1.8: Polarização

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Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Explicar a mudança na intensidade à medida que a luz polarizada passa por um filtro polarizador
Calcule o efeito da polarização por reflexão e ângulo de Brewster
Descreva o efeito da polarização por dispersão
Explicar o uso de materiais polarizantes em dispositivos como LCDs

Óculos de sol polarizados são familiares para a maioria de nós. Eles têm uma habilidade especial de cortar o brilho da luz refletida pela água ou pelo vidro (Figura\(\PageIndex{1}\)). Eles têm essa habilidade por causa de uma onda característica da luz chamada polarização. O que é polarização? Como é produzido? Quais são alguns de seus usos? As respostas a essas perguntas estão relacionadas ao caráter ondulatório da luz.

A figura tem duas fotografias da mesma parte de um rio. Na figura a, as nuvens e o céu se refletem na água, dificultando a visualização das pedras no fundo do rio. Na figura b, o reflexo do céu está ausente e o fundo do rio pode ser visto com mais clareza. — Figura\(\PageIndex{1}\): Essas duas fotografias de um rio mostram o efeito de um filtro polarizador na redução do brilho na luz refletida na superfície da água. Parte (b) dessa figura foi tirada com um filtro polarizador e a parte (a) não. Como resultado, o reflexo das nuvens e do céu observado na parte (a) não é observado na parte (b). Óculos de sol polarizados são particularmente úteis na neve e na água. (crédito a e crédito b: modificações do trabalho de “Amithshs” /Wikimedia Commons)

Lei de Malus

A luz é um tipo de onda eletromagnética (EM). As ondas EM são ondas transversais que consistem em campos elétricos e magnéticos variáveis que oscilam perpendicularmente à direção da propagação (Figura \(\PageIndex{2}\)). No entanto, em geral, não há direções específicas para as oscilações dos campos elétrico e magnético; elas vibram em qualquer plano orientado aleatoriamente perpendicular à direção da propagação. A polarização é o atributo de que as oscilações de uma onda têm uma direção definida em relação à direção de propagação da onda. (Esse não é o mesmo tipo de polarização discutido para a separação de cargas.) Diz-se que as ondas com essa direção são polarizadas. Para uma onda EM, definimos a direção da polarização como sendo a direção paralela ao campo elétrico. Assim, podemos pensar nas setas do campo elétrico como mostrando a direção da polarização, como na Figura \(\PageIndex{2}\).

Uma parte de uma onda eletromagnética que se move com a velocidade c é mostrada em um instante no tempo. Os dois componentes vetoriais, E e B, são mostrados e são perpendiculares um ao outro e à direção da propagação. Os vetores que representam a magnitude e a direção de E, mostrados como setas cujas caudas estão na linha de propagação da onda, formam uma onda senoidal em um plano. Da mesma forma, os vetores B formam uma onda senoidal em um plano perpendicular à onda E. As ondas E e B estão em fase. A direção da polarização é dada pela direção dos vetores E. — Figura\(\PageIndex{2}\): Uma onda EM, como a luz, é uma onda transversal. Os \(\overrightarrow{B}\) campos elétrico\(\overrightarrow{E}\) e magnético são perpendiculares à direção da propagação. A direção da polarização da onda é a direção do campo elétrico.

Para examinar isso mais detalhadamente, considere as ondas transversais nas cordas mostradas na Figura\(\PageIndex{3}\). As oscilações em uma corda estão em um plano vertical e dizem que estão polarizadas verticalmente. Os que estão na outra corda estão em um plano horizontal e são polarizados horizontalmente. Se uma fenda vertical for colocada na primeira corda, as ondas passam. No entanto, uma fenda vertical bloqueia as ondas polarizadas horizontalmente. Para ondas EM, a direção do campo elétrico é análoga às perturbações nas cordas.

