És difícil identificar qui va ser el primer a descobrir la llum polaritzada. La gent antiga podia notar un lloc peculiar mirant el cel en determinades direccions. La polarització té moltes peculiaritats, es manifesta en diferents àrees de la vida i avui és objecte d'investigació i aplicació massiva, la raó de tot és la llei de Malus.
Descobriment de la llum polaritzada
És possible que els víkings hagin utilitzat la polarització del cel per navegar. Encara que no ho fessin, definitivament van trobar Islàndia i la meravellosa pedra de calcita. L'espar islandès (calcita) era conegut fins i tot en els seus temps, són els habitants d'Islàndia als quals deu el seu nom. El mineral antigament es va utilitzar en la navegació a causa de les seves propietats òptiques úniques. Va tenir un paper important en el descobriment modern de la polarització i continua sent el material escollit per separar els components de polarització de la llum.
L'any 1669, el matemàtic danès de la Universitat de Copenhaguen, Erasmus Bartholinus, no només va veure una doble llum, sinó que també va realitzar alguns experiments, escrivint una memòria de 60 pàgines. Això ésva ser la primera descripció científica de l'efecte de polarització, i l'autor es pot considerar el descobridor d'aquesta increïble propietat de la llum.
Christian Huygens va desenvolupar la teoria de les ones polsades de la llum, que va publicar el 1690 al seu famós llibre Traite de la Lumiere. Al mateix temps, Isaac Newton va avançar la teoria corpuscular de la llum en el seu llibre Opticks (1704). Al final, tots dos tenien raó i equivocació, ja que la llum té una naturalesa dual (ona i partícula). No obstant això, Huygens estava més a prop de la comprensió moderna del procés.
El 1801, Thomas Young va fer el famós experiment d'interferència de doble escletxa. Va demostrar que la llum es comporta com les ones, i la superposició d'ones pot conduir a la foscor (interferència destructiva). Va utilitzar la seva teoria per explicar coses com els anells de Newton i els arcs de Sant Martí sobrenaturals. Uns anys més tard va arribar un avenç científic quan Jung va demostrar que la polarització es deu a la naturalesa ondulatòria transversal de la llum.
El jove Etienne Louis Malus va viure en una època convulsa: durant la Revolució Francesa i el regnat del terror. Va participar amb l'exèrcit de Napoleó en la invasió d'Egipte, així com de Palestina i Síria, on va contreure la pesta que el va matar uns anys més tard. Però va aconseguir fer una contribució important a la comprensió de la polarització. La llei de Malus, que va predir la intensitat de la llum transmesa a través d'un polaritzador, s'ha convertit en una de les més populars al segle XXI en crear pantalles de cristall líquid.
Sir David Brewster, reconegut escriptor científic, va estudiar matèries de física òptica com ara el dicroisme i els espectresabsorció, així com temes més populars com la fotografia estèreo. Es coneix la famosa frase de Brewster: "Tot és transparent excepte el vidre".
També va fer una contribució inestimable a l'estudi de la llum:
- La llei que descriu l'"angle de polarització".
- Invenció del calidoscopi.
Brewster va repetir els experiments de Malus amb moltes gemmes i altres materials, descobrint una anomalia al vidre i va descobrir la llei: "l'angle de Brewster". Segons ell, "… quan el feix està polaritzat, el feix reflectit forma un angle recte amb el feix refractat."
Llei de polarització de Malus
Abans de parlar de polarització, primer hem de recordar la llum. La llum és una ona, encara que de vegades és una partícula. Però, en qualsevol cas, la polarització té sentit si pensem en la llum com una ona, com una línia, que viatja des del llum fins als ulls. La majoria de la llum és una barreja d'ones de llum que vibren en totes direccions. Aquesta direcció d'oscil·lació s'anomena polarització de la llum. El polaritzador és el dispositiu que neteja aquest embolic. Accepta qualsevol cosa que barreja llum i només deixa passar la llum que oscil·la en una direcció concreta.
La formulació de la llei de Malus és: quan una llum polaritzada completament plana cau sobre l'analitzador, la intensitat de la llum transmesa per l'analitzador és directament proporcional al quadrat del cosinus de l'angle entre els eixos de transmissió de l'analitzador i el polaritzador.
