As lentes polarizadas e a Física

A luz é uma forma de energia que se propaga através de ondas eletromagnéticas e desempenha papel fundamental em diversos fenômenos da natureza e em aplicações tecnológicas. Um desses fenômenos é a polarização, que permite compreender melhor a natureza ondulatória da luz e tem aplicação direta em dispositivos ópticos, como as lentes polarizadas utilizadas em óculos de sol, câmeras e instrumentos científicos.

Isaac Newton (1643-1727) foi um físico, astrônomo e matemático inglês, que agregou aos estudos da luz na sua época. Seus trabalhos foram essenciais a respeito da óptica, desde suas primeiras investigações, datadas em 1664, até o final da sua vida, com seu livro “Opticks”: uma análise científica da luz que se tornou a base do nosso conhecimento moderno acerca do assunto. No entanto, a análise desses estudos infere que Newton não chegou a uma teoria concreta a respeito da luz e das cores, resultando na adoção de hipóteses diferentes e mutuamente inconsistentes. Nesse sentido, a luz só foi compreendida no Século XIX, pelo físico e matemático escocês que deu o impulso final na teoria moderna do eletromagnetismo.

James Clerk Maxwell (1831-1879) foi o responsável por desvendar o mistério sobre a natureza da luz. Maxwell acreditou que a variação do fluxo de campo magnético produz um campo elétrico induzido, e, com a manipulação de equações já existentes, sintetizou suas próprias equações, unificando conceitos que eram distintos. Suas descobertas foram base para o desenvolvimento tecnológico do Século XX e do desenvolvimento da Teoria da Relatividade.

Nesse sentido, com sua relações matemáticas, Maxwell descreveu que a luz é uma oscilação no campo elétrico e magnético, isto é, a luz são duas ondas perpendiculares entre si e que representam uma perturbação tanto no campo elétrico quanto no campo magnético: daí o nome “onda eletromagnética”.

Figura 1 - Figura 67 de “A Treatise on Electricity and Magnetism” (MAXWELL, 1954, p.439)

Fonte: https://periodicos.ufsc.br/index.php/fisica/article/view/2175-7941.2011v28n3p564. 

Figura 2 - Diferença de propagação das ondas mecânicas e eletromagnéticas

Fonte: Webb Space Telescope

A polarização da luz pode se manifestar de diferentes formas, dependendo da orientação do vetor campo elétrico durante a propagação da onda eletromagnética. Entre os principais tipos, destacam-se a polarização linear, circular e elíptica.

Na polarização linear, o vetor campo elétrico oscila em um único plano perpendicular à direção de propagação da onda. Esse é o tipo mais comum de polarização e pode ser obtido por meio da passagem da luz por um filtro polarizador linear.

Com a polarização circular, a extremidade do vetor campo elétrico descreve uma circunferência em torno da direção de propagação, mantendo o módulo constante, mas variando continuamente a direção. Esse tipo de polarização é gerado quando duas ondas lineares perpendiculares entre si possuem a mesma amplitude e uma diferença de fase de 90°.

Já na polarização elíptica, o vetor campo elétrico descreve uma elipse ao longo da propagação. Trata-se de um caso mais geral, no qual as amplitudes das componentes ortogonais e a diferença de fase entre elas são arbitrárias. Esse tipo de polarização pode ser obtido, por exemplo, com o uso de lâminas de quartzo ou dispositivos birrefringentes

Dessa forma, é possível compreender a polarização: um fenômeno óptico que consiste no processo de alinhamento dessas perturbações em uma “direção” só. No cotidiano, é possível observar a polarização em óculos de sol que possuem lentes polarizadas, que ajudam a reduzir o reflexo da luz em superfícies como lagos e latarias de carro, fundamental para atividades como pesca e direção. As lentes polarizadas possuem moléculas condutoras no filtro polarizador, que ficam alinhadas como várias linhas paralelas muito pequenas. Elas bloqueiam a luz que vibra em uma direção, enquanto deixa passar a luz que vibra na mesma direção que ela. Dessa forma, quanto melhor esse “alinhamento”, mais eficiente será a lente polarizada.

A luz do Sol chega na Terra de forma não polarizada, isto é, oscilando em todas as direções. Ao refletir na água, por exemplo, parte dela fica polarizada horizontalmente, onde as lentes polarizadas atuam de forma a bloquear essa luz. Esse processo resulta em imagens, através das lentes, que são ligeiramente mais escuras e que filtram o brilho incômodo que é refletido nos lagos ou no capô de um carro.

O fenômeno da polarização possui ampla aplicação na ciência e na tecnologia contemporânea, evidenciando sua importância tanto em contextos experimentais quanto no cotidiano.

Em óptica aplicada, os filtros polarizadores são empregados em câmeras fotográficas e cinematográficas para reduzir reflexos indesejáveis e intensificar o contraste de cores, especialmente em superfícies refletoras como água e vidro. Na indústria eletrônica, dispositivos como telas de cristal líquido (LCD) e monitores de smartphones utilizam o controle da luz polarizada para gerar imagens. Os cristais líquidos modulam a orientação do plano de polarização da luz ao receber estímulos elétricos, permitindo a formação de pixels luminosos. Em microscopia de polarização, o fenômeno é utilizado para estudar propriedades ópticas de materiais anisotrópicos, como fibras, minerais e tecidos biológicos. Essa técnica possibilita observar variações de birrefringência e texturas internas invisíveis sob iluminação comum. Além disso, a polarização também é essencial em sistemas de comunicação óptica, nos quais o controle do estado de polarização da luz garante a estabilidade do sinal e reduz perdas por interferência. De forma geral, compreender e manipular a polarização da luz é fundamental para o desenvolvimento de tecnologias ópticas avançadas, que vão desde instrumentos científicos até dispositivos eletrônicos mais presentes no cotidiano.

Figura 3: Diferenças entre uma lente não polarizada e uma polarizada

Fonte: RB Óticas

Um exemplo atual das lentes polarizadas pode ser observado no vídeo publicado na  rede social “TikTok”:  Costa Sunglasses Sponsorship at Katmai National Park | TikTok. Nesse vídeo, a luz refletida na superfície da água é parcialmente polarizada, e, devido ao excesso de luz refletida, é difícil observar a luz que entra no lago, é refletida pelos peixes e depois sai do lago. Devido a isso, com o polarizador, é possível eliminar parte desse brilho que é refletido na superfície da água. Dessa forma, utiliza-se um filtro polarizador com o objetivo de eliminar os reflexos indesejáveis.

Um experimento simples para observar a polarização consiste em utilizar dois filtros polarizadores. Ao girar um filtro em relação ao outro, observa-se que a luz transmitida diminui até desaparecer quando os eixos estão perpendiculares. Esse efeito demonstra que a luz transmitida pelo primeiro filtro é polarizada linearmente, e o segundo filtro bloqueia a componente perpendicular.

Figura 4: Experimento da luz torcida

Fonte: ciênsação

A compreensão da polarização não é apenas teórica. Ela está presente em tecnologias usadas diariamente, como os óculos 3D no cinema, que utilizam lentes com diferentes orientações de polarização para separar as imagens enviadas a cada olho, criando a sensação de profundidade.

O fenômeno da polarização evidencia claramente a sua natureza ondulatória e desempenha um papel fundamental em diversas aplicações tecnológicas e científicas, a polarização demonstra como a física da luz está presente de forma prática em nosso cotidiano.

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