A Figura a mostra ondas em uma corda oscilante vertical que passam por uma fenda vertical. A oscilação vertical é a direção da polarização. A Figura b mostra ondas em uma corda que oscila horizontalmente que não passam por uma fenda vertical similar. A oscilação horizontal é a direção da polarização. — Figura\(\PageIndex{3}\): As oscilações transversais em uma corda (a) estão em um plano vertical e as da outra corda (b) estão em um plano horizontal. Diz-se que o primeiro é polarizado verticalmente e o outro é polarizado horizontalmente. As fendas verticais passam ondas polarizadas verticalmente e bloqueiam as ondas polarizadas horizontalmente.

O Sol e muitas outras fontes de luz produzem ondas que têm os campos elétricos em direções aleatórias (Figura\(\PageIndex{1a}\)). Diz-se que essa luz não é polarizada, porque é composta por muitas ondas com todas as direções possíveis de polarização. Os materiais Polaroid, que foram inventados pelo fundador da Polaroid Corporation, Edwin Land, agem como uma fenda polarizadora para a luz, permitindo que apenas a polarização em uma direção passe. Os filtros polarizadores são compostos por moléculas longas alinhadas em uma direção. Se pensarmos nas moléculas como muitas fendas, análogas às das cordas oscilantes, podemos entender por que somente a luz com uma polarização específica pode passar. O eixo de um filtro polarizador é a direção ao longo da qual o filtro passa pelo campo elétrico de uma onda EM.

A Figura a mostra uma seta azul delgada apontando para fora da página e para a direita que é rotulada como direção do raio. Oito setas vermelhas emanam de um ponto no raio e são rotuladas como vetores E. Essas setas estão todas em um plano perpendicular ao raio e estão uniformemente distribuídas ao redor do raio. Eles são rotulados como representando uma polarização aleatória. Na figura b, um raio semelhante, mas mais longo, é mostrado com as mesmas setas vermelhas emanando de um ponto próximo à extremidade esquerda do raio. Mais à direita, no mesmo raio, há um retângulo fino com seis fendas verticais igualmente espaçadas. Esse retângulo é rotulado como filtro polarizador. Uma seta vertical de duas pontas em sua superfície é rotulada como eixo. À direita do filtro, centrada no raio, há uma única seta azul de duas pontas orientada verticalmente que é rotulada como E e direção de polarização. — Figura\(\PageIndex{4}\): A seta delgada representa um raio de luz não polarizada. As setas em negrito representam a direção da polarização das ondas individuais que compõem o raio. (a) Se a luz não estiver polarizada, as setas apontam em todas as direções. (b) Um filtro polarizador tem um eixo de polarização que atua como uma fenda passando por campos elétricos paralelos à sua direção. A direção de polarização de uma onda EM é definida como sendo a direção de seu campo elétrico.

A figura\(\PageIndex{5}\) mostra o efeito de dois filtros polarizadores na luz originalmente não polarizada. O primeiro filtro polariza a luz ao longo de seu eixo. Quando os eixos do primeiro e do segundo filtros estão alinhados (paralelos), toda a luz polarizada passada pelo primeiro filtro também passa pelo segundo filtro. Se o segundo filtro polarizador for girado, somente o componente da luz paralelo ao eixo do segundo filtro será passado. Quando os eixos são perpendiculares, nenhuma luz passa pelo segundo filtro.

Esta figura mostra três ilustrações de luz polarizada aleatoriamente passando por dois filtros polarizadores, um após o outro, em várias orientações. Na figura a, os dois filtros têm eixos orientados paralelamente um ao outro, em b o eixo do segundo filtro está em um ângulo intermediário, entre zero e noventa graus, em relação ao primeiro, e em c o eixo do segundo filtro é perpendicular ao primeiro. A Figura d é uma fotografia do resultado real do primeiro (paralelo) e último arranjo (perpendicular). Em todos os arranjos, a fonte de luz é polarizada aleatoriamente, indicada pelas setas do vetor E apontando em todas as direções em um plano perpendicular à direção de propagação do raio. Em todos os arranjos, a luz que passou pelo primeiro filtro, cujo eixo é orientado verticalmente, é polarizada verticalmente, indicada pelas setas vetoriais E que apontam apenas verticalmente para cima e para baixo. Na figura a, toda a luz polarizada é passada pelo segundo filtro polarizador, cujo eixo é paralelo ao primeiro e ainda está polarizado verticalmente. Na figura b, apenas parte da luz é passada pelo segundo filtro polarizador, cujo eixo é inclinado em relação ao primeiro. A luz que passa pelo segundo filtro é polarizada na direção do eixo do segundo filtro e a magnitude de E é reduzida. Na figura c, onde os eixos do filtro são perpendiculares entre si, nenhuma luz passa pelo segundo filtro. A Figura c mostra uma foto de três filtros ópticos circulares colocados sobre um padrão colorido brilhante. Dois desses filtros são colocados um ao lado do outro e o terceiro é colocado em cima dos outros dois, de forma que o centro do terceiro fique no ponto em que as bordas dos dois filtros se tocam. Alguma luz passa por onde o filtro superior se sobrepõe ao lado esquerdo embaixo do filtro. Nenhuma luz passa por onde o filtro superior se sobrepõe ao filtro inferior direito. — Figura\(\PageIndex{5}\): O efeito da rotação de dois filtros polarizadores, onde o primeiro polariza a luz. (a) Toda a luz polarizada é passada pelo segundo filtro polarizador, porque seu eixo é paralelo ao primeiro. (b) Quando o segundo filtro é girado, apenas parte da luz passa. (c) Quando o segundo filtro é perpendicular ao primeiro, nenhuma luz passa. (d) Nesta fotografia, um filtro polarizador é colocado acima de dois outros. Seu eixo é perpendicular ao filtro à direita (área escura) e paralelo ao filtro à esquerda (área mais clara). (crédito d: modificação do trabalho de P.P. Urone)

Somente o componente da onda EM paralelo ao eixo de um filtro é passado. Vamos chamar o ângulo entre a direção da polarização e o eixo de um filtro θ. Se o campo elétrico tiver uma amplitude E, a parte transmitida da onda terá uma amplitude\(E\cos θ \) (Figura\(\PageIndex{6}\)). Como a intensidade de uma onda é proporcional ao quadrado de sua amplitude, a intensidade I da onda transmitida está relacionada à onda incidente por

\ [I=I_0\ cos^2θ\ label { Lei de Malus}\ nonumber\]

onde\(I_0\) está a intensidade da onda polarizada antes de passar pelo filtro. Essa equação é conhecida como lei de Malus.

Esta figura fornece detalhes adicionais aos esquemas das duas figuras anteriores. Nesta figura, apenas um dos vetores E da fonte de luz polarizada aleatoriamente é mostrado à esquerda do filtro polarizador orientado verticalmente, junto com o componente desse vetor paralelo ao filtro. O vetor E está em um ângulo de teta com a vertical. O componente vertical do vetor E é E cosseno teta. Depois de passar pelo filtro, a luz tem apenas E vertical, com magnitude E cosseno teta. — Figura\(\PageIndex{6}\): Um filtro polarizador transmite somente o componente da onda paralelo ao seu eixo, reduzindo a intensidade de qualquer luz não polarizada paralelamente ao seu eixo.

Esta animação de física de código aberto ajuda você a visualizar os vetores do campo elétrico à medida que a luz encontra um filtro polarizador. Você pode girar o filtro — observe que o ângulo exibido está em radianos. Você também pode girar a animação para visualização em 3D.

Exemplo \(\PageIndex{1}\): Cálculo da redução de intensidade por meio de um filtro polarizador

Qual ângulo é necessário entre a direção da luz polarizada e o eixo de um filtro polarizador para reduzir sua intensidade em 90,0%?

Estratégia

Quando a intensidade é reduzida em 90,0%, ela é 10,0% ou 0,100 vezes seu valor original. Ou seja, I = 0,100I ₀. Usando essas informações, a equação I = I ₀ cos ² θ pode ser usada para resolver o ângulo necessário.