Una ona electromagnètica transversal conté un camp elèctric i un camp magnètic, i el camp elèctric en una ona de llum és perpendicular a la direcció de propagació de l'ona de llum. La direcció de la vibració de la llum és el vector elèctric E.
Per a un feix no polaritzat normal, el vector elèctric continua canviant la seva direcció aleatòriament quan la llum passa a través d'un polaroid, la llum resultant està polaritzada pla i el seu vector elèctric vibra en una direcció determinada. La direcció del vector del feix emergent depèn de l'orientació de la polaroid, i el pla de polarització està dissenyat com un pla que conté el vector E i el feix de llum.
La figura següent mostra la llum polaritzada plana a causa del vector vertical EI i el vector horitzontal EII.
La llum no polaritzada passa per una Polaroid P 1 i després per una Polaroid P 2, formant un angle θ amb y ax-s. Després que la llum que es propaga al llarg de la direcció x travessa la Polaroid P 1, el vector elèctric associat a la llum polaritzada només vibrarà al llarg de l'eix y.
Ara si permetem que aquest feix polaritzat torni a passar pel P 2 polaritzat, fent un angle θ amb l'eix y, aleshores si E 0 és l'amplitud del camp elèctric incident a P 2, aleshores l'amplitud de l'ona que surt de P 2, serà igual a E 0 cosθ i, per tant, la intensitat del feix emergent serà segons la Llei de Malus (fórmula) I=I 0 cos 2 θ
on I 0 és la intensitat del feix que surt de P 2 quan θ=0θ és l'angle entre els plans de transmissió de l'analitzador i el polaritzador.
Exemple de càlcul de la intensitat de la llum
Llei de Malus: I 1=I o cos 2 (q);
on q és l'angle entre la direcció de polarització de la llum i l'eix de transmissió del polaritzador.
La llum no polaritzada amb intensitat I o=16 W/m 2 cau sobre un parell de polaritzadors. El primer polaritzador té un eix de transmissió alineat a una distància de 50º de la vertical. El segon polaritzador té l'eix de transmissió alineat a una distància de 20o de la vertical.
Es pot fer una prova de la llei de Malus calculant la intensitat de la llum quan surt del primer polaritzador:
4 W/m 2
16 cos 2 50o
8 W/m 2
12 W/m 2
La llum no està polaritzada, de manera que I 1=1/2 I o=8 W/m 2.
Intensitat de la llum del segon polaritzador:
I 2=4 W/m 2
I 2=8 cos 2 20 o
I 2=6 W/m 2
Seguit per la Llei de Malus, la formulació de la qual confirma que quan la llum surt del primer polaritzador, es polaritza linealment a 50o. L'angle entre aquest i l'eix de transmissió del segon polaritzador és de 30º. Per tant:
I 2=I 1 cos 2 30o=83/4 =6 W/m 2.
Ara la polarització lineal d'un feix de llum amb una intensitat de 16 W/m 2 cau sobre el mateix parell de polaritzadors. La direcció de polarització de la llum incident és de 20o de la vertical.
Intensitat de la llum que surt del primer i segon polaritzadors. En passar per cada polaritzador, la intensitat disminueix en un factor de 3/4. Després de sortir del primer polaritzadorla intensitat és de 163/4 =12 W/m2 i disminueix a 123/4 =9 W/m2 després de passar el segon.
La polarització de la llei de Malus diu que per canviar la llum d'una direcció de polarització a una altra, la pèrdua d'intensitat es redueix utilitzant més polaritzadors.
Suposem que necessiteu girar la direcció de polarització un 90o.
| N, nombre de polaritzadors | Angle entre polaritzadors successius | I 1 / I o |
| 1 | 90 o | 0 |
| 2 | 45 o | 1/2 x 1/2=1/4 |
| 3 | 30 o | 3/4 x 3/4 x 3/4=27/64 |
| N | 90/N | [cos 2 (90 o / N)] N |
Càlcul de l'angle de reflexió de Brewster
Quan la llum arriba a una superfície, una part de la llum es reflecteix i una part penetra (refracta). La quantitat relativa d'aquesta reflexió i refracció depèn de les substàncies que travessen la llum, així com de l'angle en què la llum incideix amb la superfície. Hi ha un angle òptim, segons les substàncies, que permet que la llum es refracti (penetri) tant com sigui possible. Aquest angle òptim es coneix com l'angle del físic escocès David Brewster.
