Introduzione ai fenomeni di
polarizzazione
Lezioni d'Autore
di Claudio Cigognetti
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POLARIZZAZIONE IN UN IPAD, RICAPITOLANDO
…
Impiegando occhiali aventi lenti polaroid e un display a
cristalli liquidi (di un tablet o di un computer) è facile
osservare le proprietà vettoriali della luce.
Ruotando gli occhiali in due posizioni complementari si ha
il minimo del passaggio di luce per un iPad quando l’asse
verticale dello schermo è nella stessa direzione dell’asse
di simmetria degli occhiali e il massimo quando ruotiamo
gli occhiali di 90°.
Con inclinazioni intermedie gli occhiali oscureranno
parzialmente l’immagine.
Anche i vecchi telefonini emettevano luce polarizzata
linearmente a 45° rispetto agli schermi degli iPad.
LA DESCRIZIONE FISICA DELLA LUCE
(I)
La descrizione fisica della luce può essere fatta attraverso
l’uso di grandezze vettoriali e la polarizzazione è il
capitolo dell’ottica dove si affronta tale questione.
La comprensione fisica delle onde elettromagnetiche tra la
fine dell’Ottocento e l’inizio del Novecento avvenne
ipotizzando che le cariche accelerate fossero responsabili
della generazione di campi che si allontanavano dalle
sorgenti.
Dal punto di vista della
teoria elettromagnetica
la luce è un’onda
trasversale.
LA DESCRIZIONE FISICA DELLA LUCE
Fissata la direzione di propagazione del
fascetto di luce (raggio) si definisce un
piano perpendicolare a esso dove si può
trovare il vettore caratteristico
dell’onda: il campo elettrico E.
La luce è composta da una molteplicità
di atti emissivi elementari.
Tutti i campi elettrici E sono
perpendicolari alla direzione di
propagazione della luce.
(II)
LA DESCRIZIONE FISICA DELLA LUCE
(III)
Anche i fenomeni dell’ottica (diffusione,
riflessione e rifrazione) sono reinterpretati in
termini d’interazione tra cariche e campi.
Le sorgenti luminose (atomi eccitati)
emettono onde in un breve intervallo
temporale (diciamo 10-8 s).
LA DESCRIZIONE FISICA DELLA LUCE
(IV)
L’emissione di più onde in genere non determina
un campo con una direzione privilegiata.
Considerando invece un singolo vettore E ideale
nel piano perpendicolare alla direzione di
propagazione, associato a luce perfettamente
monocromatica (stessa frequenza), si può
pensare sempre che esso sia dovuto alla
combinazione di Ex ed Ey.
LA DESCRIZIONE FISICA DELLA LUCE
( V)
A una particolare differenza di fase tra le componenti è
associata un’onda sinusoidale il cui campo vibra sempre
nella stessa direzione.
Si può visualizzare la cosa con un’analogia meccanica…
LA DESCRIZIONE FISICA DELLA LUCE
(VI)
Oppure descrive una specie di danza regolare (in senso
orario o antiorario) elicoidale, seguendo un cerchio o un
ellisse nella proiezione su un piano fisso.
Si parla così di polarizzazione lineare, circolare o ellittica,
quando la differenza di fase tra le componenti rimane
costante nel tempo.
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE
Con luce naturale s’intende una luce non polarizzata, frutto
di atti di emissione elementari non aventi una correlazione
l’uno con l’altro e quindi una precisa relazione di fase.
Poiché i tempi di osservazione sono lunghi se confrontati
con i 10 ns della singola emissione, tutte le possibili
direzioni di E fissano un insieme caotico che varia
rapidamente.
La luce solare ne è un esempio. Eppure basta osservare il
cielo azzurro o un’immagine riflessa dal vetro di una
finestra attraverso il filtro dei soliti occhiali per rendersi
conto che la diffusione e la riflessione trasformano la luce
naturale in un’onda parzialmente o completamente
polarizzata.
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE DIFFUSA
(I)
Nell’esempio della diffusione, il campo elettrico
associato alla luce tende a vibrare in una direzione
particolare.
Consideriamo una molecola che, raggiunta dalla luce
naturale non polarizzata, diffonde. Solo se l’angolo tra
la direzione del fascio incidente e di quello diffuso è
90° si ha una polarizzazione perfettamente lineare
(l’insieme dei fasci diffusi a 90° definiscono un piano).
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE DIFFUSA
(II)
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE DIFFUSA
(III)
Se si immagina un osservatore dotato di un filtro
fotografico polaroid che guarda uno spicchio di cielo
azzurro ruotando il polarizzatore le uniche posizioni che
non permettono variazioni significative sono quelle per
angolo di diffusione pari a zero (Sole alle spalle o posto
di fronte all’osservatore).
Negli altri casi
si percepisce
un’evidente
variazione di
luminosità.
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE DIFFUSA
(IV)
Invece con il Sole di fianco si ha il massimo
dell’attenuazione della luce disponendo l’asse del
polaroid parallelamente a quella dei raggi solari
(filtrando così la componente diffusa polarizzata
linearmente).
A mezzogiorno il filtro deve essere disposto con asse
quasi verticale verso il Sole per eliminare la luce
diffusa che vibra orizzontalmente.
All’alba o al tramonto il polaroid deve avere l'asse
orizzontale per eliminare il campo E che vibra nella
direzione verticale. In generale si può sempre pensare
che il cielo azzurro appare più scuro quando l’asse
ottico del polarizzatore è orientato verso il Sole.
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE RIFRATTA E RIFLESSA
(I )
Anche nel caso della rifrazione è possibile modificare la
luce solare per ottenere un’unica direzione privilegiata.
Per farlo basta studiare la luce riflessa da un materiale
trasparente.
Nella figura
accanto, la
schematizzazione
del fenomeno di
polarizzazione
lineare della luce
che avviene
quando questa è
riflessa da una
superficie
trasparente
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE RIFRATTA E RIFLESSA
(II)
Ponendo per semplicità l’indice di rifrazione dell’aria
uguale a uno, per la legge di Snell l’indice di rifrazione
del mezzo n sarà allora uguale al rapporto
sen(i)/sen(r), con i e r rispettivamente angolo di
incidenza e di rifrazione.
Il raggio riflesso è polarizzato linearmente quando la
somma degli angoli di incidenza e di rifrazione forma
90°, vale allora l’espressione: tg(i)=n. Nell’esempio
nella figura precedente il mezzo ha un indice di
rifrazione n prossimo a 1,5, quindi i=56,3°.
Il valore dell’angolo i che soddisfa tale relazione è
associato al nome del fisico David Brewster.
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE RIFRATTA E RIFLESSA
(III)
In tali condizioni, la luce rifratta è parzialmente
polarizzata in una direzione perpendicolare a quella del
raggio riflesso.
POLARIZZAZIONE DELLA LUCE NATURALE RIFRATTA E RIFLESSA
Interponendo invece un polarizzatore sul raggio
riflesso, la luce è notevolmente attenuata.
(IV)
FINE