Solução

Resolvendo a lei de Malus (Equação\ ref {Lei de Malus})\(\cos θ\) e substituindo pela relação entre I e I ₀ dá

\[\cos θ=\dfrac{I}{I_0}=\frac{0.100I_0}{I_0}=0.3162. \nonumber \]

Solução para obter\(θ\) rendimentos

\[θ=\cos^{−1}0.3162=71.6°. \nonumber \]

Significância

É necessário um ângulo bastante grande entre a direção da polarização e o eixo do filtro para reduzir a intensidade para 10,0% de seu valor original. Isso parece razoável com base em experiências com filmes polarizadores. É interessante que, em um ângulo de 45°, a intensidade seja reduzida para 50% de seu valor original. Observe que 71,6° é 18,4° da redução da intensidade para zero, e que em um ângulo de 18,4°, a intensidade é reduzida para 90,0% de seu valor original, evidenciando simetria.

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Embora não tenhamos especificado a direção no Exemplo\(\PageIndex{1}\), digamos que o filtro polarizador tenha sido girado no sentido horário em 71,6° para reduzir a intensidade da luz em 90,0%. Qual seria a redução de intensidade se o filtro polarizador fosse girado no sentido anti-horário em 71,6°?

Responda: também 90,0%

Polarização por reflexão

Até agora, você provavelmente pode adivinhar que óculos de sol polarizadores reduzem o brilho da luz refletida, porque essa luz é polarizada. Você pode verificar isso por si mesmo segurando óculos de sol polarizados à sua frente e girando-os enquanto observa a luz refletida pela água ou pelo vidro. Ao girar os óculos de sol, você notará que a luz fica clara e fraca, mas não completamente preta. Isso implica que a luz refletida está parcialmente polarizada e não pode ser completamente bloqueada por um filtro polarizador.

\(\PageIndex{7}\)A figura ilustra o que acontece quando a luz não polarizada é refletida de uma superfície. A luz polarizada verticalmente é preferencialmente refratada na superfície, então a luz refletida fica mais polarizada horizontalmente. As razões para esse fenômeno estão além do escopo deste texto, mas um mnemônico conveniente para lembrar isso é imaginar a direção da polarização como uma flecha. A polarização vertical é como uma seta perpendicular à superfície e tem maior probabilidade de grudar e não ser refletida. A polarização horizontal é como uma flecha saltando de lado e tem maior probabilidade de ser refletida. Óculos de sol com eixos verticais bloqueiam, portanto, mais luz refletida do que luz não polarizada de outras fontes.

A figura é um diagrama que mostra um bloco de vidro no ar. A superfície refletora é horizontal. Um raio denominado luz não polarizada começa no canto superior esquerdo e atinge o centro do bloco, em um ângulo teta um com a vertical. Centralizadas nesse raio incidente estão duas flechas de duas pontas, uma horizontal e outra vertical. Do ponto em que esse raio atinge o bloco de vidro, dois raios emergem. Um é o raio refletido que sobe e vai para a direita em um ângulo de teta um com a vertical, e o segundo é um raio refratado que desce e para a direita em um ângulo de teta dois com a vertical. A luz refletida é rotulada como parcialmente polarizada paralelamente à superfície. Duas flechas de duas pontas, semelhantes às do raio incidente, são mostradas centralizadas no raio refletido, mas a seta vertical é significativamente mais curta que a horizontal. O raio refratado é rotulado como parcialmente polarizado perpendicularmente à superfície. Duas flechas de duas pontas, semelhantes às do raio incidente, são mostradas centralizadas no raio refletido, mas a seta horizontal é significativamente mais curta que a vertical. Uma nota indica que quando teta um é igual ao ângulo de Brewster, o ângulo entre o raio refletido e o refratado é de noventa graus. — Figura\(\PageIndex{7}\): Polarização por reflexão. A luz não polarizada tem quantidades iguais de polarização vertical e horizontal. Após a interação com uma superfície, os componentes verticais são preferencialmente absorvidos ou refratados, deixando a luz refletida mais polarizada horizontalmente. Isso é semelhante às flechas batendo nas laterais e ricocheteando, enquanto as flechas que atingem suas pontas vão para a superfície.

