A Polarização da Luz
Um dos efeitos mais interessantes da óptica.
Nessa seção vamos tratar de uma das propriedades mais interessantes da luz visível e de todas as chamadas “ondas transversais”. Para acompanhar as explicações a seguir basta que você tenha um conhecimento elementar das características de uma onda genérica, como as que se formam na superfície da água. Siga a ordem das páginas listadas abaixo.
As “ondas elétricas”.
As ondas de luz, como as ondas de rádio e televisão, são ONDAS ELETROMAGNÉTICAS. Como o nome indica, uma onda eletromagnética consiste de um campo elétrico e um campo magnético, ambos oscilantes e propagando-se pelo espaço. Só que, nessa nossa conversa sobre a polarização, vamos levar em conta apenas a parte “elétrica” da onda eletromagnética, deixando de lado a parte magnética. Isso não faz muita diferença pois os efeitos do campo magnético presente nas ondas eletromagnéticas são desprezíveis nos fenômenos que vamos descrever. Tipicamente, a intensidade do campo magnético é milhares de vezes menor que a intensidade do campo elétrico em uma onda eletromagnética. Portanto, para nosso uso nas páginas a seguir, a luz e as ondas de rádio serão consideradas como “ONDAS ELÉTRICAS”, isto é, campos elétricos oscilantes propagando-se pelo espaço.
As animações disponibilizadas nos links abaixo mostram dois tipos de onda propagando-se pelo espaço. Na Animação 1, vemos a familiar onda de água deslocando-se pela superfície de um lago. Enquanto a onda passa, a superfície da água sobe e desce formando altos e baixos, máximos e mínimos. A distância entre dois máximos sucessivos é que chamamos de “comprimento de onda”. Observe que um objeto boiando na superfície (uma rolha, por exemplo) sobe e desce, acompanhando o ritmo da onda que passa, mas não se desloca lateralmente na direção da propagação ondulatória.
Na Animação 2, representamos a passagem de uma “onda elétrica”. A intensidade do campo elétrico que se propaga é representado por tracinhos que oscilam para cima e para baixo, no ritmo da onda que se desloca. Um campo elétrico, como sabemos, move cargas elétricas. Uma carga elétrica livre (representada pelo pontinho vermelho) sobe e desce ao sabor da onda elétrica, como a rolha na superfície da água, sem se deslocar no sentido da onda.
Essas animações são apenas caricaturas dos fenômenos reais mas servem para nos ajudar a visualizar os efeitos das ondas eletromagnéticas sobre cargas elétricas livres.
Rolha oscilando durante a passagem de uma onda na superfície de um lago.
Carga elétrica oscilando durante a passagem de uma onda de rádio.
As ondas na água e as ondas de rádio ou luz são exemplos de ondas ditas “transversais”. Nas ondas transversais a oscilação se dá em uma direção perpendicular à direção de propagação da onda. Esse tipo de onda pode ser “polarizada”, como veremos a seguir. Para entender como essas ondas são emitidas e captadas vamos considerar, no capítulo seguinte, a transferência de uma onda de rádio da estação transmissora para um aparelho receptor.
Ondas de rádio: do transmissor ao receptor.
A ciência do eletromagnetismo diz que cargas elétricas oscilantes emitem ondas eletromagnéticas. É isso o que ocorre na antena de uma emissora de rádio. Podemos descrever uma antena como uma haste metálica onde cargas elétricas (os elétrons livres que populam qualquer metal) estão se deslocando de um lado para o outro, movidas por um campo elétrico oscilante.
A Animação 3 representa a oscilação de uma carga livre (o ponto amarelo) em uma antena emissora. A oscilação dessa carga gera uma onda eletromagnética (ou apenas “elétrica”, em nossa simplificação) que se desprende da antena e passa a se propagar no espaço. Observe que o campo elétrico oscilante da onda é sempre paralelo à direção da antena, enquanto se propaga em uma direção perpendicular à antena.
Quando a onda elétrica emitida pela antena da estação de rádio chega à antena de um receptor de rádio ocorre o efeito inverso. Agora é o campo elétrico da onda que faz mover as cargas livres da antena receptora que são forçadas a oscilar no mesmo ritmo (ou “freqüência”) das oscilações da onda. É assim que os sinais da emissora são captados (e depois “decodificados”) e acabam gerando os sons que ouvimos nos nossos aparelhos de rádio ou nas imagens que vemos em nossos televisores.
Na Animação 4, desenhamos uma antena emissora e uma antena receptora, ambas na direção vertical. A onda elétrica emitida tem seu campo elétrico sempre paralelo à antena emissora, isto é, sempre na direção vertical. Esse é um exemplo de uma onda “polarizada”, no caso, polarizada na direção vertical. A antena receptora, se também se encontra na direção vertical pode “captar” o sinal emitido pela antena emissora, trazido pela onda. Note que as cargas na antena receptora oscilam com a mesma freqüência das cargas da antena emissora mas, como o sinal viaja com velocidade finita (a velocidade da luz), os instantes em que cada carga passa por um máximo da oscilação podem ser diferentes, dependendo da distância entre as antenas. Em termos técnicos, as “fases” das oscilações podem ser diferentes.
Agora suponha que a antena receptora da animação acima seja movida para uma posição horizontal, portanto, perpendicular à direção do campo elétrico da onda. Nesse caso, as cargas da antena receptora não serão movidas pelo campo elétrico da onda e não haverá “detecção” do sinal emitido. Quem já instalou uma antena de televisão sabe bem o que isso significa.
Uma antena emissora única emite ondas polarizadas. Mas, suponha que várias antenas emissoras, colocadas no mesmo ponto mas em direções diferentes, emitam ondas independentemente umas das outras. Nesse caso, o sinal emitido seria polarizado em todas essas direções, portanto, não seria polarizado. Imagine uma infinidade dessas antenas, apontando em todas as direções possíveis em um plano vertical enquanto emitem ondas elétricas. O sinal total emitido seria uma onda com campos elétricos em todas as direções do plano vertical: seria uma onda “não-polarizada”. Isto é: uma onda não-polarizada é, na verdade, uma onda polarizada em todas as direções de um plano. Uma antena receptora em qualquer direção perpendicular à direção de propagação da onda seria capaz de captar o sinal emitido não polarizado.
Ondas de luz: o olho como uma antena receptora.
A luz que nos ilumina é uma onda “elétrica” semelhante a uma onda de rádio ou televisão. A diferença está apenas no comprimento de onda que é muito menor nas ondas de luz do que nas ondas de rádio.
Quais são as antenas emissoras e receptoras das ondas de luz? São os átomos ou moléculas das substâncias que emitem ou captam a luz. Considere, por exemplo, a tela de seu monitor nesse exato instante. Nela existem átomos cujos elétrons estão em vibração com alta freqüência. Elétrons são cargas e, como sabemas, cargas vibrantes emitem ondas elétricas. Essas ondas se propagam e penetram seus olhos, atingindo suas retinas. As retinas de seus olhos têm células sensíveis à luz – elas são as antenas receptoras que vão ser excitadas pelo campo elétrico da luz. Como no caso do rádio, essa excitação é transformada em um sinal (no caso, um sinal nervoso) e enviada ao cerébro, onde é “decodificada” no que chamamos de “visão”.
A luz emitida pelo monitor é “não-polarizada”. E não podia ser diferente já que os elétrons que oscilam nos átomos da tela do monitor oscilam em todas as direções possíveis emitindo ondas com campos elétricos em qualquer direção.
As células da retina (que atuam como antenas receptoras) também estão distribuidas ao acaso, em todas as direções possíveis. Portanto, podem captar ondas com qualquer polarização. Em outras palavras, nossos olhos não são sensíveis a diferenças de polarização da luz que recebem. Ao que parece, alguns animais, principalmente insetos, têm olhos que podem distinguir a polarização da luz. É a chamada visão-P que serve para orientar esses seres ao se deslocarem em suas tarefas normais.
Polarizando a luz: o polaróide.
A luz de uma lâmpada comum, como a luz de seu monitor, não é polarizada. Em ambos os casos, os átomos emitem ondas luminosas independentemente usn dos outros, cada uma com uma polarização diferente. O resultado geral é uma onda eletromagnética com campos elétricos apontando em todas as direções, sempre perpendiculares à direção de propagação. É possível, no entanto, “polarizar” uma luz não-polarizada.
