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Luz polarizada

Contenido del artículo
Introducción
Ondas electromagnéticas polarizadas
Las fuentes naturales de luz
Polarizadores

Introducción

En el artículo sobre ondas electromagnéticas quedó claro que estas se producen por el movimiento acelerado de cargas eléctricas, especialmente cuando las cargas adquieren un movimiento oscilatorio. Allí, además, se puso de manifiesto que las ondas electromagnéticas están compuestas por dos campos, uno eléctrico y otro magnético cuyas magnitudes están acopladas y son  mutuamente perpendiculares en cualquier punto, y a la vez, ambas, son transversales a la dirección de propagación de la onda, de forma que puede representarse como se muestra en la figura 1.

En ella la magnitud E es el valor del campo eléctrico y la B la del campo magnético en cualquier momento. Observe que son mutuamente perpendiculares, y el tiempo, es decir, la dirección de propagación transcurre en el sentido z. Ha sido demostrado en muchas ocasiones que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío es una magnitud constante e igual a la velocidad de la luz. Este hecho hizo pensar a los científicos que la luz era una onda electromagnética mas, y los experimentos posteriores demostraron que efectivamente la luz tenía un comportamiento de onda, obedecía a las leyes de la reflexión, la superposición etc. al igual que cualquier onda.

Aunque la naturaleza de la luz es compleja y está aun en discusión entre los científicos, para el interés de este artículo utilizaremos su comportamiento como onda electromagnética pura.

Una particularidad de las ondas electromagnéticas, tratadas en el artículo referido arriba, es que ellas se propagan en la realidad como ondas planas, es decir tienen un frente de onda recto.

Ondas electromagnéticas polarizadas

Campo eléctrico y magnético
 Figura 1. Posiciones relativas de los campos eléctrico y magnético en una onda electromagnética con respecto a la dirección de propagación. E campo eléctrico y B campo magnético.
Espectro  electromagnético
 Figura 2. Espectro electromagnético.
figura 3

 Figura 3.

 figura 4
 Figura 4.
 figura 5

Figura 5.
 

Para facilitar la comprensión vamos a considerar la forma mas simple de polarización, la polarización lineal. Utilicemos para ello la onda electromagnética representada en la figura 1, que se propaga en la dirección z y tiene un campo eléctrico alineado con un plano en la dirección x. Esta "geometría" de la onda se mantendrá así en todo su trayecto de desplazamiento, es decir, si el campo eléctrico variable de la onda está en un plano que mantiene siempre una alineación definida con respecto a la dirección de propagación, de dice entonces que la onda está polarizada linealmente.

La luz, como onda electromagnética al fin, también puede, de hecho, estar polarizada.

Las fuentes naturales de luz

Las fuentes que no rodean, bombillas incandescentes, sol etc. producen ondas electromagnéticas que pueden ser detectadas por nuestros ojos y que por ello le hemos llamado luz. Estas ondas electromagnéticas, se producen por la intensa vibración de las partículas cargadas dentro de su estructura atómica, vibración que será más rápida o más lenta de acuerdo a la temperatura del cuerpo y que a la vez dará lugar a la frecuencia de la onda electromagnética (mayor a medida que las partículas oscilan mas rápido). 

Al conjunto de las frecuencias de las ondas electromagnéticas se le llama espectro electromagnético, y en la práctica, este espectro se ha dividido en secciones con nombre. Las más bajas corresponden a las ondas de radio (frecuencias a las que se hacen las transmisiones radiales y de televisión), si subimos algo más la frecuencia entonces entramos en la categoría de micro ondas (utilizadas en los hornos del mismo nombre), más alta aun están los rayos infrarrojos (típicos de los controles remotos). Al seguir subiendo caemos en una estrecha zona que es detectable por nuestros ojos, las ondas visibles y más arriba aparecen, en este orden, los rayos ultravioletas, los rayos X y los rayos gamma. La figura 2 da muestra de ello.

Usemos ahora el filamento de una bombilla como ejemplo. Empezamos a suministrarle una corriente eléctrica cuya intensidad podamos manejar. El paso de la electricidad calentará el filamento y con ello hará vibrar intensamente sus cargas eléctricas atómicas internas.

Si empezamos con una corriente muy baja, el calor generado es poco, y aunque no podamos verlas, el filamento está emitiendo ondas electromagnéticas a su alrededor. Las ondas generadas están a frecuencias demasiado bajas como para ser detectadas por nuestros ojos y caemos en las zonas de ondas de radio, micro ondas e infrarrojo. A partir de cierta corriente la temperatura sube lo suficiente como para que comencemos a ver el filamento de color rojizo, la frecuencia de las ondas emitidas ha crecido y ya estamos entrando en la zona visible, pero en sus frecuencias más bajas, que corresponden al color rojo, al seguir calentando podemos hacer que el filamento vaya cambiando de color hasta terminar completamente incandescente emitiendo una luz blanca que resulta de la mezcla de todos los colores.

