Polarization
06 Mar, 2013
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PRESENTATION: When light is incident on a surface that separates two refractive media, the reflected light is partially polarised and the degree of polarisation depends on the angle of incidence and the refractive indices of both materials. For an incidence with Brewster’s angle, the light is totally polarised in a plane perpendicular to the plane of incidence.
- Experiencing Light’s Properties Within Your Own Eye, Michael Mauser, Phys. Teach. 49, 19 (2011)
- Real 3-D: How Does It Work?, H. Schmitzer, D. Tierney, and T. Toepker, Phys. Teach. 47, 456 (2009)
INTRODUCTION: In a non-polarised wave, the vibration oscillates in all possible directions perpendicular to the direction of propagation. Starting from this state, the wave is polarised if for some reason it starts, for example, to oscillate on just one particular plane, which is called the polarisation plane.
OBJECTIVE: To verify the variation in the intensity of the reflection by placing and turning the polariser between the light and the screen.
MATERIALS: laser or light beam, piece of glass, polariser.
SETUP: The glass is placed on a table or any other support. Switch on the laser and aim it at the glass at an angle of 56º with respect to the horizontal. In this way, part of the light is reflected at an angle of 36º and the laser is focused towards a wall. Finally, the polariser is placed between the glass and the wall so that the ray of light goes through it. When the polariser is turned the reflection on the wall is reduced in intensity.
EXPLANATION: When unpolarised light is reflected on a flat surface between two transparent media, for example, that which separates air and glass, the reflected light is partially polarised. The degree of polarisation depends on the angle of incidence and the refractive indices of both media. The electric field of the incident light can be broken down into two components, one parallel and one perpendicular to the plane of incidence. The reflected light is completely polarised with its vector of the electric field perpendicular to the plane of incidence. The reflected light is totally polarised in a plane when the angle complies with Brewster’s law . The refracted light is partially polarised and much more intense than the reflected light. For angles that are not polarisation angles, the reflected light and the refracted light are partially polarised.
CONCEPTS: Brewster’s angle, Brewster’s law, reflection, refraction, refractive index.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- P.A. Tipler, Física, Reverté, 2010.
- S. Burbano de Ercilla, C. García Muñoz, Física General, Tebar, 2008.
- F.S. Crawford, Ondas, Reverté, 2005.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2010-2011: Antonio Dacosta, Alberto Díaz
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
14 responses to "Polarization"
Aunque el ser humano percibe la mayoría de las informaciones sobre su entorno por medio de la vista, el estudio de la luz queda con frecuencia desatendido en las clases de física. Por esta razón, experimentar en el aula puede resultar una forma fácil de comprender este fenómeno. Tener conocimientos en el campo de la polarización ayuda a comprender mejor la teoría de la luz en general. Además de su valor académico, el estudio de la polarización clarifica muchas aplicaciones prácticas que se están desarrollando para el uso de la luz polarizada.
Los fenómenos relacionados con la polarización pueden resultar fáciles de demostrar como se aprecia en la demostración del vídeo. Al realizar el experimento del vídeo, los alumnos pueden comprender el cambio en el estado de polarización debido a la reflexión de la luz en una superficie plana entre dos medios transparentes. Este cambio dependerá de las propiedades del material, la forma de la superficie y el ángulo de incidencia.
Un accesorio importante para la fotografía son los filtros polarizadores. Cuando sacamos una foto a con mucha luz es muy común que aparezcan “brillos” indeseados, esto es especialmente engorroso al fotografiar masas de agua, el cielo, un cristal o superficies que reflejen mucha luz. Para entender su funcionamiento, básicamente se puede decir que un haz de luz que se desplaza en línea recta, lo hace oscilando en infinitos planos alrededor del eje que marca la dirección de desplazamiento. Cada uno de ellos es un plano de polarización y la misión del filtro polarizador es quedarse únicamente con uno o un rango muy estrecho. El polarizador se suele asemejar a una rejilla, por la que sólo pueden pasar las ondas que estén alineadas. De este modo, según vamos girando el filtro seleccionaremos un plano de polarización u otro. Para una mejor comprensión del ángulo de Brewster, os dejo el siguiente experimento.
A polarización das ondas, e da luz en particular, é un concepto pouco intuitivo. A miña corta experiencia como docente dime que é complicada de entender, en parte, porque a idea dun campo electromagnético propagándose transversalmente é moi abstracta. Polo é moi conveniente exemplificar a polarización cunha actividade práctica na que se visualice claramente. A experiencia que se describe e realiza no vídeo deste proxecto está moi ben deseñada, pero emprega unha serie de instrumentos que non están presentes, por exemplo, nun laboratorio dun instituto de educación secundaria. Ademais, persoalmente opino ilustrar a polarización en termos de detección de intensidade de luz convertida nunha sinal eléctrica pode confundir máis que aclarar o a comprensión deste fenómeno. No seguinte enlace temos un experimento co cal se pode comprobar visualmente a polarización cunha montaxe experimental máis sinxela pois o instrumental necesario está ao alcance dos docentes de secundaria ou bacharelato.
Me gustaría destacar el caso de uno de los animales más curiosos que conozco, un copépodo (incluido entre los crustáceos) llamado Sapphirina metallina. Es de los pocos animales cuya superficie corporal produce un curioso tipo de polarización, la polarización circular. Se cree que esto permite a los machos (las hembras no presentan estas características) cambiar sus vivos colores para atraer a las hembras. También es curioso ver como “desaparecen”, aprovechando el ángulo adecuado de reflexión de la luz. A continuación os dejo algunos enlaces con información del tema: una noticia del períodico El Mundo, donde además de un vídeo también mencionan las posibles aplicaciones tecnológicas; y dos de los múltiples artículos científicos que hay al respecto en Advanced Functional Materials y en PLOS ONE.
