17. Luz polarizada

Assim, como ondas na água e como o som, a luz também é uma onda. Basicamente, duas características distinguem um tipo de onda de outra: as propriedades que determinam a sua velocidade de propagação e as grandezas que oscilam.
A velocidade da luz depende de propriedades elétricas do meio em que ela se propaga e que são caracterizadas pelo índice de refração do meio. Diferentemente de outras ondas, a luz pode se propagar até mesmo no vácuo.
A luz é uma onda eletromagnética, ou seja, ela é constituída de campos elétrico e magnético que oscilam perpendicularmente um ao outro. Ambos são perpendiculares à direção de propagação da onda, como representado na Fig. 1.

Fig.1

A velocidade de propagação da luz no vácuo é dada por

[m] c = \frac{1}{\sqrt {\mu_0 \epsilon_0} }[/m], em que [m] \mu_0 [/m] e [m] \epsilon_0 [/m] são a permeabilidade magnética e a permissividade elétrica do vácuo, respectivamente.

As fontes comuns de luz produzem ondas eletromagnéticas em que o campo elétrico (e o magnético) oscilam em todas as direções no plano perpendicular à direção de propagação, não havendo uma direção preferencial de oscilação. Esse tipo de luz, representada na Fig. 2, é chamada de luz não-polarizada.	Fig.2
Por outro lado, algumas fontes de luz emitem ondas cujo campo elétrico oscila somente em uma determinada direção, como a que está mostrada na Fig. 1. Essa luz é chamada de luz polarizada. O nosso olho não distingue a direção do campo elétrico, ou seja, enxergamos indistintamente luz polarizada ou não-polarizada.
Um polarizador é um dispositivo que transmite onda de uma determinada direção de polarização e absorve os campos elétricos da onda que estão orientados nas outras direções. Depois de atravessar um polarizador, uma luz não polarizada sai polarizada em determinada direção, ou seja, com o campo elétrico oscilando em uma única direção, que é a direção de polarização do polarizador. Na Fig. 3, estão mostradas ondas não-polarizadas incidindo em dois polarizadores: um que transmite luz polarizada na direção vertical e o outro, na horizontal.	Fig. 3
Atenção: o fato de a luz ser polarizada não tem relação com objetos eletricamente polarizados ou com polarização eletrostática.
Experimento Polarizador linear
No Kit de Luz e Cores, há dois polarizadores maiores e mais resistentes e, também, um conjunto de polarizadores menores, montados em molduras de papel. Os polarizadores maiores estão cobertos com películas plásticas protetoras que devem ser removidas.
Gire um polarizador na frente da lanterna de forma que os estudantes possam observar a luz transmitida através dele. A intensidade da luz transmitida não varia, pois a luz produzida pelos LED’s da lanterna é não-polarizada, ou seja, os campos elétricos da luz emitida oscilam em todas as direções perpendiculares à direção de propagação. Portanto, sempre há componentes do campo elétrico na direção de polarização do polarizador, que serão transmitidas.
Um polarizador transmite luz polarizada apenas em uma direção. Para os polarizadores fornecidos no Kit de Luz e Cores, essa direção é paralela a uma das bordas do polarizador. Um polarizador ideal transmite 50% da luz não-polarizada que incide sobre ele. Se a luz incidente for polarizada, a intensidade da luz transmitida pelo polarizador depende do ângulo [m] \theta [/m] entre a direção de polarização da luz e a do polarizador. Dessa vez, coloque os dois polarizadores na frente da lanterna de forma que os estudantes possam observar a luz transmitida através dele. Em seguida, mantenha um dos polarizadores fixo enquanto gira o outro. A luz da lanterna, que é não polarizada, torna-se polarizada ao atravessar o primeiro polarizador. Ao incidir sobre o segundo polarizador, ela será totalmente transmitida se estiver polarizada na mesma direção de polarização do polarizador, ou seja, para [m] (\theta = 0) [/m], como representado na Fig. 4. Quando essas direções forem perpendiculares [m] (\theta = 90^o)[/m], nenhuma luz será transmitida através dos dois polarizadores, como mostrado na Fig. 5. Para um ângulo qualquer, a intensidade da luz transmitida varia com [m] cos^2\theta [/m]. Esse resultado é conhecido como lei de Malus.	Fig. 4 Fig. 5
