Ley de Snell: ángulo límite, reflexión total y refracción atmosférica

Resumen

El texto amplía la ley de Snell con dos conclusiones sobre el acercamiento o alejamiento de la normal según los índices de refracción de los medios. Explica el ángulo límite y la reflexión interna total, y analiza la refracción en la atmósfera terrestre, que hace que los astros parezcan más altos y produce espejismos en días de calor.

Puntos clave

Si la luz pasa a un medio de mayor índice de refracción, se acerca a la normal; si pasa a uno de menor índice, se aleja de la normal.
El ángulo límite es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción vale 90°.
Si la luz incide desde el medio de mayor índice con un ángulo mayor que el límite, se produce la reflexión interna total.
La refracción en las capas de la atmósfera hace que los astros parezcan estar a mayor altura sobre el horizonte que su posición real.
Las estrellas no se ven en sus posiciones verdaderas, salvo en el cenit.
El espejismo se debe a la disminución de densidad e índice de refracción del aire caliente cerca del suelo, combinada con la reflexión total.

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Ley de Snell: conclusiones y aplicaciones

Conclusiones derivadas de la ley de Snell

De la ley de Snell pueden deducirse, además, las siguientes conclusiones de importancia:

Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de menor índice de refracción absoluto a otro de mayor índice de refracción absoluto, se refracta acercándose a la normal.
Si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor índice de refracción absoluto a otro de menor índice de refracción absoluto, se refracta alejándose de la normal.

Ángulo límite

Como se dijo anteriormente, si un rayo luminoso pasa oblicuamente de un medio de mayor índice de refracción absoluto a otro de menor índice de refracción absoluto, se refracta alejándose de la normal. De este modo, a medida que el ángulo de incidencia se va haciendo más grande, el ángulo de refracción puede llegar a crecer tanto que el rayo refractado emerja por la superficie de separación con un valor de 90°.

Por lo tanto, el ángulo límite es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción vale 90°. Si el segundo medio es el aire o el vacío, el ángulo límite es característico de la sustancia y se llama ángulo límite de la sustancia.

Si la luz incide en la superficie de separación de dos medios desde el medio de mayor índice de refracción con un ángulo mayor que el ángulo límite, el fenómeno que se presenta se conoce con el nombre de reflexión interna total.

Refracción en la atmósfera terrestre

De especial importancia, como ejemplo de refracción, es la marcha de la luz proveniente de los astros a través de las numerosas capas de aire, de densidades crecientes y de índices de refracción también crecientes, que constituyen la atmósfera terrestre y que aquella debe atravesar.

Un rayo de luz que penetre en la atmósfera oblicuamente experimenta sucesivas refracciones al atravesar cada una de estas capas de distinto índice de refracción absoluto, acercándose a la normal. Un observador verá el astro en la dirección del último rayo refractado y es por esto que el astro parece encontrarse a una altura mayor sobre el horizonte que la que tiene realmente.

Debido a esto, por ejemplo, las estrellas no se ven en sus posiciones verdaderas, a menos que se hallen en el cenit, es decir, verticalmente sobre el observador. El mismo fenómeno explica también el hecho de que se pueda ver el disco solar o la Luna aún cuando el astro se encuentre un poco más abajo del horizonte geométrico.

Un fenómeno terrestre, producido por la refracción en la atmósfera y la reflexión total, es el espejismo, el cual es frecuente en los desiertos y caminos en días de intenso calor. El calentamiento de las capas de aire en contacto con la tierra trae consigo una disminución de la densidad e índice de refracción de estas capas, de modo que las más bajas resultan ahora menos densas y poseen un menor índice de refracción absoluto que las superiores.

Esto explica las capas de agua que se aprecian a la distancia en un camino durante los días calurosos; pero en realidad lo que se ve no es sino una parte del cielo azul reflejado.

Preguntas frecuentes

¿Qué es el ángulo límite?

Es el ángulo de incidencia para el cual el ángulo de refracción vale 90°. Si el segundo medio es el aire o el vacío, es característico de la sustancia.

¿Qué ocurre cuando el ángulo de incidencia supera el ángulo límite?

Se presenta el fenómeno de reflexión interna total, en el que la luz no pasa al segundo medio. Solo ocurre cuando la luz procede del medio de mayor índice de refracción.

¿Por qué parece que el Sol o la Luna están más altos de lo que están?

La luz de los astros se refracta sucesivamente al atravesar las capas de aire de la atmósfera, de índice de refracción creciente. El observador ve el astro en la dirección del último rayo refractado.

¿Por qué aparecen charcos falsos en las carreteras en días calurosos?

El aire en contacto con el suelo se calienta y tiene menor densidad e índice de refracción. Así se produce refracción y reflexión total, y lo que se ve es una parte del cielo reflejado.