Es difícil distinguir quién fue el primero en descubrir la polarizaciónbrillar. Los antiguos podían notar un lugar peculiar cuando miraban al cielo en determinadas direcciones. La polarización tiene muchas peculiaridades, se manifiesta en diferentes áreas de la vida, y hoy en día es objeto de investigaciones y aplicaciones masivas, la razón de todo es la ley de Malus.
Descubrimiento de la luz polarizada
Los vikingos pueden haber usado la polarizacióncielo para la navegación. Incluso si no lo hicieron, definitivamente descubrieron Islandia y la maravillosa piedra calcita. El espato islandés (calcita) se conocía en su época, son los habitantes de Islandia a los que debe su nombre. El mineral se usó una vez en la navegación debido a sus propiedades ópticas únicas. Desempeñó un papel importante en el descubrimiento moderno de la polarización y sigue siendo el material de elección para separar los componentes polarizadores de la luz.
En 1669, un matemático danés de CopenhagueLa Universidad Erasmus Bartholinus no solo vio una doble luz, sino que también realizó algunos experimentos, escribiendo una memoria de 60 páginas. Esta fue la primera descripción científica del efecto de polarización, y el autor puede considerarse el descubridor de esta asombrosa propiedad de la luz.
Christian Huygens desarrolló una onda de pulsola teoría de la luz, que publicó en 1690 en su famoso libro Traite de la Lumiere. Al mismo tiempo, Isaac Newton avanzó la teoría corpuscular de la luz en su libro Opticks (1704). Al final, ambos estaban bien y mal, ya que la luz tiene una naturaleza dual (onda y partícula). Sin embargo, Huygens estaba más cerca de la comprensión moderna del proceso.
En 1801, Thomas Jung hizo el famosoun experimento de interferencia con dos rendijas. Demostró que la luz se comporta como ondas, y la superposición de ondas puede conducir a la oscuridad (interferencia destructiva). Usó su teoría para explicar cosas como los anillos de Newton y los arcos de arcoíris sobrenaturales. Un gran avance en la ciencia se produjo unos años más tarde cuando Jung demostró que la polarización surge de la naturaleza de onda transversal de la luz.
El joven Etienne Louis Malus vivió en una época turbulenta, durantela época de la Revolución Francesa y el reino del terror. Luchó con el ejército de Napoleón en la invasión de Egipto, así como Palestina y Siria, donde contrajo la plaga que lo mató varios años después. Pero logró hacer una importante contribución a la comprensión de la polarización. La ley de Malus, que predijo la intensidad de la luz transmitida a través de un polarizador, se ha convertido en una de las más populares del siglo XXI para la creación de pantallas de cristal líquido.
Sir David Brewster, reconocido escritor científico,estudió temas de física óptica como el dicroísmo y los espectros de absorción, así como temas más populares como la fotografía estereofónica. La famosa frase de Brewster: "Todo es transparente, excepto el vidrio".
También hizo contribuciones invaluables al estudio de la luz:
- La ley que describe el "ángulo de polarización".
- La invención del caleidoscopio.
Brewster repitió los experimentos de Malus durante muchospiedras preciosas y otros materiales, habiendo descubierto la anomalía del vidrio y descubierto la ley - "ángulo de Brewster". En sus palabras, "... cuando el rayo está polarizado, el rayo reflejado forma un ángulo recto con el rayo refractado".
Ley de polarización de Malus
Antes de hablar de polarización, primero deberecuerda la luz. La luz es una onda, aunque a veces es una partícula. Pero en cualquier caso, la polarización tiene sentido si imaginamos la luz como una onda, como una línea que viaja desde la lámpara hasta los ojos. La mayor parte de la luz es una mezcla de ondas de luz que vibran en todas direcciones. Esta dirección de vibración se llama polarización de la luz. Un polarizador es un dispositivo que limpia este desorden. Acepta cualquier cosa que mezcle luz y solo deja pasar la luz que vibra en una dirección en particular.
La redacción de la Ley Malus suena así:Cuando incide luz polarizada completamente plana en el analizador, la intensidad de la luz transmitida por el analizador es directamente proporcional al cuadrado del coseno del ángulo entre los ejes de transmisión del analizador y el polarizador.
