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Sítio do Piropo

B. Piropo

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18/07/2005

< Como funcionam as Telas de cristal líquido >

I – Luz Polarizada

As telas de cristal líquido são possíveis graças à combinação de dois fenômenos e ao desenvolvimento da tecnologia para explorá-los. O primeiro é a luz polarizada. O segundo é a existência de um estado intermediário entre o sólido e o líquido denominado "estado nemático" que certas substâncias podem assumir.

Comecemos discutindo a polarização da luz.

Embora a natureza da luz seja melhor explicada pela moderna física quântica, entende-se melhor o fenômeno da polarização se examinado sob a luz da teoria ondulatória, segundo a qual a luz é uma forma de energia irradiante semelhante ao calor e às ondas de rádio, diferindo apenas no que toca à faixa de comprimentos de onda.

Isso lhe parece complicado? Então esqueça os complicadores. Vamos começar do começo, como convém, e seguir adiante passo a passo.

Primeiro, vamos discutir o que é uma onda. Você conhece as do mar, então vamos começar por elas. Da próxima vez que for à praia, repare nas ondas. Parece que a água do mar se move, onda após onda, na direção da areia, onde as ondas se "quebram".

Notou que eu disse "parece"? É que se você prestar atenção e procurar na superfície do mar por um objeto flutuante como uma bóia distante da praia, verá que o objeto não se move na direção da praia. Ele simplesmente sobe e desce ao sabor das ondas, mas não se desloca com elas. Quem se move são as ondas, não a água.

Como explicar isso? Simples. As ondas do mar são apenas energia que se propaga. Essa energia foi transferida à água pelo vento. A água não se move para a frente, apenas para cima e para baixo, propagando a energia (que acaba se dissipando quando a onda chega à areia; por vezes, quando a onda é grande, essa dissipação de energia é tão grande que pode causar prejuízos enormes, como no caso das grandes ondas provocadas por tornados e ciclones).

Nas ondas do mar a água oscila apenas para cima e para baixo, ou seja, em um mesmo plano. Ondas que se propagam no espaço, como as ondas eletromagnéticas, são capazes de oscilar em todas os planos ao longo de sua linha de propagação (ou seja: para cima, para baixo e para todos os lados).

Para ter uma idéia de uma onda assim, pegue uma corda, dessas que as crianças usam para "pular corda", prenda uma de suas pontas em um lugar qualquer (amarre na maçaneta de uma porta, por exemplo), segure na outra extremidade e gire sua mão em um movimento perfeitamente circular. Repare: a corda começa a girar no ar formando uma onda cujo formato é uma hélice cilíndrica (simplificando: um saca-rolhas) como mostrado na Figura 1.

Onda circular

Figura 1: Onda circular

Se sua mão for suficientemente firme e se você conseguir girá-la em uma circunferência perfeita, o formato da onda descrita pela corda será o mostrado em azul na Figura 1. Quem olhar a onda de lado, verá a corda oscilar apenas na vertical, como a onda mostrada em verde na parede vertical atrás da corda (para ser menos informal: esta curva verde em formato de onda chama-se "senóide" e corresponde à projeção da onda formada pela corda sobre o plano vertical). Se o observador estiver no alto, verá a corda oscilar apenas na horizontal, como a senóide em vermelho no "chão" abaixo da corda. Mas quem olhar exatamente por detrás de sua mão achará que a corda descreve um círculo perfeito, como o mostrado em carmim na parede situada no final da corda. Por isso essa onda chamase "onda circular".

Ondas circulares são raras na natureza. O mais comum são as ondas elípticas, como a mostrada na Figura 2.

Onda elíptica

Figura 2: Onda elíptica

Ainda usando o exemplo da corda, uma onda elíptica se forma quando a mão não consegue se mover em uma circunferência perfeita. As projeções laterais, vertical e horizontal, de uma onda elíptica são as senóides mostradas em verde e vermelho na Figura 2. Repare: ao contrário das senóides formadas pela onda circular, estas são diferentes uma da outra. Mas, embora diferentes, seus "comprimentos de onda", ou seja, a distância que vai do pico de uma ondulação ao pico da próxima, é exatamente igual. Por outro lado, a projeção longitudinal forma a elipse mostrada em carmim no plano do fundo. Por isso ela se denomina onda elíptica.

Segundo a teoria da natureza ondulatória da luz, ela é uma forma de energia que se propaga pelo espaço em ondas elípticas.