Como a parte da luz que não é refletida é refratada, a quantidade de polarização depende dos índices de refração do meio envolvido. Pode-se mostrar que a luz refletida é completamente polarizada em um ângulo de reflexão θ _b dado por

\[tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1} \nonumber \]

onde n ₁ é o meio no qual a luz incidente e refletida viaja e n ₂ é o índice de refração do meio que forma a interface que reflete a luz. Essa equação é conhecida como lei de Brewster e θ _b é conhecida como ângulo de Brewster, em homenagem ao físico escocês do século XIX que os descobriu.

Esta animação de física de código aberto mostra luz incidente, refletida e refratada como raios e ondas EM. Experimente girar a animação para visualização em 3D e também alterar o ângulo de incidência. Perto do ângulo de Brewster, a luz refletida se torna altamente polarizada.

Exemplo \(\PageIndex{2}\): Calculando a polarização por reflexão

(a) Em que ângulo a luz que viaja no ar será completamente polarizada horizontalmente quando refletida pela água? (b) De vidro?

Estratégia

Tudo o que precisamos para resolver esses problemas são os índices de refração. O ar tem n ₁ = 1,00, a água tem n ₂ = 1,333 e o vidro da coroa tem n ₂ = 1,520. A equação\(tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1}\) pode ser aplicada diretamente para encontrar θ _b em cada caso.

Solução

a. Colocar as quantidades conhecidas na equação

\[\tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1} \nonumber \]

concede

\[\tan \, θ_b=\frac{n_2}{n_1}=\frac{1.333}{1.00}=1.333. \nonumber \]

Resolver o ângulo θ _b produz

\[θ_b=tan^{−1}1.333=53.1°. \nonumber \]

b. Da mesma forma, para o vidro da coroa e o ar,

\[tan \, θ′_b=\frac{n′_2}{n_1}=\frac{1.520}{1.00}=1.52. \nonumber \]

Assim,

\[θ′_b=tan^{−1}1.52=56.7°. \nonumber \]

Significância

A luz refletida nesses ângulos pode ser completamente bloqueada por um bom filtro polarizador mantido com seu eixo vertical. O ângulo de Brewster para água e ar é semelhante ao do vidro e do ar, de modo que os óculos de sol são igualmente eficazes para a luz refletida pela água ou pelo vidro em circunstâncias semelhantes. A luz que não é refletida é refratada nesses meios. Portanto, em um ângulo de incidência igual ao ângulo de Brewster, a luz refratada é levemente polarizada verticalmente. Não é completamente polarizado verticalmente, porque apenas uma pequena fração da luz incidente é refletida, então uma quantidade significativa de luz polarizada horizontalmente é refratada.

Exercício\(\PageIndex{2}\)

O que acontece no ângulo de Brewster se a luz incidente original já estiver 100% polarizada verticalmente?

Responda: Haverá apenas refração, mas nenhuma reflexão.

Explicação atômica dos filtros polarizadores

Os filtros polarizadores têm um eixo de polarização que atua como uma fenda. Essa fenda passa por ondas EM (geralmente luz visível) que têm um campo elétrico paralelo ao eixo. Isso é feito com moléculas longas alinhadas perpendicularmente ao eixo, conforme mostrado na Figura \(\PageIndex{8}\).

A figura mostra uma ilustração de uma pilha de moléculas horizontais longas e idênticas. Um eixo vertical é desenhado sobre as moléculas. — Figura\(\PageIndex{8}\): As moléculas longas estão alinhadas perpendicularmente ao eixo de um filtro polarizador. Em uma onda EM, o componente do campo elétrico perpendicular a essas moléculas passa pelo filtro, enquanto o componente paralelo às moléculas é absorvido.

