pusă sub forma:
sin r_B = cos i_B

Scriem legea refracției:
sin i_B = n ∙ sin r_B și înlocuim în ea pe sin r_B = cos i_B, obținem:
sin i_B = n ∙ cos i_B

Facem raportul sin i_B / cos i_B = tg i_B și astfel obținem:

Legea lui Brewster:
tg i_B = n
i_B = unghiul de incidență brewsteriană pentru care lumina reflectată este total polarizată pe o direcție perpendiculară pe planul de incidență

Observații:
a) Știind indicele de refracție a unei oglinzi putem calcula i_B , unghiul de incidență brewsteriană pentru care lumina reflectată este total polarizată sau invers. De exemplu, pentru sticlă neagră care are n = 1,54 rezultă un i_B = 57°.
b) Cum unghiul de incidență brewsteriană depinde de indicele de refracție, n, înseamnă că el depinde și de lungimea de undă a luminii incidente.
c) Raza refractată (IR ́ ) este parțial polarizată.

3. Prin birefringenţă în anumite cristale, cum ar fi spatul de Islanda (carbonatul de calciu cristalizat). Trimițând un fascicul îngust de lumină naturală printr-un cristal de spat de Islanda, tăiat cu fețele plan paralele, se separă în două raza de lumină incidentă, cele două raze rezultate prin dublă refracţie fiind polarizate în plane paralele.

• Spatul de Islanda cristalizează în sistemul romboedric, având șase fețe paralelogramice ce permite fenomenul de dublă refracție sau refringență.

• La intrarea în cristal pe direcția normalei, raza incidentă SI se desparte în alte două raze IO și IE care ies din cristal pe direcții paralele cu direcția razei incidente.

• IO se numește rază ordinară, deoarece respectă legile reflexiei, fiind în prelungirea razei incidente (o rază ce cade perpendicular pe suprafața de separare dintre două medii, nu își mai schimbă direcția de propagare când trece în cel de-al II-lea mediu).

• IE se numește rază extraordinară, deoarece ea trece în cristal nerespectând legile refracției (își schimbă direcția de propagare la incidență normală)

• Prin rotirea oglinzii, cele două raze O ́ O” și E ́ E” se sting sau se întăresc, pe rând, ceea ce demonstrează că sunt polarizate total în plane perpendiculare între ele.

Aplicațiile polarizării:

Filtrele de polarizare sunt folosite la:

• Fotografie - pentru a înlătura reflexiile nedorite.

• Ochelari polarizați reduc strălucirea și efectul de orbire creat de obiectele lucioase (oglinzi, apa, zăpada, gheața, geamuri, mașini etc.) prin anularea razelor reflectate de suprafețe, măresc contrastul, sporesc intensitatea și claritatea culorilor. Purtând ochelari polarizați, pescarul vede clar suprafața apei (fără flashurile scânteietoare ale acesteia), marinarul vede net valurile în plin soare, șoferul nu este orbit de lumină, iar schiorul vede perfect pârtia.

Există mai multe metode de a testa dacă ochelarii de soare sunt polarizați:

• Folosind două perechi de ochelari polarizați și privind prin lentilele lor un obiect. Când întorci o pereche de ochelari la 90°, imaginea obiectului privit dispare (se întunecă).
• Privește prin ochelari un ecran LCD al unui laptop, ținut vertical. Apoi rotește ochelarii și vei vedea cum imaginea de pe ecran se înnegrește. Acest lucru se întâmplă deoarece ecranul LCD are un filtru de polarizare încorporat. Poți privi și ecranul unui telefon cu filtru de polarizare încorporat.

Există și dezavantaje atunci când purtăm ochelari polarizați, în cazul unui șofer care privește ecranul aparatelor de la bord sau a telefonului și care are și el încorporat un filtru de polarizare, apare o situație nedorită privind transparența acestuia prin cele două filtre de polarizare. Și în cazul unui schior, ochelarii polarizați atenuează reflexia luminii de pe pârtie și dacă este gheață pe pârtie, acesta nu poate să diferențieze strălucirea zăpezii de cea a gheții.

• Filtrele polarizante se mai folosesc și la determinarea tensiunilor remanente dintr-o piesă (tensiuni interioare care există într-o piesă când asupra ei nu acționează nicio forță exterioară) și care pot duce la fisurarea acesteia în locurile respective.

• În chimie, precum și în industria alimentară și farmaceutică, un instrument numit polarimetru, permite determinarea izotopilor optici (enantiomeri), măsurarea concentrației de zahăr din sucuri, măsurarea purității substanțelor folosite la obținerea medicamentelor.