Si entramos en la intimidad de material del filamento veremos que como todo cuerpo está compuesto por átomos, y que estos átomos están dispuestos en una estructura espacial que permite las oscilaciones atómicas de acuerdo a muchas posibilidades direccionales y de frecuencias, las que pueden ser incluso al azar, nos podremos dar cuenta que el conjunto de las ondas emitidas (luz) es, de hecho, un grupo al azar de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y con sus campos eléctricos orientados en todas direcciones, esta luz no está polarizada, es no polarizada. Lo mismo sucede con la luz del sol, la de una llama etc.

Polarizadores

Vamos ahora a ver como podemos polarizar la emisión de ondas electromagnéticas emitidas no polarizadas desde una fuente.

Polarización por absorción selectiva

Auxiliémonos de un montaje como el de la figura 3, en él hay un emisor (B) de ondas electromagnéticas polarizadas tales como la representada en la figura 1, con una longitud de onda en el orden de 1 cm; y a cierta distancia del emisor un receptor (A) que detecta las ondas.

En el receptor se ha colocado un instrumento indicador que muestra la intensidad de la señal recibida a través de una aguja.

La dirección y magnitud del campo eléctrico se representa con flechas rojas, y es, como puede apreciarse, harmónico (sinusoidal), horizontal y perpendicular a la dirección de propagación de la onda. En el esquema presentado en la figura 3 no hay interferencia alguna en el camino de la onda por lo tanto la aguja del indicador está en su posición máxima.

¿Pero que pasa si interponemos una parrilla, tal como la de un horno de la estufa del hogar? La influencia la podemos ver en las figuras 4 y 5.

Habíamos dicho que la longitud de la onda electromagnética estaba en el orden de 1 cm, lo que es comparable con el diámetro y separación de las varillas en una parrilla estándar de la cocina. Centrémonos en la figura 4, observe que los alambres de la parrilla son paralelos al campo eléctrico, los electrones de los alambres se pueden mover en respuesta al campo eléctrico en la dirección de los alambres. Debido a que se ponen en un movimiento relativamente libre, los electrones absorben grandes cantidades de energía del campo eléctrico, que se pierde en calentamiento del alambre. El campo eléctrico que pasa a través de la parrilla se ve disminuido en magnitud debido a que se extrae energía de la onda. En efecto, cuando los alambres de la parrilla son paralelos al campo eléctrico resulta "opaca" al paso de la onda, la disminuye, le consume la energía.

Si cambiamos de posición la parrilla de forma que sus alambres sean perpendiculares a la dirección del campo eléctrico como puede verse en la figura 5, esta resulta transparente (o casi transparente) al paso de la onda. ¿Porqué?.

En este caso, el campo eléctrico también puede acelerar los electrones, pero estos solo podrán hacerlo en el pequeño espacio constreñido al diámetro del alambre, los electrones no podrán responder a plenitud y no podrán absorber  grandes cantidades de energía, la energía se mantiene alta en la onda y la parrilla resulta transparente a su paso.

Este efecto se usa en los polarizadores, de manera que si interponemos una parrilla de alambre al paso de una onda no polarizada, servirá como un polarizador, los alambres de la parrilla serán sólo transparentes a las ondas cuyos campos eléctricos sean perpendiculares a los alambres, y consumirán en mayor o menor medida, la energía del resto de las ondas en dependencia del ángulo entre el campo eléctrico y la dirección de los alambres. El uso de más de una etapa de polarización terminará por agotar la energía de todas las ondas, excepto la de aquella cuyo campo eléctrico sea perpendicular a los alambres de la parrilla.

No es difícil darse cuenta que si colocamos dos polarizadores de este tipo en el camino de un haz de luz no polarizada, un observador detrás de los polarizadores recibirá un haz luminoso más o menos intenso de acuerdo a la posición angular relativa de los alambres en uno y otro polarizador. Cuando los alambres de uno y otro son paralelos, la luz que pasa por el primero, y que resulta polarizada, podrá seguir su camino a través del otro, pero cuando el segundo se coloca de tal forma que sus alambres sea perpendiculares a los del primero, la luz resultará completamente bloqueada. A otros ángulos se produce un efecto intermedio.