Experimento Fontes de luz polarizada e de luz não-polarizada
Utilizando um polarizador, cada estudante deverá observar diferentes fontes de luz e identificar se a luz emitida por cada uma é polarizada ou não-polarizada. Para isso, o estudante deverá girar o polarizador na frente da fonte de luz e observar a luz que é transmitida. Sugestões: analisar a luz de diferentes lâmpadas (incandescente, fluorescente, LED), a luz do Sol, a luz refletida sobre vitrines, quadro negro ou superfície d’água, a luz de um laser, a luz da tela de um celular, TV ou computador, etc. ATENÇÃO!!! NUNCA olhe diretamente para a luz emitida por um laser ou vinda dele depois de ter sido refletida por uma superfície. NUNCA olhe diretamente para o Sol. Para analisar a luz dessas fontes, posicione o polarizador de forma que a luz que o atravessa incida sobre uma parede ou uma folha de papel. Observe, então, a luz sobre a parede.
Experimento Três polarizadores: surpresa!
Alinhe os dois polarizadores de forma que a suas direções de polarização fiquem perpendiculares. Nessa situação, não há luz trasmitida através deles. Com esses dois polarizadores fixos, coloque um terceiro polarizador entre eles, como mostrado na Fig. 6. Haverá ou não luz transmitida por esse conjunto? O que acontece se o polarizador do meio for girado enquanto os outros são mantidos fixos? Faça o experimento e discuta o resultado.	Fig. 6
Experimento Aplicações da luz polarizada
Luz polarizada é utilizada em várias aplicações tecnológicas que são familiares para os estudantes. Eles devem ser incentivados a analisar a luz de cada uma delas e a pesquisar sobre como a polarização da luz é utilizada em cada uma. Óculos de sol polarizadores Esses óculos têm polarizadores nas lentes para bloquear a luz refletida por superfícies como água, vidro, neve, que podem ofuscar a visão. Eles funcionam porque a luz refletida nas superfícies de objetos é polarizada ou parcialmente polarizada. Com um polarizador, os estudantes devem analisar o reflexo da luz em diferentes superfícies como na água de um lago ou de uma poça, no quadro da sala, no piso da sala, etc. Eles devem discutir sobre qual deve ser a direção de polarização das lentes desses óculos para que eliminem o reflexo dessas superfícies. Para isso, utilizando os polarizadores, eles devem descobrir qual a direção de polarização da luz refletida nas superfícies analisadas. Telas de monitor de computador, TV ou telefone celular Nas telas LCD ou telas de cristal desses dispositivos, é utilizada a propriedade que os cristais líquidos têm de variar a intensidade da luz que passa por eles. Nessa tecnologia, a luz deve ser polarizada. Com um polarizador, cada estudante deve analisar a luz emitida pela tela desses dispositivos e determinar a sua direção de polarização. Eles devem ser incentivados a pesquisar sobre o funcionamento de um monitor de cristal líquido e dos seus componentes importantes para a geração de uma imagem. De onde vem a luz desses monitores? O que é um cristal líquido? Como se polariza a luz nesses monitores? Por que é necessário que ela seja polarizada? Cinema 3D Ao assistir a um filme com projeção em 3D, cada espectador usa óculos que têm lentes polarizadoras. Nesses óculos, a direção de polarização de uma lente é ortogonal à da outra. Os estudantes devem pesquisar de como a projeção em 3D é possível e qual o papel da polarização da luz nessa tecnologia. Projetor multimídia Com um desses projetores, deve ser projetada uma imagem de forma que a tela fique toda branca. Coloque um polarizador na frente do feixe de luz e observe, na tela, a cor da luz transmitida por ele. Em seguida, gire o polarizador de 90º. Qual a cor da luz transmitida nessa situação? A luz que incide sobre a tela é polarizada? Qual a direção de polarização das componentes de cores vermelha, verde e azul? Os estudantes podem pesquisar sobre o funcionamento desses projetores e sobre papel da polarização da luz na formação das imagens.
Experimento Atividade ótica
