Gafas 3D polarizadas lineales y la forma física de las ondas de luz.

Las ondas de luz se emiten de forma esférica, sin embargo, las ondas electromagnéticas tienen polarización.

Las ecuaciones de Maxwell que satisface el campo electromagnético son

Si$\rho = 0$y$\vec J = \vec 0$como en el vacío, estas ecuaciones se vuelven muy simétricas y uno puede usar la identidad que$\nabla\times(\nabla \times X) = \nabla(\nabla\cdot X) - \nabla^2 X$para desacoplarlos artificialmente, obteniendo las ecuaciones de onda$\nabla^2 E= \ddot E,\; \nabla^2 B = \ddot B.$Cada una de estas ecuaciones tiene una solución muy general; cualquier superposición de campos vectoriales$\vec F(\vec r - c t \hat v)$funciona para cualquier campo$\vec F$y cualquier direccion$\hat v.$

Es útil limitarnos a las ondas planas monocromáticas, de donde encontramos, por ejemplo, que

Ahora, ¿cómo funciona un polarizador? El ejemplo más sencillo es un polarizador de rejilla de alambre, un conjunto de alambres paralelos uno al lado del otro. Si esos cables van a lo largo del$y$-dirección, entonces el$\vec E$El campo se comporta como si acabara de golpear un metal, induciendo corrientes arriba y abajo de los cables. Los metales reflejan ondas electromagnéticas, por lo que la onda electromagnética se refleja en los cables. Pero si los cables van a lo largo del$z$-dirección, entonces el$\vec E$¡El campo no puede mover los electrones muy lejos antes de que se topen con el costado del cable! Por lo tanto, no se crean grandes corrientes y el polarizador no conduce en esa dirección: el$\vec E$el campo pasa a través.

En cuanto al caso general de emisión de luz, vale la pena mirar primero las bonitas imágenes de una antena dipolo y observar la radiación dipolo allí. Luego, puede pensar en la radiación térmica como la luz del Sol tomando este dipolo y promediando todas las orientaciones del dipolo, ya que los electrones térmicos rebotan aleatoriamente en todas las direcciones. Puede hacer esto con impunidad porque las ecuaciones de Maxwell anteriores son lineales y, por lo tanto, la superposición de un montón de soluciones es otra solución.

La diferencia sustancial entre la luz y el sonido es: la luz es una onda transversal y puede polarizarse; La onda de sonido en el gas es una onda longitudinal y no se puede polarizar.

Cualquier radiación electromagnética, y en un caso especial la luz como parte pequeña y visible para nosotros de la radiación EM, está compuesta de fotones. Esto es correcto tanto para el proceso de emisión como para la absorción de radiación EM. Cualquier fotón tiene un componente de campo eléctrico E y uno magnético B , ambos perpendiculares entre sí ya la dirección de propagación v (estrictamente correcta solo para el vacío). Los componentes del campo oscilan durante su propagación. En los siguientes gráficos esto se visualiza mediante la secuencia de las flechas roja y azul:

Por lo general, la fuente emite radiación EM con direcciones distribuidas iguales de los componentes del campo, es decir, el componente del campo eléctrico para todos los fotones se dirige en los 360 ° en cualquier plano perpendicular a la dirección de propagación. Y tienes razón para las bombillas; la luz se distribuirá alrededor de forma esférica. Estrictamente hablando, depende de la geometría de la fuente (como una campana o un altavoz, por ejemplo).

Mientras esta radiación EM no esté modulada, no podrá detectar ninguna característica de onda. La emisión de una varilla de antena es un ejemplo de radiación modulada:

¿Cómo podemos polarizar la radiación EM? Se sabe empíricamente qué tan anchos deben ser los espacios entre los bordes de la cuadrícula para dejar pasar los fotones de las longitudes de onda necesarias. El componente de campo eléctrico del fotón puede interactuar con los bordes de una rejilla. Una rejilla bien diseñada deja pasar aprox. 50% de la luz; todos estos fotones tienen casi la misma dirección de oscilación del componente del campo eléctrico.

Entonces, lo que se visualiza en su diagrama suele ser la oscilación de un componente de campo de la partícula elemental (el fotón) de la radiación EM. De lo contrario, muestra un componente de campo de una radiación modulada (onda de radio).

Al tratar de entender la luz, hay dos componentes a considerar: la amplitud y la polarización, y puedes asignar ambas propiedades a todos los puntos del espacio. Esto es muy difícil de visualizar, por lo que la mayoría de estas imágenes que intentan visualizar la luz están destinadas a ser inexactas. La primera imagen que muestra en su publicación es precisa al mostrar cómo la polarización y la amplitud varían juntas, mientras que su segunda imagen es más precisa al mostrar cómo la luz se propaga desde una fuente.

Una forma más realista de trazar la luz es en algo llamado gráfico de campo vectorial. Estos gráficos usan flechas para mostrar la dirección de la polarización en diferentes puntos en el espacio, mientras usan el color o la longitud de la flecha para representar la intensidad del campo.

Aquí hay una animación de una fuente más realista, llamada radiación dipolar. La polarización no se traza, pero sigue los contornos trazados en gran medida. La fuente produce luz polarizada linealmente, pero la dirección de polarización es algo curva para seguir el contorno de una esfera.

Y aquí hay otra imagen del mismo tipo de radiación, pero la dirección del campo se representa más explícitamente.

Espero que esto les dé una idea de cómo encajan sus dos ideas sobre la luz.