Polarizzazione della radiazione elettromagnetica
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La polarizzazione della radiazione elettromagnetica, o elicità è una caratteristica delle onde elettromagnetiche e dei fotoni e indica la direzione lungo la quale il campo elettrico oscilla durante la propagazione dell'onda.
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[modifica] Polarizzazione della radiazione elettromagnetica
Considerariamo un'onda elettromagnetica piana: i campi elettrico e magnetico sono rappresentati nel dominio della frequenza dalle seguenti espressioni:
Il vettore 
indica la direzione lungo la quale oscilla il campo elettrico ed è detto vettore polarizzazione. È importante ricordare che è ortogonale al vettore d'onda 
, cioè alla direzione di propagazione; lo stesso vale per 
, cioè per la direzione di oscillazione del campo magnetico.
[modifica] Polarizzazione lineare e circolare
Se il vettore ha tutte le componenti reali allora la radiazione si dice polarizzata linearmente: la direzione di rimane costante nel corso del tempo. Consideriamo quindi due onde piane, di uguale ampiezza, polarizzate linearmente lungo due direzioni ortogonali, ed 
e sfasate di mezzo periodo, cioè 
, 
. Sommando i due campi elettrici si ottiene il vettore polarizzazione risultante che ha una componente complessa
.
L'onda risultante è una radiazione elettromagnetica in cui l'intensità del campo elettrico, in un punto fissato, non varia ma la sua direzione ruota con frequenza angolare ω. La rotazione è in senso orario (polarizzazione circolare destra) per il segno + e antiorario (polarizzazione circolare sinistra) per il segno -. Se invece si considera un istante di tempo fissato il campo elettrico forma spirali (destre o sinistre) lungo la direzione di propagazione .
Oltre alle polarizzazioni lineare e circolare si definisce anche la polarizzazione elittica, quando la parte reale e immaginaria del vettore non sono uguali. Ogni polarizzazione ellittica può essere scomposta nella somma di due polarizzazioni lineari ortogonali o di due polarizzazioni circolari inverse. Per convertire la polarizzazione della radiazione elettromagnetica che lo attraversa da lineare a circolare, e viceversa, si utilizza una lamina quarto d'onda.
[modifica] Polarizzazione trasversa elettrica e trasversa magnetica
Nella figura 1 è rappresentato il caso di un'onda piana che incide sull'interfaccia tra due materiali ottici, ad esempio vuoto e vetro, oppure aria e acqua. L'onda viene scomposta in una componente riflessa (
) e una trasmessa 
. L'asse Z non è disegnato, si trova uscente dal piano dell'immagine.
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Si possono individuare questi due casi limite:
- il caso in cui il campo elettrico oscilla parallelamente all'interfaccia (cioè lungo l'asse Z) viene detto polarizzazione Trasversa Elettrica (TE).
- il caso, in cui sia il campo magnetico a oscillare parallelamente all'interfaccia viene detto polarizzazione Trasversa Magnetica (TM).
Poiché questi due tipi di polarizzazione sono ortogonali tra loro, un'onda piana incidente, di polarizzazione qualsiasi, può essere scomposta in una componente TE e una TM che possono essere trattate separatamente.
[modifica] Filtri polarizzanti
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Per approfondire, vedi la voce Polarizzatore. |
È possibile costruire degli appositi filtri ottici per ottenere luce polarizzata linearmente. I filtri polarizzanti sono composti da lamelle spaziate tra loro dell'ordine della lughezza d'onda della luce incidente. Le lamelle impediscono o smorzano l'oscillazione del campo elettrico lungo la direzione ad esse ortogonale selezionando la polarizzazione ad esse parallele.
Esistono anche altri dispositivi ottici che producono luce polarizzata linearmente, come ad esempio le finestre di Brewster utilizzate nei laser.
Se un fascio di luce già polarizzato linearmente attraversa un filtro polarizzante l'intensità luminosa viene smorzata secondo la legge 
dove I0 è l'intensità della luce entrante, I l'intensità della luce uscente e θ è l'angolo tra le due direzioni di polarizzazione: in entrata e in uscita dal filtro.
Come conseguenza se l'angolo θ è di 90° la luce viene completamente assorbita, se è di 0° attraversa totalmente il filtro. Su questo principio si basano gli schermi a cristalli liquidi.
Per ottenere luce polarizzata circolarmente di solito si procede trattando un fascio già polarizzato linearmente con un dispositivo ottico adatto. I più diffusi sono le lamine λ / 4, cioè uno strato di materiale ottico non omogeneo che presenta due indici di rifrazione diversi lungo due direzioni ortogonali. Il materiale deve avere uno spessore d che rispetta l'equazione d = λ / 4Δn, dove λ è la lunghezza d'onda della radiazione nel vuoto e Δn la differenza tra l'indice di riflessione massimo e il minimo.
[modifica] Polarizzazione della luce solare diffusa
La luce solare diffusa, cioè la luce che arriva a terra dopo essere stata riflessa dall'atmosfera, ha una certa percentuale di polarizzazione. Questo fenomeno si può dimostrare facilmente considerando le molecole d'aria come dipoli oscillanti stimolati dalla luce solare.
In particolare la luce che raggiunge un osservatore a terra da un certo punto del cielo è parzialmente polarizzata lungo la direzione ortogonale al piano passante per:
- il Sole
- il punto del cielo in questione
- l'occhio dell'osservatore
Su questo principio si basano gli occhiali da sole a lenti polarizzate.
Analogamente, è possibile individuare una polarizzazione del cielo, in cui si possono evidenziare delle singolarità, due nei pressi del sole e due attorno l'antisole. Le prime sono note come punto di Brewster (superiore) e di Babinet (inferiore), le altre come punto di Arago (superiore) e secondo punto di Brewster (inferiore). La presenza delle singolarità può essere spiegata grazie allo scattering multiplo subito dalla luce solare.
[modifica] Trasmissione del segnale
La polarizzazione viene utilizzata, tra l'altro, per inviare il segnale televisivo: l'utilizzo della polarizzazione permette di utilizzare frequenze molto vicine per canali diversi senza il rischio che si crei interferenza tra di essi, in quanto un apparato sintonizzato per ricevere un'onda con una certa polarizzazione non è in grado di ricevere onde elettromagnetiche a frequenza simile ma con polarizzazione opposta. Questo permette di ottimizzare l'utilizzo dello spettro delle frequenze, aumentando il numero di canali trasmissibili all'interno di una stessa banda.
[modifica] Bibliografia
- (EN) Berry, M. V. et al. "Polarizzazione del cielo", New Jour. of Phys. Novembre 2004
[modifica] Voci correlate
- Antenna (fisica)
- Radiazione elettromagnetica
- Onda piana
- Equazioni di Maxwell
- Ottica
- Parametri di Stokes
- Potere rotatorio
- Scattering
- Lamina quarto d'onda
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