Passa o non passa

L'exhibit illustra il fenomeno della polarizzazione.

Le onde elettromagnetiche, e quindi anche la luce, sono onde trasversali, cioè la direzione in cui vibrano il campo elettrico e quello magnetico (che danno origine a queste perturbazioni) sono perpendicolari alla direzione di propagazione. Questo permette di individuare un piano su cui le onde oscillano (in particolare il piano su cui oscilla il campo elettrico) che prende il nome di piano di polarizzazione. L'occhio umano, a differenza di quello delle api, è in grado di rilevare solo cambiamenti di intensità luminosa e di frequenza (colori), ma non percepisce questa informazione delle onde elettromagnetiche.

La luce naturale in generale non è polarizzata, nel senso che il piano di polarizzazione può essere orientato in qualsiasi direzione e può anche variare da punto a punto dello spazio. Se però si utilizza uno speciale filtro è possibile selezionare solo quella parte di luce che oscilla su un determinato piano. Usando un'analogia, si può immaginare che questi filtri siano fatti come le inferriate dei cancelli con tante sbarre orientate nella stessa direzione; solo la luce che oscilla parallela alle sbarre può passare, il resto viene bloccato. I filtri polarizzatori sono utilizzati, ad esempio, negli occhiali da sole per chi pesca o scia e permettono non solo di diminuire l'intensità luminosa, ma anche di selezionarla, eliminando i fastidiosi riflessi sull'acqua o sulla neve (che sono sempre polarizzati lungo un certo piano).

La polarizzazione è un fenomeno su cui si basano vari strumenti e tecniche. Ad esempio i vetri con delle imperfezioni nel processo di cottura, utilizzati nei parabrezza delle automobili o le lenti per i telescopi, sviluppano degli stress interni che possono essere messi in evidenza analizzando lo stato di polarizzazione della luce che li attraversa. Analogamente si possono evidenziare i punti di tensione di oggetti fotoelastici sottoposti a stress, come una forchetta di plastica piegata forzatamente in un punto ,oppure fare bellissimi mosaici colorati con il nastro adesivo (oggetto posto in tensione per definizione) attaccato a una lastra di plexiglass e osservato fra due filtri polaroid. I colori che si vedono sono il risultato delle differenze nella velocità con cui la luce polarizzata viaggia attraverso il nastro adesivo. Lo stress meccanico, infatti, deforma un oggetto in direzioni specifiche. Se l'oggetto è trasparente, la deformazione fa sì che la luce si comporti in modo diverso al suo interno in funzione della direzione (si dice che l'oggetto è otticamente anisotropo) e, in particolare, viaggi a velocità diverse. Quando la luce polarizzata attraversa il nastro adesivo, il suo piano di oscillazione non è probabilmente allineato con i polimeri del nastro stesso (che sono a loro volta allungati lungo la sua lunghezza). La luce si divide quindi in due componenti, una allineata ai polimeri e l'altra perpendicolare, che iniziano a viaggiare con velocità diverse all'interno del materiale sfansandosi progressivamente. All'uscita del nastro adesivo le due componenti si ricombinano formando un'onda con un piano di oscillazione diverso da quella entrante. Più è spesso lo strato di nastro adesivo, maggiore è lo sfasamento e quindi maggiore sarà la differenza tra i piani di polarizzazione in ingresso e in uscita. Se, per esempio, le due onde componenti si ricombinano dopo che una delle due si è sfasata di metà lunghezza d'onda rispetto all'altra, il piano di polarizzazione uscente risulta ruotato di 90° rispetto a quello entrante. La luce bianca è formata da onde a diversa lunghezza d'onda, ciascuna delle quali viaggia a velocità diverse all'interno dei materiali. Per tale motivo, a parità di spessore del nastro adesivo, ciascun colore ha un piano di polarizzazione diverso all'uscita del materiale. Il filtro polarizzato in uscita, infine, trasmette colori diversi a diversi angoli.

Il comune monitor LCD dei computer o dei moderni televisori basa il suo funzionamento sulle proprietà dei cristalli liquidi e sulla polarizzazione.

La maggior parte dei cristalli liquidi è costituita da molecole allungate che, normalmente, si dispongono con l’asse maggiore parallelo a quelle delle molecole a loro prossime. E’ possibile controllare l’allineamento delle molecole se il cristallo liquido è posto su una superficie finemente corrugata: se le corrugazioni sono parallele anche le molecole si dispongono parallele l’une alle altre. Un LCD consiste in uno strato di cristalli liquidi compreso fra due superfici finemente corrugate in modo che le corrugazioni di una superficie siano perpendicolari a quelle dell’altra. Se le molecole prossime ad una superficie hanno direzione nord-sud, quelle prossime all’altra superficie hanno direzione est-ovest, quelle intermedie sono ruotate nella direzione intermedia. Queste superifici sono dotate, inoltre, di numerosi contatti elettrici che comandano i pixel, ovvero piccole porzioni del pannello. All'esterno di entrambe è posto un filtro polarizzatore in modo che in totale ce ne siano due e che siano perpendicolari fra loro.

Ecco come funziona. Prima che il campo elettrico venga applicato, la luce che passa attraverso il dispositivo passa attraverso il primo polarizzatore e il suo piano di oscillazione viene uniformato. Successivamente, attraversa lo strato di cristalli liquidi e ruota il proprio piano di 90° seguendo l’orientamento delle molecole. Infine riesce a passare indisturbata dal secondo polarizzatore. Quando il campo elettrico viene attivato le molecole dei cristalli liquidi si allineano parallelamente ad esso, limitando la luce entrante. Se i cristalli sono completamente allineati col campo, la luce che vi passa attraverso è polarizzata perpendicolarmente al secondo polarizzatore e viene quindi bloccata del tutto facendo apparire il pixel non illuminato. Controllando la rotazione dei cristalli liquidi in ogni pixel, si può dunque regolare la quantità di luce che può passare. In pratica, è un meccanismo molto ingegnoso per effettuare una selezione (o modulazione) finissima della luce che esce dal monitor e, di conseguenza, per ottenere dettagli definiti, anche molto piccoli, delle immagini sullo schermo.

Allo schermo LCD del museo è stato tolto il secondo filtro polarizzatore, quello più esterno. Di conseguenza tutta la luce passa e lo schermo ci appare bianco. Basta, però, inforcare gli occhiali polarizzati per ristabilire il funzionamento del monitor e vedere perfettamente le immagini sullo schermo.

 

A polarizing filter has been removed from the screen. This filter usually lets light waves pass only if they oscillate in a certain direction. Thus, you see all the light emitted which gives you the white screen. The filter is mounted on the pair of glasses.

 

 

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