REFRACCIÓN DE LA LUZ

Refracción

La refracción es el cambio de dirección que como experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. 

Ley de Snell

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano.

n1 sen i = n2 sen r

n1 = índice de refracción del medio del que procede.

i = ángulo de incidencia

n2 = índice de refracción del medio en el que se refracta.

r = ángulo de refracción

En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección.

Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está en realidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado desde encima del agua, como se muestra en la figura 3 (sólo se representan rayos oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad). El rayo DB procedente del punto D del objeto se desvía alejándose de la normal, hacia el punto A. Por ello, el objeto parece situado en C, donde la línea ABC intersecta una línea perpendicular a la superficie del agua y que pasa por D.

En la figura 4 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado

Ángulo crítico

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90°. Con la normal, por lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 6 muestran la refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.

La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos.

Si bien os rayos de luz se propagan en línea recta, sobre la base del fenómeno de reflexión total se han logrado construir finísimas fibras de cristal capaces de transmitir la luz por rutas curvas y muy sinuosas: las fibras ópticas. La trayectoria que sigue el rayo en el interior de la fibra es la que se muestra en la figura.

ESPEJISMOS EN UN CÁLIDO DESIERTO

El aire, como cualquier medio transparente, refracta la luz. El grado de desviación que sufre la luz en el aire depende de la densidad de éste, la que, a su vez, depende de la temperatura.

En los climas cálidos, la tierra se calienta durante el día y calienta el aire que está sobre ella, lo que lo hace menos denso. En consecuencia, es más factible que se produzca el fenómeno de reflexión total, ya que las capas de aire que están a diferentes temperaturas actúan como si fueran medios distintos.

Si observas con detenimiento la figura, verás que un rayo de luz proveniente (por reflexión) de la palmera, sufre reflexión total, ya que pasa de un medio más refractante (aire frío) a otro menos refractante (aire caliente). En consecuencia, el beduino puede ver la palmera y su imagen invertida

DESCOMPOSICIÓN DE LA LUZ BLANCA

PRISMA ÓPTICO

Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto transparente con superficies planas y pulidas no paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro. En la figura 5, el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente y la trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede demostrarse que cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma.

Descomposición de la luz blanca.

En la figura 5, se observa la descomposición de la luz blanca según el fenómeno de refracción y de dispersión. Al hacer pasar un haz de luz solar sobre el prisma se obtiene el espectro solar! es decir la desviación de la luz de acuerdo a su longitud de onda obteniéndose siete colores simples según la desviación en: rojo, anaranjado, amarillo, verde .azul, añil. violeta: