O ângulo de Brewster - Brewster's angle
O ângulo de Brewster (também conhecido como ângulo de polarização ) é um ângulo de incidência no qual a luz com uma polarização particular é transmitida perfeitamente através de uma superfície dielétrica transparente , sem reflexão . Quando a luz não polarizada incide neste ângulo, a luz que é refletida da superfície é, portanto, perfeitamente polarizada. Este ângulo especial de incidência recebeu o nome do físico escocês Sir David Brewster (1781–1868).
Explicação
Quando a luz encontra um limite entre dois meios com diferentes índices de refração , parte dela geralmente é refletida como mostrado na figura acima. A fração refletida é descrita pelas equações de Fresnel e depende da polarização da luz que entra e do ângulo de incidência.
As equações de Fresnel prevêem que a luz com a polarização p ( campo elétrico polarizado no mesmo plano do raio incidente e a superfície normal no ponto de incidência) não será refletida se o ângulo de incidência for
onde n 1 é o índice de refração do meio inicial através do qual a luz se propaga (o "meio incidente") e n 2 é o índice do outro meio. Essa equação é conhecida como lei de Brewster , e o ângulo definido por ela é o ângulo de Brewster.
O mecanismo físico para isso pode ser qualitativamente entendido a partir da maneira como os dipolos elétricos na mídia respondem à luz p- polarizada. Pode-se imaginar que a luz incidente na superfície é absorvida e então irradiada por dipolos elétricos oscilantes na interface entre os dois meios. A polarização da luz que se propaga livremente é sempre perpendicular à direção em que a luz está viajando. Os dipolos que produzem a luz transmitida (refratada) oscilam na direção de polarização dessa luz. Esses mesmos dipolos oscilantes também geram a luz refletida. No entanto, os dipolos não irradiam energia na direção do momento de dipolo . Se a luz refratada for p- polarizada e se propagar exatamente perpendicular à direção em que a luz está prevista para ser refletida especularmente , os dipolos apontam ao longo da direção de reflexão especular e, portanto, nenhuma luz pode ser refletida. (Veja o diagrama acima)
Com geometria simples, esta condição pode ser expressa como
onde θ 1 é o ângulo de reflexão (ou incidência) e θ 2 é o ângulo de refração.
Usando a lei de Snell ,
pode-se calcular o ângulo incidente θ 1 = θ B no qual nenhuma luz é refletida:
Resolver para θ B dá
Para um meio de vidro ( n 2 ≈ 1,5 ) no ar ( n 1 ≈ 1 ), o ângulo de Brewster para a luz visível é de aproximadamente 56 °, enquanto para uma interface ar-água ( n 2 ≈ 1,33 ), é de aproximadamente 53 °. Como o índice de refração para um determinado meio muda dependendo do comprimento de onda da luz, o ângulo de Brewster também varia com o comprimento de onda.
O fenômeno da luz sendo polarizada pela reflexão de uma superfície em um ângulo particular foi observado pela primeira vez por Étienne-Louis Malus em 1808. Ele tentou relacionar o ângulo de polarização ao índice de refração do material, mas ficou frustrado com a qualidade inconsistente dos vidros disponível naquele momento. Em 1815, Brewster fez experiências com materiais de alta qualidade e mostrou que esse ângulo era uma função do índice de refração, definindo a lei de Brewster.
O ângulo de Brewster é frequentemente referido como o "ângulo de polarização", porque a luz que reflete de uma superfície neste ângulo é totalmente polarizada perpendicularmente ao plano de incidência (" s- polarizada"). Uma placa de vidro ou uma pilha de placas colocada no ângulo de Brewster em um feixe de luz pode, portanto, ser usada como polarizador . O conceito de ângulo de polarização pode ser estendido ao conceito de número de onda de Brewster para cobrir interfaces planas entre dois materiais bianisotrópicos lineares . No caso de reflexão no ângulo de Brewster, os raios refletidos e refratados são perpendiculares entre si.
Para materiais magnéticos, o ângulo de Brewster pode existir para apenas uma das polarizações de onda incidente, conforme determinado pelas forças relativas da permissividade dielétrica e permeabilidade magnética. Isso tem implicações para a existência de ângulos de Brewster generalizados para metassuperfícies dielétricas.
Formulários
Em uma grande variedade de ângulos em torno do ângulo de Brewster, o reflexo da luz p- polarizada é menor do que a luz s- polarizada. Assim, se o sol está baixo no céu, a luz refletida é fortemente s- polarizada. Óculos de sol polarizados usam um material polarizador, como folhas Polaroid , para bloquear a luz polarizada horizontalmente, preferencialmente bloqueando os reflexos de superfícies horizontais, que é uma forma comum de brilho. O efeito é mais forte com superfícies lisas, como água, mas os reflexos nas estradas e no solo também são reduzidos.
Os fotógrafos usam o mesmo princípio para remover os reflexos da água para que possam fotografar objetos abaixo da superfície. Neste caso, o acessório da câmera do filtro polarizador pode ser girado para ficar no ângulo correto (veja a figura).
Ao registrar um holograma , a luz normalmente incide no ângulo de Brewster. Como a luz incidente é p-polarizada, ela não é refletida de volta no plano posterior transparente do filme holográfico. Isso evita efeitos de interferência indesejados no holograma .
Os prismas angulares de Brewster são usados na física do laser. A luz do laser polarizada entra no prisma no ângulo de Brewster sem nenhuma perda reflexiva.
Na ciência de superfície, os microscópios angulares de Brewster são usados na geração de imagens de camadas de partículas ou moléculas em interfaces ar-líquido. Ao usar um laser apontado para o ângulo de Brewster com a interface, o líquido puro aparece preto na imagem, enquanto as camadas de moléculas emitem um reflexo que pode ser detectado e apresentado com uma câmera.
Janelas Brewster
Lasers de gás normalmente usam uma janela inclinada no ângulo de Brewster para permitir que o feixe deixe o tubo do laser. Como a janela reflete alguma luz s -polarizada, mas nenhuma luz p- polarizada, a perda de ida e volta para a polarização s é maior do que a da polarização p . Isso faz com que a saída do laser seja p polarizada devido à competição entre os dois modos.
O ângulo de Pseudo-Brewster
Quando a superfície refletora está absorvendo, a refletividade na polarização paralela ( p ) passa por um mínimo diferente de zero no chamado ângulo de pseudo-Brewster .
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Lakhtakia, A. (1992). "Esquema geral para as condições de Brewster" (PDF) . Optik . 90 (4): 184–186.
links externos
- Extração de ângulo de Brewster da Wolfram Research
- Janela Brewster em RP-photonics.com
- TE, TM Reflection Coefficients - fase interativa e gráficos de magnitude mostrando o ângulo de Brewster