Calculeu l'angleBrewster per a llum blanca polaritzada normal es produeix amb la fórmula:
theta=arctan (n1 / n2), on theta és l'angle de Brewster i n1 i n2 són els índexs de refracció dels dos mitjans.
Per calcular el millor angle per a la màxima penetració de la llum a través del vidre: a la taula d'índex de refracció trobem que l'índex de refracció de l'aire és 1,00 i l'índex de refracció del vidre és 1,50.
L'angle de Brewster seria arctan (1,50 / 1,00)=arctan (1,50)=56 graus (aproximadament).
Calcul del millor angle de llum per a la màxima penetració de l'aigua. De la taula d'índexs de refracció es desprèn que l'índex de l'aire és 1,00 i l'índex de refracció de l'aigua és 1,33.
L'angle de Brewster seria arctan (1,33 / 1,00)=arctan (1,33)=53 graus (aproximadament).
Ús de llum polaritzada
Un simple profà ni tan sols pot imaginar-se amb quina intensitat s'utilitzen els polaritzadors al món. La polarització de la llum de la llei de Malus ens envolta arreu. Per exemple, coses tan populars com les ulleres de sol Polaroid, així com l'ús de filtres polaritzadors especials per a les lents de la càmera. Diversos instruments científics utilitzen llum polaritzada emesa per làsers o per polaritzar làmpades incandescents i fonts fluorescents.
Els polaritzadors s'utilitzen de vegades a la il·luminació de l'habitació i de l'escenari per reduir l'enlluernament i proporcionar una il·luminació més uniforme i com a ulleres per donar una sensació visible de profunditat a les pel·lícules en 3D. Polaritzadors creuats fins i tots'utilitza en vestits espacials per reduir dràsticament la quantitat de llum que entra als ulls d'un astronauta mentre dorm.
Secrets de l'òptica a la natura
Per què cel blau, posta de sol vermella i núvols blancs? Aquestes preguntes són conegudes per tothom des de la infància. Les lleis de Malus i Brewster proporcionen explicacions per a aquests efectes naturals. El nostre cel és molt colorit, gràcies al sol. La seva llum blanca brillant té tots els colors de l'arc de Sant Martí incrustats a l'interior: vermell, taronja, groc, verd, blau, añil i violeta. En determinades condicions, una persona es troba amb un arc de Sant Martí, una posta de sol o una tarda grisa. El cel és blau a causa de la "dispersió" de la llum solar. El color blau té una longitud d'ona més curta i més energia que altres colors.
Com a resultat, el blau és absorbit selectivament per les molècules d'aire i després s'allibera de nou en totes direccions. Altres colors estan menys dispersos i, per tant, normalment no es veuen. El sol del migdia és groc després d'absorbir el seu color blau. A la sortida o la posta del sol, la llum del sol entra amb un angle baix i ha de travessar un gran gruix de l'atmosfera. Com a resultat, el color blau s'escampa a fons, de manera que la major part és totalment absorbit per l'aire, es perd i escampen altres colors, especialment taronges i vermells, creant un horitzó de color gloriós.
Els colors de la llum solar també són responsables de tots els tons que estimem a la Terra, ja sigui el verd herba o l'oceà turquesa. La superfície de cada objecte selecciona els colors específics que reflectiràdistingir-se. Els núvols solen ser d'un blanc brillant perquè són excel·lents reflectors o difusors de qualsevol color. Tots els colors retornats s'afegeixen al blanc neutre. Alguns materials reflecteixen tots els colors de manera uniforme, com ara la llet, el guix i el sucre.
La importància de la sensibilitat de polarització en astronomia
Durant molt de temps, l'estudi de la llei de Malus, l'efecte de la polarització en astronomia es va ignorar. La llum de les estrelles està gairebé completament no polaritzada i es pot utilitzar com a estàndard. La presència de llum polaritzada en astronomia ens pot dir com es va crear la llum. En algunes supernoves, la llum emesa no està polaritzada. Depenent de la part de l'estrella que es veu, es pot veure una polarització diferent.
Aquesta informació sobre la polarització de la llum de diferents regions de la nebulosa podria donar pistes als investigadors sobre la ubicació de l'estrella a l'ombra.
En altres casos, la presència de llum polaritzada pot revelar informació sobre tota la part de la galàxia invisible. Un altre ús de les mesures sensibles a la polarització en astronomia és detectar la presència de camps magnètics. En estudiar la polarització circular de colors molt específics de la llum que emanen de la corona del sol, els científics han descobert informació sobre la força del camp magnètic en aquests llocs.