Una onda electromagnética transversal contiene tantocampos eléctricos y magnéticos, y el campo eléctrico en una onda de luz es perpendicular a la dirección de propagación de la onda de luz. La dirección de la vibración de la luz es el vector eléctrico E.
Para una viga no polarizada convencionalel vector eléctrico continúa cambiando su dirección aleatoriamente, cuando la luz pasa a través de la polaroid, la luz resultante se polariza en un plano con su vector eléctrico vibrando en una dirección específica. La dirección del vector del haz emergente depende de la orientación de la polaroid, y el plano de polarización está diseñado como un plano que contiene el vector E y el haz de luz.
La siguiente figura muestra luz plana polarizada debido a EI vertical y EII horizontal.
La luz no polarizada pasa a través de Polaroid P1 y luego a través de Polaroid P 2, formando un ángulo θ con y ax-s. Después de que la luz que se propaga a lo largo de la dirección x pase a través de Polaroid P 1, el vector eléctrico asociado con la luz polarizada solo vibrará a lo largo del eje y.
Ahora si permitimos esto polarizadoel haz pasa de nuevo a través del polarizado P2, formando un ángulo θ con el eje y, entonces si E 0 es la amplitud del campo eléctrico incidente en P2, entonces la amplitud de la onda que emerge de P2 será igual a E 0 cosθ y, por tanto, la intensidad del rayo emergente será según la Ley de Malus (fórmula) I = I 0 cos 2 θ
donde I 0 es la intensidad del haz que emerge de P2 cuando θ = 0 θ es el ángulo entre los planos de transmisión del analizador y el polarizador.
Ejemplo para calcular la intensidad de la luz
Ley de Malus: I 1 = I o cos 2 (q);
donde q es el ángulo entre la dirección de polarización de la luz y el eje de transmisión del polarizador.
Luz no polarizada con intensidad I o = 16W / m2 cae sobre un par de polarizadores. El primer polarizador tiene un eje de transmisión alineado a 50 grados de la vertical. El segundo polarizador tiene un eje de transmisión alineado a 20 ° de la vertical.
Se puede hacer una prueba de la ley de Malus calculando cuál es la intensidad de la luz cuando emerge del primer polarizador:
4 W / m 2
16 cos 2 50o
8 W / m 2
12 W / m 2
La luz no está polarizada, entonces I 1 = 1/2 I o = 8 W / m 2.
Intensidad de luz del segundo polarizador:
Yo 2 = 4 W / m 2
Yo 2 = 8 cos 2 20 o
Yo 2 = 6 W / m 2
Esto es seguido por la Ley de Malus, la redacciónlo que confirma que cuando la luz sale del primer polarizador, se polariza linealmente a 50o. El ángulo entre éste y el eje de transmisión del segundo polarizador es de 30 grados. Como consecuencia:
Yo 2 = Yo 1 cos 2 30o = 8 * 3/4 = 6 W / m 2.
Ahora, la polarización lineal de un haz de luz con una intensidad de 16 W / m2 cae sobre el mismo par de polarizadores. La dirección de polarización de la luz incidente es de 20o respecto a la vertical.
La intensidad de la luz que sale del primero y salelos segundos polarizadores. Al pasar por cada polarizador, la intensidad disminuye 3/4 veces. Después de dejar el primer polarizador, la intensidad es 16 * 3/4 = 12 W / m 2 y disminuye a 12 * 3/4 = 9 W / m 2 después de pasar por el segundo.
La ley de polarización de Malus dice que para cambiar la luz de una dirección de polarización a otra, la pérdida de intensidad se reduce al usar más polarizadores.
Suponga que desea rotar la dirección de polarización 90o.
| N, número de polarizadores | El ángulo entre polarizadores sucesivos | Y 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 |
| H | 90 / N | [porque 2 (90 o / N)] H |
Cálculo del ángulo de reflexión de Brewster
Cuando la luz incide sobre una superficie, parte de la luzreflejada, y la parte penetra (refracta). La cantidad relativa de esta reflexión y refracción depende de las sustancias que atraviesan la luz y también del ángulo en el que la luz incide en la superficie. Existe un ángulo óptimo, dependiendo de las sustancias, que permite que la luz se refracte (penetre) tanto como sea posible. Este ángulo óptimo se conoce como el ángulo del físico escocés David Brewster.
