polarizacion laboratorio
- 1. Práctica 6: Polarización Laboratorio de Física D Objetivos Observar el fenómeno de la polarización de la luz, usando polarizadores en fuentes dirigidas para comprender la ley de Malus. Determinar el ángulo de Brewster para una interfaz óptica y comprobar la relación existente entre los rayos refractado y reflejado. Introducción Recordando parte de la teoría de las ondas mecánicas, teníamos que las ondas no son más que perturbaciones en un medio por medio, y según su modo de propagación se clasificaban de dos maneras: Ondas longitudinales: son aquellas que su propagación es paralela a su oscilación. Ondas transversales: son aquellas que su propagación es perpendicular a su oscilación. Al hablar específicamente de las ondas electromagnéticas, estas no son perturbaciones de un medio, sino de un campo eléctrico y magnético perpendiculares entre sí donde no es necesario que exista un medio físico, además de que todas las ondas electromagnéticas, al propagarse perpendicularmente a su modo se oscilación, son ondas transversales. Uno de los fenómenos exclusivos para las ondas transversales es la polarización. Asumamos el ejemplo de una cuerda que esté en equilibrio a lo largo del eje X, las oscilaciones pueden ocurrir a lo largo de la dirección Y, como en la figura 6.1. En este caso, la cuerda siempre queda en el plano XY. Figura 6. 1: Polarización plana en Y Pero los desplazamientos pueden ser a lo largo del eje Z como en la figura 6.2; en tal caso, la cuerda siempre se encuentra en el plano XZ. Figura 6. 2: Polarización plana en Z Cuando una onda sólo tiene desplazamientos en y, se dice que está linealmente polarizada en la dirección Y; una onda con desplazamientos sólo en Z está linealmente polarizada en esa dirección. Para las ondas mecánicas es posible construir un filtro
- 2. Práctica 6: Polarización Laboratorio de Física D polarizador, o polarizador simplemente, que permita que sólo pasen ondas con cierta dirección de polarización. En la figura 6.3, la cuerda puede deslizarse verticalmente en la ranura sin fricción, pero no es posible ningún movimiento horizontal. Este filtro deja pasar ondas polarizadas en la dirección Y, pero bloquea las ondas polarizadas en la dirección Z. Figura 6. 3: Filtro polarizador en Y Este mismo lenguaje se puede aplicar a las ondas electromagnéticas, las cuales también presentan polarización. Siempre se define la dirección de polarización de una onda electromagnética como la dirección del vector de campo eléctrico no del campo magnético, porque muchos detectores comunes de ondas electromagnéticas responden a las fuerzas eléctricas de los electrones en los materiales y no a las fuerzas magnéticas. Así, se dice que la onda electromagnética se encuentra polarizada en el eje Y. Al generar una onda electromagnética, los electrones dentro de un material específico oscilan perturbando el espacio. Las fuentes reales de ondas electromagnéticas, contienen un número enorme de moléculas oscilando en direcciones aleatorias, causando que la onda electromagnética tenga varios planos de oscilación. A esta fuente, se la llama fuente no polarizada o fuente natural. Para crear luz polarizada a partir de luz natural no polarizada se requiere un filtro análogo a la figura 6.3. Los filtros polarizadores para las ondas electromagnéticas tienen diferentes detalles de construcción, dependiendo de la longitud de onda. Para las microondas con longitud de onda de unos cuantos centímetros, un buen polarizador es un arreglo de alambres conductores estrechamente espaciados y paralelos, que estén aislados uno de otro. (Piense en una parrilla para asar carne en la que el anillo metálico exterior se ha sustituido por un anillo aislante.) Los electrones tienen libertad de movimiento a lo largo de la longitud de los alambres conductores y lo harán en respuesta a una onda cuyo campo sea paralelo a los alambres. Las corrientes resultantes en los alambres disipan energía por calentamiento de I2 R; la energía disipada proviene de la onda, por lo que la amplitud de cualquier
- 3. Práctica 6: Polarización Laboratorio de Física D onda que pase a través de la rejilla se reduce considerablemente. Las ondas con orientado en forma perpendicular a los alambres pasan prácticamente intactas, ya que los electrones no se pueden desplazar a través del aire que separa los alambres. Por consiguiente, una onda que pase a través de un filtro de este tipo quedará polarizada sobre todo en la dirección perpendicular a los alambres. El filtro polarizador más común para la luz visible es el material conocido con el nombre comercial de Polaroid. Este material, incorpora sustancias que presentan dicroísmo, la absorción selectiva en la que una de las componentes polarizadas se absorbe con mucha más intensidad que la otra mostrada en la figura 6.4. Figura 6. 4: Filtro polaroid Un filtro Polaroid transmite el 80% o más de la intensidad de una onda que esté polarizada en forma paralela a cierto eje en el material, llamado eje de polarización, pero sólo el 1% o menos de las ondas polarizadas perpendiculares a ese eje. Un filtro polarizador ideal deja pasar el 100% de la luz incidente que esté polarizada en la dirección del eje de polarización del filtro, pero bloquea completamente toda la luz polarizada en forma perpendicular a ese eje. Aunque esto no es posible, supondremos que todos los filtros polarizadores son ideales. En la figura 6.5 la luz no polarizada es incidente sobre un filtro polarizador plano. Figura 6. 5: Polarizador ideal El eje de polarización está representado por la línea azul. Al incidir sobre el polarizador, solo las componentes paralelas a dicho eje pasan a través del polarizador mientras las perpendiculares se anulan. Si se tiene que la luz incidente procedente de una fuente no polarizada tiene una intensidad I0, la intensidad de la
