Fenómenos Ondulatorios: Reflexión, Refracción y Polarización de la Luz

Fenómenos Ondulatorios Fundamentales

La Reflexión

La reflexión se produce cuando una onda llega a la superficie de separación entre dos medios y, como no puede propagarse en el segundo, rebota cambiando de dirección.

Leyes de la Reflexión:

• El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie están en un mismo plano.
• Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales: $i = r$.

Explicación de Huygens:

Cuando una onda llega a una superficie de separación entre dos medios, los puntos de dicha superficie se convierten en focos emisores. Si la onda no puede propagarse en el segundo medio, rebota.

La Refracción

La refracción tiene lugar cuando una onda que se propaga en un medio pasa a otro, cambiando de dirección y de velocidad de propagación.

Índice de Refracción

Se define el índice de refracción del medio, $n$, como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío, $c$, y la velocidad de la luz en el medio, $v$:

$$n = \frac{c}{v}$$

Leyes de la Refracción

• El rayo incidente, el refractado y la normal están en un mismo plano.
• La relación entre el ángulo de incidencia ($i$) y el de refracción ($r'$) viene dada por la siguiente expresión (Ley de Snell):

$$n_1 \sin(i) = n_2 \sin(r')$$

Ángulo Límite y Reflexión Total

Si un rayo de luz pasa de un medio a otro en el que se propaga con mayor velocidad (es decir, $n_1 > n_2$), el rayo refractado se aleja de la normal. Al crecer el ángulo de incidencia, también crece el de refracción.

El ángulo límite ($\theta_c$) es un ángulo de incidencia que presenta un ángulo de refracción de $90^{\circ}$. A partir de él, la onda no pasa al otro medio, sino que se refleja en la superficie de separación, produciéndose la reflexión interna total.

Polarización

La reflexión, refracción y difracción son características de todos los movimientos ondulatorios; en cambio, solo pueden presentar polarización las ondas transversales.

Ondas Polarizadas vs. No Polarizadas

• Cuando la onda transversal se propaga vibrando en todas las posibles direcciones de vibración, se dice que la onda transversal no está polarizada.
• Si por algún mecanismo se consigue seleccionar una sola dirección de vibración de todas las posibles, decimos que la onda transversal está polarizada, es decir, vibra en un único plano perpendicular a la dirección de propagación.

Polarización en Ondas Longitudinales

Una onda longitudinal no se puede polarizar porque ya lo está, ya que solo vibra en una única dirección, la dirección de propagación. Por tanto, el sonido no se puede polarizar puesto que ya lo es al ser una onda longitudinal.

Importancia en la Luz

El fenómeno de la polarización tiene especial importancia en las ondas electromagnéticas. De hecho, la polarización de la luz sirvió para demostrar que se trata de ondas transversales, es decir, las oscilaciones de los campos eléctrico y magnético son perpendiculares a la dirección de propagación.

La luz natural no está polarizada; los campos eléctrico y magnético vibran aleatoriamente en todas las direcciones permitidas, pero existen diversos mecanismos para polarizar la luz.

Difracción

La difracción de la luz tiene lugar cuando en la propagación de las ondas luminosas se interpone un obstáculo, por ejemplo, un orificio o una rendija, de tamaño comparable a la longitud de onda que se propaga. Entonces el orificio se convierte en un nuevo foco emisor de ondas según el principio de Huygens, consiguiendo bordear el obstáculo y propagarse detrás de él en un nuevo frente de ondas.

Esto nos permite percibir la luz de un foco luminoso aunque no lo podamos ver directamente.

Propagación y Pérdida de Energía

Atenuación de una Onda

La atenuación de una onda es el fenómeno por el cual la intensidad de la onda disminuye a medida que se propaga por un medio.

Esto es así porque la energía propagada se distribuye a un número mayor de partículas a medida que avanza el frente de ondas y su radio va aumentando (misma energía a repartir entre más partículas). Así, cada partícula recibe menos energía y la intensidad va disminuyendo. La amplitud de la perturbación también disminuye a medida que nos alejamos del foco.

Avanza la onda y la energía se reparte entre más partículas, por lo que la amplitud disminuye; la onda sufre atenuación.

Si existen pérdidas de energía por rozamiento, la onda sufre amortiguación y acaba por desaparecer.

Diferencia con Absorción

Este fenómeno es diferente del de absorción. La absorción es un fenómeno por el cual la intensidad de la onda disminuye al atravesar un medio, debido a los efectos disipativos provocados por los rozamientos entre las partículas de ese medio, que van reduciendo la energía transportada por la onda y, en consecuencia, su intensidad.