El ángulo de Brewster para la luz blanca polarizada normal se calcula mediante la fórmula:
theta = arctan (n1 / n2),
donde theta es el ángulo de Brewster y n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios.
Para calcular el mejor ángulo para el máximola penetración de la luz a través del vidrio: de la tabla de índices de refracción encontramos que el índice de refracción del aire es 1.00 y el índice de refracción del vidrio es 1.50.
El ángulo de Brewster será arctan (1,50 / 1,00) = arctan (1,50) = 56 grados (aprox.).
Calculando el mejor ángulo de luz para una máxima penetración de agua. De la tabla del índice de refracción se deduce que el índice del aire es 1,00 y el índice de refracción del agua es 1,33.
El ángulo de Brewster será arctan (1.33 / 1.00) = arctan (1.33) = 53 grados (aprox.).
Aplicación de luz polarizada
Un hombre común en la calle ni siquiera se imaginala intensidad con la que se utilizan los polarizadores en el mundo. La polarización de la luz de la ley de Malus nos rodea por todas partes. Por ejemplo, artículos populares como gafas de sol Polaroid y el uso de filtros polarizadores especiales para lentes de cámaras. Varios instrumentos científicos utilizan luz polarizada emitida por láseres o lámparas incandescentes polarizadas y fuentes fluorescentes.
Los polarizadores a veces se utilizan para la iluminación.salas y escenas para reducir el deslumbramiento y proporcionar una iluminación más uniforme y como gafas para dar una sensación visible de profundidad a las películas 3D. Los polarizadores cruzados se utilizan incluso en trajes espaciales para reducir drásticamente la cantidad de luz del sol que entra en los ojos del astronauta mientras duerme.
Secretos de la óptica en la naturaleza.
¿Por qué el cielo es azul, el rojo atardecer y el blanconubes? Todo el mundo conoce estas preguntas desde la infancia. Las leyes de Malus y Brewster explican estos efectos naturales. Nuestro cielo es realmente colorido gracias al sol. Su luz blanca brillante tiene todos los colores del arco iris incrustados en su interior: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Bajo ciertas condiciones, una persona se encuentra con un arco iris, una puesta de sol o una tarde gris. El cielo es azul debido a la "dispersión" de la luz solar. El azul tiene una longitud de onda más corta y más energía que otros colores.
Como resultado, el azul se absorbe selectivamentemoléculas de aire, y luego se liberan nuevamente en todas direcciones. Otros colores están menos dispersos y, por lo tanto, generalmente no son visibles. El sol del mediodía es amarillo, absorbiendo su azul. Al amanecer o al atardecer, la luz solar penetra en un ángulo bajo y debe atravesar un gran espesor de la atmósfera. Como resultado, el azul se dispersa cuidadosamente, de modo que la mayor parte es completamente absorbido por el aire, perdiendo y dispersando otros colores, especialmente naranja y rojo, creando un glorioso horizonte de colores.
Los colores de la luz solar también son responsables de todotonos que amamos en la Tierra, ya sea pasto verde o mar turquesa. La superficie de cada objeto selecciona colores específicos que reflejará para distinguirse. Las nubes suelen ser de un blanco brillante porque son excelentes reflectores o difusores de cualquier color. Todos los colores devueltos se suman al blanco neutro. Algunos materiales reflejan todos los colores de manera uniforme, como la leche, la tiza y el azúcar.
El valor de la sensibilidad a la polarización en astronomía.
Mucho tiempo estudiando el efecto de la ley de Malusla polarización en astronomía fue ignorada. Starlight no está polarizado casi por completo y se puede utilizar como estándar. La presencia de luz polarizada en astronomía puede decirnos cómo se creó la luz. En algunas supernovas, la luz emitida no está despolarizada. Dependiendo de la parte de la estrella que se esté contemplando, se puede ver otra polarización.
Esta información sobre la polarización de la luz de diferentes regiones de la nebulosa podría proporcionar a los investigadores una pista sobre la ubicación de la estrella en la sombra.
En otros casos, por la presencia de luz polarizadapuede revelar información sobre toda la parte de la galaxia invisible. Otro uso de las mediciones sensibles a la polarización en astronomía es detectar la presencia de campos magnéticos. Al estudiar la polarización circular de colores de luz muy específicos que emanan de la corona solar, los científicos han descubierto información sobre la fuerza del campo magnético en estos lugares.