Microscòpia òptica
El microscopi de llum polaritzada està dissenyat per observar i fotografiar exemplars que són visibles a travésla seva naturalesa òpticament anisòtropa. Els materials anisòtrops tenen propietats òptiques que canvien amb la direcció de propagació de la llum que els travessa. Per dur a terme aquesta tasca, el microscopi ha d'estar equipat amb un polaritzador col·locat al camí de la llum en algun lloc davant de la mostra i un analitzador (segon polaritzador) col·locat al camí òptic entre l'obertura posterior de l'objectiu i els tubs de visió o el port de la càmera..
Aplicació de la polarització en biomedicina
Aquesta tendència popular avui dia es basa en el fet que al nostre cos hi ha molts compostos òpticament actius, és a dir, poden fer girar la polarització de la llum que els travessa. Diversos compostos òpticament actius poden fer girar la polarització de la llum en diferents quantitats i en diferents direccions.
Algunes substàncies químiques òpticament actives estan presents en concentracions més altes en les primeres etapes de la mal altia ocular. Els metges podrien utilitzar aquest coneixement per diagnosticar mal alties oculars en el futur. Es pot imaginar que el metge fa lluir una font de llum polaritzada a l'ull del pacient i mesura la polarització de la llum reflectida per la retina. S'utilitza com a mètode no invasiu per provar mal alties oculars.
El regal de la modernitat - Pantalla LCD
Si mireu bé la pantalla LCD, notareu que la imatge és una gran varietat de quadrats de colors disposats en una quadrícula. En ells, van trobar aplicació de la llei de Malus,la física del procés que va crear les condicions quan cada quadrat o píxel té el seu propi color. Aquest color és una combinació de llum vermella, verda i blava en cada intensitat. Aquests colors primaris poden reproduir qualsevol color que l'ull humà pugui veure perquè els nostres ulls són tricromàtics.
En altres paraules, aproximen longituds d'ona específiques de la llum mitjançant l'anàlisi de la intensitat de cadascun dels tres canals de color.
Les pantalles exploten aquesta deficiència mostrant només tres longituds d'ona que s'orienten selectivament a cada tipus de receptor. La fase de cristall líquid existeix en l'estat fonamental, en què les molècules s'orienten en capes, i cada capa posterior es gira lleugerament per formar un patró helicoïdal.
Pantalla LCD de 7 segments:
- Elèctrode positiu.
- Elèctrode negatiu.
- Polaritzador 2.
- Pantalla.
- Polaritzador 1.
- Cristal líquid.
Aquí la pantalla LCD es troba entre dues plaques de vidre, que estan equipades amb elèctrodes. LCD de compostos químics transparents amb "molècules retorçades" anomenades cristalls líquids. El fenomen de l'activitat òptica en alguns productes químics es deu a la seva capacitat per girar el pla de la llum polaritzada.
Stereopsis pel·lícules en 3D
La polarització permet que el cervell humà falsi 3D mitjançant l'anàlisi de les diferències entre dues imatges. Els humans no podem veure en 3D, els nostres ulls només poden veure en 2D. Imatges. Tanmateix, el nostre cervell pot donar sentit a la distància que es troben els objectes analitzant les diferències en el que veu cada ull. Aquest procés es coneix com a estereopsis.
Com que el nostre cervell només pot veure pseudo-3D, els cineastes poden utilitzar aquest procés per crear la il·lusió de tres dimensions sense recórrer a hologrames. Totes les pel·lícules en 3D funcionen amb dues fotos, una per a cada ull. A la dècada de 1950, la polarització s'havia convertit en el mètode dominant de separació d'imatges. Els cinemes van començar a tenir dos projectors en funcionament simultàniament, amb un polaritzador lineal sobre cada lent.
Per a la generació actual de pel·lícules en 3D, la tecnologia ha passat a la polarització circular, que s'encarrega del problema d'orientació. Actualment aquesta tecnologia està fabricada per RealD i representa el 90% del mercat 3D. RealD va llançar un filtre circular que canvia molt ràpidament entre la polarització en sentit horari i en sentit contrari a les agulles del rellotge, de manera que només s'utilitza un projector en comptes de dos.