- 4. Práctica 6: Polarización Laboratorio de Física D luz transmitida a través del polarizador ideal es exactamente I0/2. Si en cambio, la fuente de luz tiene alguna dirección de propagación (por ejemplo, después de haber pasado por un primer polarizador como en la figura 6.6), la intensidad de la luz incidente se debe calcular por medio de la ley de Malus. 𝑰 = 𝑰 𝟎 𝒄𝒐𝒔 𝟐 𝝓 Figura 6. 6: Ley de Malus Donde ϕ es el ángulo entre los polarizadores. Utilizando la ley de Malus, podemos deducir que al tener un ángulo ϕ = 0° la intensidad será máxima, y cuando ϕ = 90° la intensidad será nula, tal como se muestra en la figura 6.7. Figura 6. 7: Intensidad usando Ley de Malus Otra forma de obtener luz polarizada es mediante la reflexión. Cuando la luz incide sobre una interfaz óptica de cambio de medio, para la mayoría de los ángulos de incidencia se reflejan en mayor cantidad las componentes paralelas al plano de incidencia. Pero para un ángulo específico θP, llamado ángulo de Brewster, la luz reflejada contiene solamente las componentes perpendiculares al plano de incidencia mientras la luz refractada contiene parte de ambas componentes. Es decir, la luz reflejada estará totalmente polarizada, mientras la refractada parcialmente polarizada, tal como se muestra en la figura 6.8. Una de las características de este fenómeno es que al obtener luz reflejada totalmente polarizada, el ángulo entre el rayo reflejado y el refractado es de 90° Figura 6. 8: Ángulo de Brewster
- 5. Práctica 6: Polarización Laboratorio de Física D Usando la ley de Snell, se puede comprobar que: 𝐭𝐚𝐧 𝜽 𝑷 = 𝒏 𝒃 𝒏 𝒂 Materiales: Fuente de luz Láser Banco óptico Caballetes Disco óptico Semiluna de acrílico Polarizadores Procedimiento Ley de Malus 1. Coloque la fuente de luz frente a una pantalla traslúcida. Coloque un polarizador entre la fuente y la pantalla. Figura 6. 9: Parte 1 - Ley de Malus 2. Mueva el cursor en el polarizador y realice las observaciones pertinentes. 3. Coloque un segundo polarizador (analizador). Deje el primer polarizador fijo con el cursor en 0. 4. Mueva el cursor del analizador hasta encontrar una posición para la cual, en la pantalla no se observe intensidad alguna. Realice las observaciones pertinentes. 5. Deje el cursor del analizador fijo en una posición distinta de cero. Coloque un tercer polarizador, entre el analizador y la pantalla. 6. Coloque el cursor en una posición para cual, no se observe intensidad en la pantalla. Realice las observaciones pertinentes. Ángulo de Brewster 1. Reemplace la fuente de luz por un láser. Quite la pantalla y coloque el disco óptico sobre el banco óptico. 2. Coloque la semiluna sobre el disco óptico, de tal manera que el láser incida en la cara plana de esta. 3. De un ángulo de incidencia diferente de cero. Para este ángulo, coloque un polarizador en el camino del rayo reflejado. Figura 6. 10: Parte 2 – Ley de Brewster 4. Mueva el cursor hasta obtener intensidad nula después del polarizador. Si la intensidad no es nula, cambie el ángulo de incidencia hasta obtener una posición en la cual al mover el cursor del polarizador, se vuelva nula la intensidad.
- 6. Práctica 6: Polarización Laboratorio de Física D 5. Anote dicho ángulo incidente y observe los rayos reflejado y refractado. 6. Calcule el índice de refracción de la semiluna por medio de la expresión de Brewster. 7. Determine el porcentaje de error del índice de refracción de la semiluna, siendo teóricamente 1,44. 8. Determine el ángulo de Brewster teórico con el índice de la semiluna n=1,44, y realice el porcentaje de error. Preguntas de referencia 1. ¿Qué es polarización lineal, polarización circular y polarización elíptica? 2. Deduzca la ecuación de la Ley de Brewster para el ángulo de polarización. 3. ¿Es posible obtener luz totalmente polarizada con un espejo plano? Explique. 4. Explique porque el cielo es azul. 5. Un vendedor afirma que cierto par de anteojos tiene filtros Polaroid; usted sospecha que los vidrios tan sólo son plástico teñido. ¿Cómo podría saberlo con certeza? 6. ¿Tiene sentido hablar acerca de la polarización de una onda longitudinal como las del sonido? ¿Por qué? 7. ¿Cómo se puede determinar la dirección del eje de polarización de un polarizador único? 8. Se ha propuesto que los parabrisas de los automóviles y los faros deberían tener filtros polarizadores con la finalidad de disminuir el resplandor de las luces cuando los vehículos se acercan de frente mientras se maneja de noche. ¿Funcionaría esto? ¿Cómo habría que disponer los ejes de polarización? ¿Qué ventajas tendría esta medida? ¿Qué desventajas? 9. Si usted se sienta en la playa y mira al océano a través de unos anteojos Polaroid, éstos le ayudan a reducir el resplandor de la luz solar que se refleja en el agua. Pero si se recuesta de costado en la playa, es poco lo que se reduce la reverberación. Explique a qué se debe la diferencia. 10. Cuando la luz no polarizada incide en dos polarizadores cruzados, no se transmite luz. Un estudiante afirmó que si se insertaba un tercer polarizador entre los otros dos, habría algo de transmisión. ¿Tiene sentido esto? ¿Cómo podría un tercer filtro incrementar la transmisión?