Para os puristas: a luz é uma onda eletromagnética que se propaga no espaço sob a forma de um vetor que oscila em diversos planos, formando uma onda elíptica, cujas projeções vertical e horizontal têm a forma de senóides de um determinado comprimento de onda (o comprimento de onda é a distância em que a onda forma uma oscilação completa). É esse comprimento de onda que determina a cor da luz.

Mas, como não somos puristas e gostamos das coisas simples, podemos considerar que a luz é uma forma de energia que se move no espaço como a onda em azul mostrada na Figura 2.

Agora, ainda usando o exemplo da corda, imagine que em vez de oscilar sua mão em círculo ou elipse, você a mova de um lado para outro em uma linha reta, sem curvar. Nesse caso você terá uma onda linear, como a mostrada na Figura 3.

Onda linear

Figura 3: Onda linear

Repare: as projeções no plano horizontal e vertical continuam sendo senóides que, embora diferentes, mantêm o mesmo comprimento de onda. Mas a projeção longitudinal, ao longo da corda, mostrada em carmim na parede do fundo, agora é uma reta, não mais uma circunferência ou uma elipse. E a própria onda formada pela corda, mostrada em azul, também é uma senóide, ou seja, é uma curva plana (que pode ser desenhada em um plano, ou seja, que tem apenas duas dimensões). Essa é a chamada onda linear, ou onda plana. O que a torna diferente das demais é o fato de seu vetor eletromagnético oscilar sempre no mesmo plano.

Pois bem: a luz polarizada é aquela que se propaga através de uma onda plana, ou linear.

Será que podemos polarizar a luz? Como fazer com que uma onda que se propaga oscilando em todos os planos ao longo de sua trajetória passe a oscilar em um único plano?

Há diversas maneiras. Uma, natural, ocorre quando a luz se reflete em uma superfície plana. Se você dirige, talvez já tenha sido ofuscado pela luz do sol que se reflete no vidro traseiro do carro que está à sua frente. Essa luz, que atinge o vidro do carro vibrando em todos os planos (onda elíptica), depois que se reflete no vidro inclinado passa a vibrar apenas no plano horizontal.

Mas há uma forma de polarizar a luz que nos interessa mais por ser justamente a usada nas telas de cristal líquido. É o emprego de um filtro polarizador.

Vamos recorrer ainda mais uma vez ao exemplo da corda para explicar como funciona um filtro polarizador. Imagine que você está movendo sua mão de modo a formar uma onda elíptica mas que, entre você e o ponto onde está amarrada a extremidade oposta da corda, existe uma fenda vertical (por exemplo, formada pelas barras de uma grade) que a corda atravessa, como mostrado na Figura 4.

Filtro polarizador

Figura 4: Filtro polarizador

Repare: devido ao movimento elíptico de sua mão, a onda formada pela corda é elíptica, ou seja, vibra em planos dispostos em todas as direções ao longo da direção da corda. Mas isso só ocorre até a fenda. Pois acontece que a fenda restringe todos os movimentos laterais e só deixa a corda se movimentar na vertical. Resultado: a partir dela, a onda passa a oscilar apenas no plano da fenda, ou seja, no plano vertical. Veja, na Figura 4, que de sua mão até o filtro as projeções da onda formada pela corda (em verde e vermelho, respectivamente nos planos vertical e horizontal) são senóides. Mas, a partir da fenda vertical, apenas a projeção no plano vertical (em verde) se mantém senoidal. A projeção horizontal (em vermelho) é uma reta, indicando que a onda só oscila na vertical. O que fica claro observando a oscilação da corda, mostrada em azul: até a fenda, ela se dá em todos os planos, mas a partir da fenda, apenas no plano vertical(e não muda o comprimento de onda, ou seja, a luz continua da mesma cor, apenas polarizou-se). A fenda funciona como um "filtro polarizador", transformando uma onda elíptica em onda linear, ou plana.

Se aplicada à luz, um filtro polarizador transforma luz comum (que vibra em todos os planos ao longo de sua trajetória) em luz polarizada (que vibra em um único plano).

Há diversos exemplos de filtros polarizadores, mas talvez o mais conhecido seja o usado nos óculos de sol tipo "Polairoid".

Agora, que você já sabe o que é luz polarizada e como funciona um filtro polarizador, pense um pouco: o que acontece quando se usa dois filtros polarizadores em série, um adiante do outro, formando um ângulo reto? Para tornar a pergunta mais clara: o que aconteceria se, atrás do filtro polarizador formado pela fenda vertical mostrado na Figura 4, eu instalasse um segundo filtro, porém com uma fenda horizontal?

Essa resposta é fundamental para entender como funcionam as telas de cristal líquido.

Aguarde a resposta na próxima coluna.