O ângulo de Brewster - Brewster's angle

Uma ilustração da polarização da luz que incide em uma interface no ângulo de Brewster.

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

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).

Fotografias tiradas de uma janela com um filtro polarizador de câmera girado em dois ângulos diferentes. Na imagem à esquerda, o polarizador está alinhado com o ângulo de polarização do reflexo da janela. Na imagem à direita, o polarizador foi girado 90 °, eliminando a luz do sol refletida fortemente polarizada.

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

Uma janela 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

links externos