Onda elétrica sendo polarizada por um “filtro” polarizador.
Para entender como isso pode ser feito, vamos voltar ao caso da estação emissora e da antena receptora. Digamos que a estção emite ondas não-polarizadas ou, como vimos antes, polarizadas em todas as direções. E vamos supor que essa onda elétrica não-polarizada incide sobre um conjunto de antenas receptoras, todas horizontais. Essas antenas horizontais captam todas as componentes da onda incidente na direção horizontal mas não captam as componentes verticais. A energia das componentes horizontais seria absorvida pelas antenas mas as componentes verticais passariam praticamente incólumes. Desse modo, depois do conjunto de antenas receptoras horizontais sobraria uma onda elétrica polarizada na direção vertical, com cerca da metade da energia da onda não-polarizada incidente. O conjunto de antenas, nesse exemplo simplificado, atuou como um “filtro polarizador”, transformando uma onda elétrica não-polarizada em uma onda elétrica polarizada.
Edwin Land
Na década de 30, o físico americano Edwin Land conseguiu reproduzir o efeito descrito acima, não com ondas de rádio, mas com luz visível. Land foi um dos raros exemplos de cientistas que fizeram fortuna com suas pesquisas. Criou um filtro polarizador para luz visível, o “Polaróide”, barato e eficiente, e inventou uma câmera fotográfica de revelação instantânea que teve enorme sucesso. Ainda hoje, a Polaroid Corporation é uma grande indústria. Mas, além disso, Land continuou a ser um excelente pesquisador, com contribuições valiosas para o entendimento da visão das cores (veja, por exemplo, a descrição da Experiência de Land nas nossas Sugestões para Feiras de Ciências).
O “Polaróide”, inventado por Land em 1938, comporta-se, para a luz visível, como a grade de antenas no caso das ondas de rádio. De forma simplificada, o processo de fabricação consiste no seguinte: uma folha de plástico contém longas moléculas de um certo hidrocarboneto inicialmente sem nenhum orientação preferencial. O plástico é fortemente esticado em uma direção, alinhando as moléculas parcialmente, sendo então mergulhado em uma solução que contém iodo. Os átomos de iodo se ligam às moléculas orientadas, tornando-as eletricamente condutoras. O conjunto é deixado secar e a folha plástica pode ser relaxada pois as moléculas continuarão alinhadas. Desse modo, as moléculas longas serão as “antenas” que captarão e absorverão a onda elétrica que tenha polarização na direção preferencial de esticamento mas deixarão passar as ondas polarizadas na direção perpendicular.
A analogia com o caso da grade de antenas de rádio está completa. A luz não-polarizada incide sobre o filtro polaróide e “excita” os elétrons nas longas moléculas condutoras que servirão de antenas receptoras. As componentes do campo elétrico paralelas à orientação das moléculas serão absorvidas pelo polaróide, restando apenas as componentes perpendiculares que atravessam o filtro. Depois de atravessar o filtro, a luz está polarizada na direção perpendicular à direção preferencial das moléculas longas no polaróide.
Algumas experiências simples com polaróides.
Para fazer experiências com a polarização da luz você vai precisar de dois filtros polarizadores. Filtros polaróides são vendidos em lojas de óptica e fotografia mas podem ser um pouco caros. Fica mais em conta adquirir um desses chamados “óculos polaróides” que são vendidos até em farmácias ou supermercados.
Antes de comprar esses óculos verifique se ele é mesmo um polarizador de luz. Com dois deles basta um teste simples para mostrar se são mesmo polarizadores ou se só usam, indevidamente, o nome.
Se realmente forem feitos de polaróide, basta comprar um, pois cada metade será um filtro independente. Desmontando as “lentes” com cuidado você terá seus dois polarizadores e depois de fazer suas experiências pode recompor os óculos para usar na praia.
Munido de seus dois filtros polarizadores, acesse nossa página de SUGESTÕES PARA FEIRAS DE CIÊNCIA e veja alguns experimentos bem legais e ilustrativos sobre a polarização da luz.