Los polarizadores nos rodean en la vida práctica. Las famosas gafas polarizadas que muchos hemos utilizado, por ejemplo en la playa, se basan en este principio, pero por supuesto, el diámetro y la distancia de los "alambres" dentro del material de los lentes está muy reducido, para que esté en el orden de la longitud de las ondas visibles que es muy pequeña. Otro polarizador que tenemos en casa está en la puerta del horno de microondas, si se fija, verá que hay una malla metálica de pequeños orificios, esta malla es transparente a la luz visible (podemos ver el interior de horno), pero opaca a las microondas del horno que pueden ser perjudiciales a la salud.

Polarización por reflexión

La reflexión es otro método para obtener luz polarizada. Cuando un haz de luz no polarizada se refleja de una superficie, el haz reflejado estará completamente polarizado, parcialmente polarizado, o no polarizado de acuerdo al ángulo de incidencia. Si el ángulo de incidencia es 0º ó 90º (ángulo rasante) el haz reflejado no estará polarizado. Sin embargo, para ángulos de incidencia intermedios, la luz reflejada estará polarizada en cierta extensión y de hecho, para cierto ángulo de incidencia particular el haz reflejado estará completamente polarizado.

figura 6
Figura 6. Haz de luz no polarizada incidente en una superficie.

figura 7
Figura 7. Haz incidente al ángulo de polarización.

La figura 6 muestra a un haz de luz no polarizado que incide en una superficie, el que parcialmente se refleja y parcialmente se refracta. El haz incidente puede ser caracterizado por dos campos eléctricos mutuamente perpendiculares siendo uno de estos campos paralelo a la superficie de incidencia. El campo paralelo a la superficie de incidencia se ha representado en la figura 6 con puntos negros, mientras el otro con flechas violetas que representan el vector campo eléctrico perpendiculares a la dirección de propagación. La experimentación ha demostrado que el campo eléctrico paralelo a la superficie se refleja en mayor medida que el otro componente, de lo que resulta un haz reflejado parcialmente polarizado, note la disminución de la magnitud de las flechas violeta en el haz reflejado. El haz refractado, por lo tanto, también será parcialmente polarizado.

La situación cambia cuando el ángulo de incidencia es tal que el ángulo del haz reflejado está a 90º con respecto al haz refractado (figura 7), en este caso el haz reflejado es completamente polarizado con su campo eléctrico paralelo a la superficie y el haz refractado es parcialmente polarizado. Al ángulo en el cual esto ocurre se le llama ángulo de polarización.

Partiendo de la figura 7 podemos deducir una expresión que vincula el ángulo de polarización (θp) con el índice de refracción (n) de la superficie reflectora. Vea que para el haz incidente al ángulo de polarización es:

θp + 90º + θ2 = 180º     (ecuación 1)

Si despejamos a θ2 tenemos:

θ2 = 90º − θp      (ecuación 2) 

Si ahora usamos la ley de Snell tendremos:

(ecuación 3)

Pero como:

 sen θ2 = sen (90º − θp) = cos θp       (ecuación 4)

La ecuación 3 se puede escribir como:

(ecuación 5)

A la ecuación 5 se le conoce como Ley de Brewster en honor a su descubridor David Brewster. Como el índice de refracción para una sustancia dada cambia con la longitud de onda, el ángulo de polarización dependerá de esta longitud.

La polarización por reflexión la encontramos comúnmente, la luz del sol reflejada en la superficie del agua, en un vidrio o en la nieve está parcialmente polarizada. Cuando la superficie de reflexión es horizontal, los reflejos luminosos tienen un fuerte componente horizontal, y por eso las gafas de sol se construyen con un material polarizado que reduce el brillo de la luz reflejada al tener los ejes de transmisión de los lentes orientados verticalmente para así absorber el componente horizontal de la luz reflejada.

figura 8
Figura 8. Birefracción de la calcita.

Polarización por birefracción

Su usted coloca una pieza de calcita sobre una hoja de papel en el que se ha escrito una palabra, la visión a través del cristal de la hoja de papel muestra una imagen doble de lo escrito y esto se debe a que la calcita, así como otros materiales cristalinos transparentes entre los que se encuentra el cuarzo, se caracterizan por tener dos índices de refracción. Cuando un haz de luz no polarizada entra a alguno de estos cristales se divide en dos haces que viajan a diferentes velocidades dentro del material, en correspondencia con el ángulo de refracción. Ambos haces están polarizados en direcciones mutuamente perpendiculares como puede apreciarse en la figura 8 representados con puntos y flechas.

El fenómeno de la polarización puede ser más complejo que lo descrito hasta aquí para la polarización lineal, puede ser circular, elíptica y de otras formas, pero esto sale del interés del artículo.

Tema relacionado: Pantallas de cristal líquido.



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