La polarización de la luz ha experimentado un gran auge también, en la industria de las lentes de sol. Estas lentes, permiten eliminar en gran medida los molestos brillos del agua en el mar por ejemplo o de la nieve a pleno sol. En el siguiente enlace, además de tratar este tema, nos explican la diferencia entre una lente polarizada y una lente analizadora.
Al hilo del anterior comentario de Pablo, la polarización se encuentra presente en gran medida en la naturaleza y podemos observar muchos ejemplos en el siguiente blog. En el caso de las sardinas y arenques para escapar de sus depredadores, en las tarántulas para regresar a su nido, en las abejas para volar con precisión y en las gambas mantis para mejorar su visión.
Una aplicación interesante del ángulo de Brewster es la ventana de Brewster. Las ventanas de Brewster son sustratos no revestidos diseñados para presentar un perfil circular cuando están orientados en el ángulo de Brewster (55.57 °). Las ventanas brewster están fabricadas con sílice fundida uv, que prácticamente no presenta fluorescencia inducida por láser. Al insertar una ventana Brewster en la trayectoria de un rayo láser en una posición tal que la luz láser incida sobre ésta precisamente en el ángulo de Brewster, el rayo láser se puede configurar para producir la luz polarizada requerida para una aplicación en particular.
En el siguiente enlace del museo de ciencia Exploratorium, podemos encontrar diferentes actividades prácticas sencillas sobre la polarización, con las que experimentar en el aula y que nos ayuden a comprender de forma fácil este fenómeno. Por ejemplo, está disponible una actividad relacionada con las gafas de sol polarizadas, otra sobre cómo hacer un mosaico de luz polarizada, o también sobre cómo revelar patrones de estrés en plástico transparente. En todas ellas, se detallan los materiales y el montaje para su realización, su desarrollo, así como una breve descripción de los fundamentos y la explicación de lo que sucede. En relación a su historia, podemos señalar que el físico y cristalógrafo escocés William Nicol inventó en 1828 el prisma que lleva su nombre y que permitía obtener luz polarizada a partir de la luz natural. Construyó este dispositivo a partir de dos cristales de espato de Islandia, una forma natural de carbonato de calcio, que tiene la propiedad óptica de la birrefringencia. La luz que lo atraviesa se divide en dos rayos, uno con un índice de refracción ordinario y el otro extraordinario. Gracias a este dispositivo se pudo desarrollar una nueva disciplina científica: la polarimetría, fundamental para el estudio de la estructura molecular y la actividad óptica de las sustancias orgánicas. Además, el trabajo de Nicol sentó las bases para el desarrollo del microscopio de luz polarizada.
A polarización é unha propiedade da luz que podemos observar en numerosas situacións da vida cotiá. A luz do sol non está polarizada, sen embargo, o seu reflexo sobre o mar ou outra superficie está polarizada horizontalmente. Por iso, os lentes polarizados, que soamente deixan pasar a luz verticalmente polarizada, permíten reducir a luz reflexada. Outra situación na que se saca proveito desta propiedade é no cine en 3D, onde os lentes fan unha polarización circular, permitindo crear no noso cerebro imaxes tridimensionais.
La reflexión de la luz y otras ondas es un fenómeno que podemos observar en cualquier momento de nuestro día ya que está presente en casi todas las situaciones cotidianas. Al polarizar la luz disminuyes la intensidad del reflejo y haces la onda se transmita en único plano. La polarización fue un descubrimiento muy importante en el campo de la óptica y destacan sus aplicaciones en lentes y cámaras. A continuación os dejo un enlace donde podéis ver diferentes imágenes cotidianas tomadas empleando un filtro polarizador y su comparativa sin el filtro.
Ampliando lo que comentan Alejandro y María sobre las gafas de sol polarizadas, dejo un artículo en koreano de un estudio sobre gafas polarizadas y la protección que ofrecen, tanto frente a deslumbramientos por la luz que se refleja en el suelo si está mojado como frente a focos de larga distancia mal usados durante la noche.
En geología, la reflexión de luz polarizada es utilizada para el estudio de los minerales opacos como la pirita que no es posible examinar en el microscopio petrográfico, donde la luz atraviesa la muestra desde abajo. En el microscopio de reflexión, la luz incide desde arriba sobre los minerales, estudiando la luz que éstos reflejan. En este enlace se puede ver una explicación mas detallada del funcionamiento de este microscopio y las características de los minerales que permite analizar.
Las gafas con lentes polarizadas son un ejemplo práctico de este fenómeno. Yo las suelo utilizar para ir a pescar o para conducir, ya que evita reflejos molestos. En este artículo se habla sobre el fenómeno de la polarización y las lentes polarizadas.
Realizando el experimento del vídeo, los alumnos pueden comprobar el proceso de cambio en el estado de polarización debido a la reflexión de la luz en una superficie plana entre dos medios transparentes. Así se observa como este cambio dependerá de las propiedades del material, la forma de la superficie y el ángulo de incidencia.
Un fenómeno que se puede observar en nuestra vida cotidiana y que los alumnos pueden empezar a comprobar en el exterior de diferentes formas.
Muy interesante