A figura\(\PageIndex{9}\) ilustra como o componente do campo elétrico paralelo às moléculas longas é absorvido. Uma onda EM é composta por campos elétricos e magnéticos oscilantes. O campo elétrico é forte em comparação com o campo magnético e é mais eficaz em exercer força sobre as cargas nas moléculas. As partículas carregadas mais afetadas são os elétrons, já que as massas de elétrons são pequenas. Se um elétron for forçado a oscilar, ele pode absorver energia da onda EM. Isso reduz o campo na onda e, portanto, reduz sua intensidade. Em moléculas longas, os elétrons podem oscilar mais facilmente paralelamente à molécula do que na direção perpendicular. Os elétrons estão ligados à molécula e são mais restritos em seu movimento perpendicular à molécula. Assim, os elétrons podem absorver ondas EM que têm um componente de seu campo elétrico paralelo à molécula. Os elétrons são muito menos responsivos aos campos elétricos perpendiculares à molécula e permitem que esses campos passem. Assim, o eixo do filtro polarizador é perpendicular ao comprimento da molécula.

A figura a mostra o desenho de uma molécula longa. Uma onda eletromagnética atravessa a molécula. A direção de propagação da onda é perpendicular ao eixo molecular e as oscilações da onda são paralelas ao eixo molecular. Os elétrons oscilam paralelamente ao comprimento da molécula. Depois de passar pela molécula longa, a amplitude das oscilações da onda é significativamente reduzida. A Figura b mostra um desenho semelhante, exceto que a onda oscila perpendicularmente ao eixo da molécula longa. Os elétrons oscilam fracamente perpendicularmente ao comprimento da molécula. Depois de passar pela molécula longa, a magnitude da oscilação da onda EM permanece inalterada. — Figura\(\PageIndex{9}\): Diagrama de um elétron em uma molécula longa oscilando paralelamente à molécula. A oscilação do elétron absorve energia e reduz a intensidade do componente da onda EM que é paralelo à molécula.

Polarização por dispersão

Se você segurar seus óculos de sol polarizados à sua frente e girá-los enquanto olha para o céu azul, você verá o céu ficar claro e escuro. Essa é uma indicação clara de que a luz dispersa pelo ar está parcialmente polarizada. \(\PageIndex{10}\)A figura ajuda a ilustrar como isso acontece. Como a luz é uma onda EM transversal, ela vibra os elétrons das moléculas de ar perpendicularmente à direção em que está viajando. Os elétrons então irradiam como pequenas antenas. Como eles oscilam perpendicularmente à direção do raio de luz, eles produzem radiação EM polarizada perpendicularmente à direção do raio. Ao visualizar a luz ao longo de uma linha perpendicular ao raio original, como na figura, não pode haver polarização na luz dispersa paralela ao raio original, pois isso exigiria que o raio original fosse uma onda longitudinal. Em outras direções, um componente da outra polarização pode ser projetado ao longo da linha de visão, e a luz dispersa é apenas parcialmente polarizada. Além disso, a dispersão múltipla pode trazer luz aos olhos de outras direções e conter diferentes polarizações.

A figura ilustra a dispersão da luz não polarizada por uma molécula. Como de costume, os raios são representados por setas azuis retas e as direções do campo elétrico por setas vermelhas de duas pontas. A luz incidente não polarizada tem vetores de campo elétrico oscilando em todas as direções no plano perpendicular à direção da propagação dos raios de luz. A molécula dispersa a luz em todas as direções. A luz que está dispersa na mesma direção da luz incidente permanece não polarizada. A luz dispersa na direção perpendicular à direção da luz incidente é polarizada perpendicularmente ao plano definido pelo incidente e pelos raios dispersos. A luz que está dispersa em uma direção intermediária é parcialmente polarizada. O campo elétrico perpendicular ao plano tem uma amplitude maior do que o campo paralelo ao raio incidente. — Figura\(\PageIndex{10}\): Polarização por dispersão. A dispersão de luz não polarizada das moléculas de ar sacude seus elétrons perpendicularmente à direção do raio original. A luz dispersa, portanto, tem uma polarização perpendicular à direção original e nenhuma paralela à direção original.

