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Introduzione ai fenomeni di polarizzazione Lezioni d'Autore di Claudio Cigognetti VIDEO 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
