Exercícios Resolvidos de Polarização da Luz

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Enunciado

I – Obtenha a polarização da onda eletromagnética representada abaixo. Demonstre o tipo de polarização (linear, circular ou elíptica) e mostre, caso não seja linear, se a polarização é à esquerda ou à direita através da técnica usada em aula:

E z x , t = E z m sen ⁡ k x - ω t - π 2 ; E y x , t = E y m cos ⁡ k x - ω t + π 2 , onde E z m ≠ E y m .

Passo 1

Primeiro, precisamos das componentes do campo elétrico com a mesma função trigonométrica, para facilitar que achemos a diferença de fase entre elas.

Para isso, usamos a seguinte relação:

cos ⁡ a + b = cos ⁡ a cos ⁡ b - sen ⁡ a sen ⁡ b

Usando isso para E y :

E y = E y m cos ⁡ k x - ω t + π 2 = E y m cos ⁡ k x - ω t cos ⁡ π 2 - sen ⁡ k x - ω t sen ⁡ π 2

Como cos ⁡ π 2 = 0 e sen ⁡ π 2 = 1 , temos:

E y = - E y m sen ⁡ k x - ω t

Comparando com a componente ao longo do eixo z :

E z x , t = E z m sen ⁡ k x - ω t - π 2

Vemos que a diferença de fase (que não é afetada pelo sinal de E y ) é:

ϕ = - π 2

Porém, as amplitudes sendo diferentes E y m ≠ E z m , nós temos que a polarização da onda é elíptica.

Esse passo pode ser feito tanto colocando as duas componentes como funções seno ou como funções cosseno.

Passo 2

Podemos observar que a polarização de fato é elíptica mostrando que as duas componentes seguem a equação de uma elipse, que é:

z 2 a 2 + y 2 b 2 = 1

Para isso, vamos usar que:

sen ⁡ a ± b = sen ⁡ a cos ⁡ b ± sen ⁡ b cos ⁡ a

Além do fato de que sen ⁡ π 2 = 1 e cos ⁡ π 2 = 0 , o que nos dá:

E z x , t = E z m sen ⁡ k x - ω t - π 2 = - E z m cos ⁡ k x - ω t

Agora a equação da elipse se dá quando usarmos a = E z m e b = E y m .

E z 2 E z m 2 + E y 2 E y m 2 = cos 2 ⁡ k x - ω t + sen 2 ⁡ k x - ω t = 1

Passo 3

Agora falta descobrirmos se a polarização é à esquerda ou à direita. Isso é uma convenção baseada no sentido de rotação, que não é uma convenção.

Vejamos o sentido de rotação dela, lembrando que ela se propaga no sentido positivo do eixo x . (por causa dos sinais dentro das funções).

Primeiro, vejamos qual é o vetor campo elétrico para x = 0 no tempo t = 0 .

E z 0,0 = - E z m cos ⁡ k 0 - ω 0 = - E z m

E y 0,0 = - E y m sen ⁡ k 0 - ω 0 = 0

E pra onde ela gira a medida que o tempo passa? Para facilitar as contas, vamos usar um tempo em um quarto do giro, t = T 4 = π 2 ω , onde T = 2 π / ω é o período da rotação.

E z 0 , T 4 = - E z m cos ⁡ k 0 - ω π 2 ω = 0

E y 0 , T 4 = - E y m sen ⁡ k 0 - ω π 2 ω = E y m

Olhando os gráficos, vemos que a polarização é anti-horária em relação ao sentido de propagação. Agora a convenção é a seguinte:

Coloque o dedão de cada uma das suas duas mãos no sentido de propagação da onda (sentido positivo do eixo x ). A mão cuja palma você bater na direção do giro é a mão da rotação!

No caso, seria a mão direita, então ela é elíptica à direita!

Mas como eu falei isso é uma convenção. A outra convenção possível é você fazer a mesma coisa, mas apontando no sentido contrário do sentido de propagação da onda. (é como se você apontasse pra fonte da onda). Nesse caso, você encontraria que a onda é elíptica à esquerda!

Eu vou usar a primeira convenção, mas a convenção que você deve usar na prova é a que seu professor utiliza em aula!

Resposta

A polarização é elíptica à direita.

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