As fotografias do céu podem ser escurecidas por filtros polarizadores, um truque usado por muitos fotógrafos para tornar as nuvens mais brilhantes em contraste. A dispersão de outras partículas, como fumaça ou poeira, também pode polarizar a luz. Detectar a polarização em ondas EM dispersas pode ser uma ferramenta analítica útil para determinar a fonte de dispersão.

Uma variedade de efeitos ópticos é usada em óculos de sol. Além de serem polarizantes, os óculos de sol podem ter pigmentos coloridos embutidos neles, enquanto outros usam um revestimento não reflexivo ou refletivo. Um desenvolvimento recente são as lentes fotocrômicas, que escurecem à luz do sol e ficam claras em ambientes fechados. As lentes fotocrômicas são incorporadas com moléculas microcristalinas orgânicas que mudam suas propriedades quando expostas aos raios UV da luz solar, mas ficam claras na iluminação artificial sem UV.

Cristais líquidos e outros efeitos de polarização em materiais

Embora você esteja, sem dúvida, ciente das telas de cristal líquido (LCDs) encontradas em relógios, calculadoras, telas de computador, telefones celulares, televisores de tela plana e muitos outros lugares, talvez não saiba que elas são baseadas na polarização. Os cristais líquidos são assim chamados porque suas moléculas podem ser alinhadas mesmo estando em um líquido. Os cristais líquidos têm a propriedade de girar a polarização da luz que passa por eles em 90°. Além disso, essa propriedade pode ser desativada pela aplicação de uma tensão, conforme ilustrado na Figura\(\PageIndex{11}\). É possível manipular essa característica rapidamente e em regiões pequenas e bem definidas para criar os padrões de contraste que vemos em muitos dispositivos LCD.

Em televisores LCD de tela plana, uma grande luz é gerada na parte traseira da TV. A luz viaja para a tela frontal através de milhões de pequenas unidades chamadas pixels (elementos de imagem). Uma delas é mostrada na Figura\(\PageIndex{11}\). Cada unidade tem três células, com filtros vermelhos, azuis ou verdes, cada uma controlada de forma independente. Quando a tensão em um cristal líquido é desligada, o cristal líquido passa a luz pelo filtro específico. Podemos variar o contraste da imagem variando a intensidade da tensão aplicada ao cristal líquido.

A Figura a é uma ilustração de um raio de luz inicialmente não polarizada passando por um polarizador vertical, depois um elemento rotulado L C D sem tensão de rotação de noventa graus e, finalmente, um polarizador horizontal. A luz inicialmente não polarizada se torna polarizada verticalmente após o polarizador vertical, depois é girada noventa graus pelo elemento L C D para que seja polarizada horizontalmente e depois passa pelo polarizador horizontal. A figura b é a mesma, exceto que o elemento L C D está rotulado com tensão ligada, sem rotação. A luz que sai do elemento L C D é, portanto, polarizada verticalmente e não passa pelo polarizador horizontal, tornando a região neste local escura. Finalmente, na figura c, é mostrada uma fotografia de um laptop aberto para que você possa ver sua tela, que está ligada e tem alguns ícones e janelas visíveis. — Figura\(\PageIndex{11}\): (a) A luz polarizada é girada 90° por um cristal líquido e depois passada por um filtro polarizador que tem seu eixo perpendicular à direção da polarização original. (b) Quando uma tensão é aplicada ao cristal líquido, a luz polarizada não é girada e é bloqueada pelo filtro, tornando a região escura em comparação com o ambiente. (c) Os LCDs podem ser feitos com cores específicas, pequenos e rápidos o suficiente para serem usados em laptops e TVs.