Microscopia óptica
El microscopio de luz polarizada está diseñado parapara observar y fotografiar muestras visibles por su naturaleza ópticamente anisotrópica. Los materiales anisotrópicos tienen propiedades ópticas que cambian con la dirección de propagación de la luz que los atraviesa. Para lograr esta tarea, el microscopio debe estar equipado con un polarizador ubicado en el camino de la luz en algún lugar frente a la muestra y un analizador (segundo polarizador) colocado en el camino óptico entre la abertura posterior del objetivo y los tubos de visualización o el puerto de la cámara.
Aplicaciones de la polarización en biomedicina
Esta tendencia, popular hoy en día, se basa enen el hecho de que hay muchos compuestos en nuestro cuerpo que son ópticamente activos, es decir, pueden rotar la polarización de la luz que los atraviesa. Diferentes compuestos ópticamente activos pueden rotar la polarización de la luz en diferentes cantidades y en diferentes direcciones.
Algunos productos químicos ópticamente activospresente en concentraciones más altas en las primeras etapas de la enfermedad ocular. Los médicos pueden utilizar potencialmente este conocimiento para diagnosticar enfermedades oculares en el futuro. Uno puede imaginar que el médico proyecta una fuente de luz polarizada en el ojo del paciente y mide la polarización de la luz reflejada en la retina. Se utiliza como prueba no invasiva para enfermedades oculares.
Regalo de nuestro tiempo - pantalla LCD
Si observa de cerca la pantalla LCD, puedeobserve que la imagen es una gran variedad de cuadrados de colores dispuestos en una cuadrícula. En ellos se aplicó la ley de Malus, cuya física del proceso creaba condiciones en las que cada cuadrado o píxel tiene su propio color. Este color es una combinación de luz roja, verde y azul en cada intensidad. Estos colores primarios pueden reproducir cualquier color que el ojo humano pueda ver, porque nuestros ojos son tricromáticos.
En otras palabras, se aproximan a longitudes de onda de luz específicas analizando la intensidad de cada uno de los tres canales de color.
Las pantallas aprovechan este defecto, solomostrando tres longitudes de onda que se dirigen selectivamente a cada tipo de receptor. La fase de cristal líquido existe en el estado fundamental, en el que las moléculas están orientadas en las capas, y cada capa subsiguiente se riza ligeramente para formar un patrón en espiral.
LCD con pantalla de cristal líquido de siete segmentos:
- Electrodo positivo.
- Electrodo negativo.
- Polarizador 2.
- Mostrar.
- Polarizador 1.
- Cristal liquido.
Aquí la pantalla LCD está entre dos placas de vidrio,que están equipados con electrodos. Los LC son compuestos químicos transparentes con "moléculas retorcidas" llamadas cristales líquidos. El fenómeno de la actividad óptica en algunos productos químicos se debe a su capacidad para rotar el plano de la luz polarizada.
Películas 3D de Stereopsis
La polarización permite al cerebro humanofalso 3D analizando las diferencias entre dos imágenes. Los humanos no pueden ver en tres dimensiones, nuestros ojos solo pueden ver en imágenes bidimensionales. Sin embargo, nuestro cerebro puede averiguar qué tan lejos están los objetos analizando las diferencias en lo que ve cada ojo. Este proceso se conoce como Stereopsis.
Dado que nuestro cerebro solo puede ver pseudo-3D,Los cineastas pueden utilizar este proceso para crear la ilusión de tres dimensiones sin recurrir a hologramas. Todas las películas en 3D funcionan entregando dos fotografías, una para cada ojo. En la década de 1950, la polarización se había convertido en el método dominante de separación de imágenes. Los teatros comenzaron a tener dos proyectores funcionando simultáneamente, con un polarizador lineal sobre cada lente.
Para la generación actual de películas en 3D, la tecnologíacambiado a polarización circular, que se encarga del problema de orientación. Esta tecnología la produce actualmente RealD y representa el 90% del mercado 3D. RealD ha lanzado un filtro circular que cambia muy rápidamente entre la polarización en sentido horario y antihorario, por lo que solo se usa un proyector en lugar de dos.