Alguns materiais, sólidos ou líquidos, podem girar a direção de polarização enquanto a luz se propaga através deles. Esse efeito é chamado de atividade ótica e as substâncias com essa característica são chamadas de oticamente ativas. Essas substâncias são formadas por moléculas que apresentam isomeria ótica (estereoisomeria), ou seja, uma dessas moléculas não pode ser sobreposta com sua imagem especular pois elas têm estruturas diferentes. O açúcar é um exemplo de uma substância oticamente ativa e essa sua propriedade é utilizada na indústria para se medir a concentração dessa substância em caldas. Para isso, mede-se o desvio que ocorre na direção de polarização de um feixe de luz polarizada depois de ele atravessar o recipiente com a calda. Esse desvio é proporcional à concentração de açúcar na calda. Para alguns materiais oticamente ativos, o ângulo de giro da polarização depende, também, do comprimento de onda da luz, ou seja, cada cor tem sua polarização girada de um ângulo diferente enquanto a luz se propaga. Além de ter aplicações práticas, essa propriedade produz efeitos interessantes nesses materiais que serão demonstrados neste experimento.
Selecione alguns objetos de plástico transparente como, por exemplo, uma régua, um transferidor, talheres plásticos e outros. Observe um desses objetos contra a luz de uma lâmpada. Como essa luz é não polarizada, nenhum efeito é perceptível. Agora, coloque um polarizador entre a lâmpada e o objeto e observe a luz transmitida. A luz da lâmpada ficará polarizada na direção de polarização do polarizador. Gire o polarizador enquanto observa a luz através do objeto. Se o objeto for oticamente ativo, a luz transmitida por ele terá a direção de polarização girada de um determinado ângulo. No entanto, como o olho humano é insensível à polarização da luz, nenhuma alteração é percebida. Para que esta alteração seja percebida é necessário utilizar um segundo polarizador para analisar a luz que atravessa o objeto (o objeto a ser observado ficará entre os dois polarizadores). Gire um dos polarizadores em relação ao outro e descreva o que você observa. Os talheres de plástico e o transferidor são formados por polímeros que se tornam oticamente ativos quando são tensionados. Essa tensão pode ser induzida – por exemplo, deformando o objeto – ou pode ocorrer durante o processo de fabricação, quando os materiais são moldados, cortados ou usinados para lhes dar a forma desejada. Quando analisados sob luz polarizada, essas regiões tensionadas são, então, reveladas. Essa técnica é utilizada na indústria mecânica para analisar tensões introduzidas durante a usinagem que podem tornar certas regiões das peças passíveis de rupturas mecânicas.
Experimento Atividade ótica induzida por deformação
Coloque um pedaço de papel celofane ou plástico entre dois polarizadores e observe-o contra a luz de uma lâmpada. Gire um dos polarizadores em relação ao outro. Depois, estique o material e repita o procedimento. Quando os polarizados estão orientados com as direções de polarização perpendiculares, nenhuma luz passa através deles. Se há regiões claras onde está o pedaço de plástico, é porque nessas regiões a direção de polarização da luz foi girada, ou seja, o material apresenta atividade ótica. Essa atividade ótica pode ser induzida ao se deformar o objeto.

Experimento Uma atividade ótica com arte
Explique para os estudantes que a fita adesiva apresenta atividade ótica e que o ângulo de desvio na direção de polarização depende do comprimento de onda da luz e distância que a luz percorre no interior da fita. Em seguida, proponha que cada grupo faça uma colagem com fita adesiva sobre uma folha de acetato (transparência) – esses materiais são fornecidos com o Kit de Luz e Cores. As colagens podem formar desenhos reais ou abstratos e devem ter mais de uma camada de fita superposta com a outra em diferentes posições e orientações. Depois, cada colagem deve ser colocada entre dois polarizadores e observada contra a luz de uma lâmpada. Gire um dos polarizadores em relação ao outro e descreva o que você observa.