Plastiques entre deux polariseurs croisés

Plastiques entre deux polariseurs croisés
Par , le (édité le 08/01/2017)

Ce qu'il te faut

  • Emballages plastiques transparents
  • Un écran LCD (téléviseur ou ordinateur)
  • Un filtre polariseur
  • Scotch translucide
  • Une plaque de verre (lame de microscope par exemple)
  • Ciseaux

Introduction

Cette expérience montre comment créer des motifs colorés à partir d'emballages plastiques transparents. En utilisant du scotch, crée une œuvre d'art colorée basée sur les propriétés de polarisation de la lumière et de biréfringence du scotch.

Autre emballage entre deux polariseurs croisés (2)
Emballage d'une boite de chocolats entre deux polariseurs croisés

À propos du matériel

Emballages plastiques

Les expériences utilisent des emballages plastiques transparents. La quasi totalité des emballages en PET (bouteilles plastique, emballages de cartouches d'encre, de paquets de stylos...) et en polystyrène PS (boites de CD...) devraient convenir.

Emballages plastique
Emballages plastique utilisés dans cette expérience: boite de chocolats en polystyrène (gauche et milieu) et emballage d'un thermomètre électronique en PET (droite).

Filtre polariseur

L'expérience utilise un filtre polariseur linéaire (ou Polaroid). C'est un filtre couramment utilisé en photographie pour réduire les réflexions de la lumière sur des surfaces. Les verres de certaines lunettes de soleil sont également polarisés dans le même but et peuvent convenir ici.

Certaines lunettes 3D sont faites de deux filtres polariseurs linéaires, mais attention: d'autres ont des polariseurs circulaires qui ne conviennent pas pour cette expérience.

Si tu veux faire l'expérience à une grande échelle, tu peux trouver dans des magasins en ligne des feuilles polarisantes. Ces feuilles ressemblent à un transparent A4 gris et peuvent être découpées avec des ciseaux.


Scotch

Si le scotch ne donne pas les couleurs vives des photos ci-dessous, essaie une autre marque de scotch.


Expériences

Observation des emballages plastique entre deux polariseurs croisés

  • Affiche sur l'écran LCD un fond blanc.

  • Les polariseurs (l'un intégré à l'écran, et l'autre étant le filtre que tu t'es procuré) doivent être placés en configuration croisée, c'est-à-dire que si l'écran crée une lumière polarisée verticalement, le polariseur doit être placé horizontalement. Pour cela:

    • Tourne le polariseur devant l'écran. Selon l'angle, la lumière de l'écran passe à travers le polariseur, ou est au contraire bloquée, comme montré sur la figure ci-dessous.

    • Les polariseurs sont croisés lorsqu'aucune lumière ne traverse le filtre. Maintiens le filtre dans cette position.

Polariseurs parallèles et croisés
Polariseurs en configuration parallèle (photo de gauche) et croisée (droite). Le premier polariseur est intégré à l'écran, et le deuxième est le filtre.
  • Une fois les polariseurs croisés, place entre l'écran et le filtre un des emballages plastique. De la lumière traverse alors à nouveau le filtre et montre l'emballage avec des couleurs de l'arc-en-ciel.

  • Tourne l'emballage: Les couleurs changent!

Emballage de thermomètre entre deux polariseurs croisés
Emballage de thermomètre entre deux polariseurs croisés
Autre emballage entre deux polariseurs croisés
Emballage d'une boite de chocolats entre deux polariseurs croisés
Effet de la rotation sur les couleurs dans le cas du couvercle en plastique de la photo en haut de cette page.

Assemblage de scotch

  • Découpe des morceaux de scotch et colle-les sur la plaque de verre, avec différents angles et en superposant les morceaux à certains endroits.

Assemblage de scotch
Assemblage de scotch
  • Observe ce montage entre l'écran LCD et le polariseur comme précédemment. Différentes couleurs devraient apparaitre. La couleur à un endroit de l'objet que tu viens de construire dépend du nombre de couches de scotch à cet endroit, et de l'orientation de chaque couche.

  • Tourne l'assemblage de scotch. Les couleurs changent.

Assemblage de scotch entre deux polariseurs croisés
Assemblage de scotch entre deux polariseurs croisés.
Assemblage de scotch entre deux polariseurs croisés (détail)
Détail des trois photos ci-dessus. Les trois images montrent la même portion de l'assemblage de scotch à partir des photos précédentes. Les détails ont été tournés de manière à montrer les lanières de scotch dans la même direction d'une image à l'autre. Cette figure montre la complexité des changements de couleurs qui ont lieu en tournant l'échantillon de scotch.
Les couleurs changent en tournant l'assemblage de scotch.

Astuce

Si tu veux prendre des photos comme celles sur cette page, tu peux fixer le filtre polariseur directement sur l'objectif de l'appareil photo.


Explication: Les matériaux biréfringeants affectent la polarisation de la lumière qui les traverse

Les matériaux plastiques utilisés ici sont anisotropes, c'est-à-dire qu'ils ont des propriétés physiques différentes en fonction de leur orientation. En particulier, les propriétés optiques dépendent de la direction dans laquelle ils sont éclairés. Ces plastiques sont dits biréfringeants.

Les couleurs obtenues dépendent de la différence de vitesse de propagation de deux composantes de la lumière lorsqu'elle traverse le plastique. Dans le cas du scotch, les molécules du plastique sont longues (c'est un polymère) et étirées dans le sens du ruban en raison de la façon dont le scotch est fabriqué. Lorsque le scotch est éclairé avec une lumière polarisée, la composante de la lumière ayant une polarisation parallèle avec les molécules se propage plus lentement que la composante perpendiculaire. Les deux composantes, dont les ondes étaient en phase à l'entrée de la couche plastique vont avoir une phase différente à la sortie. En se recombinant à la sortie, les deux composantes donnent une lumière dont la polarisation peut être différente de celle à l'entrée. Or, comme les polariseurs sont croisés, avoir une polarisation à la sortie différente de celle à l'entrée signifie que la lumière qui sort du plastique aura une polarisation telle qu'une partie de la lumière pourra traverser le polariseur. Ainsi, alors qu'aucune lumière ne passe le deuxième polariseur lorsque les deux polariseurs sont croisés, ajouter un élément en plastique biréfringeant entre les deux altère la polarisation et une partie de la lumière pourra alors passer au travers du filtre.

La différence de phase obtenue entre les deux composantes est proportionnelle à l'épaisseur de plastique traversé, et dépend aussi de la longueur d'onde de la lumière (la longueur d'une "vague" de l'onde). Une lumière d'une longueur d'onde unique a une couleur de l'arc-en-ciel qui dépend de la longueur d'onde. La lumière blanche utilisée ici est cependant un mélange de nombreuses longueurs d'ondes. Comme celles-ci donnent des différences de phase différentes entre les composantes parallèle et perpendiculaire aux molécules du scotch, leur polarisation résultante va dépendre de la longueur d'onde. En observant le matériau à travers le filtre polariseur, certaines longueurs d'ondes vont alors être plus absorbées que d'autres, ce qui donne une lumière résultante colorée et non plus blanche.


Conclusion

Des filtres polarisants permettent de mettre en évidence des propriétés cachées de certains matériaux comme leur biréfringeance. Dans le cas des plastiques, la biréfringeance vient de l'étirement des molécules du matériau dans une direction particulière. En plus de changer les propriétés optiques, l'étirement donne aussi lieu a des contraintes dans le matériau, et une application de cette expérience est donc de visualiser des contraintes mécaniques dans les plastiques.

Pour en savoir plus sur la polarisation de la lumière, regarde cette page.