Muitos cristais e soluções giram o plano de polarização da luz que passa por eles. Diz-se que essas substâncias são opticamente ativas. Os exemplos incluem água com açúcar, insulina e colágeno (Figura\(\PageIndex{11}\)). Além de depender do tipo de substância, a quantidade e a direção da rotação dependem de vários outros fatores. Entre elas está a concentração da substância, a distância que a luz percorre e o comprimento de onda da luz. A atividade óptica se deve à forma assimétrica das moléculas na substância, como a helicoidal. Medições da rotação da luz polarizada passando por substâncias podem, portanto, ser usadas para medir as concentrações, uma técnica padrão para açúcares. Também pode fornecer informações sobre as formas das moléculas, como proteínas, e fatores que afetam suas formas, como temperatura e pH.

A figura mostra um raio de luz inicialmente não polarizado que passa por três elementos ópticos. O primeiro é um filtro polarizador vertical, então o campo elétrico é vertical depois que o raio passa por ele. Em seguida, vem um bloco que é rotulado como substância opticamente ativa. O campo elétrico sai do bloco girado por um ângulo teta em relação à vertical. Finalmente, o raio passa por outro polarizador vertical denominado analisador. O campo elétrico final é polarizado verticalmente novamente. — Figura\(\PageIndex{11}\). A atividade óptica é a capacidade de algumas substâncias de girar o plano de polarização da luz que passa por elas. A rotação é detectada com um filtro ou analisador polarizador.

Vidro e plástico se tornam opticamente ativos quando estressados: quanto maior o estresse, maior o efeito. A análise de tensão óptica em formas complicadas pode ser realizada fazendo modelos plásticos delas e observando-as por meio de filtros cruzados, conforme visto na Figura \(\PageIndex{12}\). É evidente que o efeito depende do comprimento de onda e do estresse. Às vezes, a dependência do comprimento de onda também é usada para fins artísticos.

A figura mostra uma fotografia de uma lente de plástico que está sendo comprimida por uma pinça. Aparecem padrões de arco-íris, mostrando a deformação da lente. As regiões coloridas são delineadas por curvas escuras conectando os centros das bordas da lente. — Figura\(\PageIndex{13}\): Análise de tensão óptica de uma lente de plástico colocada entre polarizadores cruzados. (crédito: “Infopro” /Wikimedia Commons)

Outro fenômeno interessante associado à luz polarizada é a capacidade de alguns cristais de dividir um feixe de luz não polarizado em dois feixes polarizados. Isso ocorre porque o cristal tem um valor para o índice de refração da luz polarizada, mas um valor diferente para o índice de refração da luz polarizada na direção perpendicular, de modo que cada componente tem seu próprio ângulo de refração. Diz-se que esses cristais são birrefringentes e, quando alinhados adequadamente, dois feixes polarizados perpendicularmente emergirão do cristal (Figura\(\PageIndex{14}\)). Cristais birrefringentes podem ser usados para produzir feixes polarizados a partir de luz não polarizada. Alguns materiais birrefringentes absorvem preferencialmente uma das polarizações. Esses materiais são chamados de dicróicos e podem produzir polarização por essa absorção preferencial. É basicamente assim que os filtros polarizadores e outros polarizadores funcionam.

A figura mostra um raio de luz horizontal não polarizado incidente em um bloco chamado cristal birrefringente. O raio é perpendicular à face do cristal onde ele entra. O raio incidente se divide em dois raios quando entra no cristal. Uma parte do raio continua em linha reta. Esse raio é polarizado horizontalmente. A outra parte do raio se propaga em um. Esse raio é polarizado verticalmente. O segundo raio refrata ao sair do cristal, de forma que os dois raios fiquem paralelos fora do cristal. Os raios são rotulados como dois feixes polarizados perpendicularmente. — Figura\(\PageIndex{14}\): Materiais birrefringentes, como o mineral comum calcita, dividem feixes de luz não polarizados em dois com dois valores diferentes de índice de refração.