Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, como cuando sale de un estanque de agua o cuando pasa a través de sus anteojos, es posible que haya notado que se dobla. Esto se llama refracción y ocurre en diferentes ángulos según la luz incidente y el material. También es la forma en que los ojos pueden ver y transmitir imágenes al cerebro.
Refracción de la luz
La refracción es la curvatura de los rayos de luz a medida que pasan de un medio a un segundo medio. Es el resultado del hecho de que la luz viaja a velocidades ligeramente diferentes en diferentes medios. La cantidad de refracción de un rayo de luz dependerá de cuán diferente sea su velocidad en el segundo medio de la primera. Cuanto mayor sea la diferencia de velocidades, mayor será el ángulo de refracción.
Puedes pensar en esto usando el principio del mínimo tiempo. Imagínese un salvavidas tratando de alcanzar a un nadador, lejos de la orilla y en el agua, en el menor tiempo posible. Sabe que puede correr mucho más rápido que nadar. Tratar de llegar al nadador viajando en línea recta sería ineficaz debido a su baja velocidad de natación en relación con su velocidad de carrera; en cambio, corre por la playa hasta que está casi enfrente del nadador y luego salta al agua.
La distancia que recorre es más larga, pero el tiempo de viaje es más corto debido a sus diferentes velocidades en diferentes medios. Esto es lo que hace la luz cuando se refracta.
Las ondas de agua también pueden refractarse cuando viajan entre áreas de diferentes profundidades, porque las olas viajarán a diferentes velocidades dependiendo de si se encuentran en aguas poco profundas o profundas.
Índice de refracción
El índice de refracción para un medio dado es un número sin unidades.nortedónden = c / v, dóndeCes la velocidad de la luz en el vacío yves la velocidad de la luz en el medio. Cuanto más lento viaja la luz en un medio, mayor será el índice de refracción de ese medio. La velocidad de una onda de luz en un medio dependerá de su longitud de onda y, por tanto, también lo hará el índice de refracción.
Esto conduce a un fenómeno llamadodispersión, que se puede ver en prismas de luz: cuando la luz blanca, que contiene ondas de luz de diferentes longitudes de onda, entra en un prisma, cada onda de luz componente se refracta en un ángulo diferente dependiendo de su longitud de onda. Esto crea la apariencia de un arco iris.
El índice de refracción en el aire depende de muchos factores, como la presión y la temperatura. Las "ondas" que se ven que emanan de objetos calientes como el pavimento en el verano ocurren porque la luz se refracta de manera diferente a través del aire más caliente que el aire más frío, lo que provoca imágenes distorsionadas.
Además, el aire cerca de una carretera calurosa en verano puede reflejar la luz que llega hacia un observador. en un ángulo poco profundo, lo que hace que parezca como si hubiera un espejo o una superficie de agua reflectante en el camino.
La ley de Snell
La ley de Snell relaciona los índices de refracción de dos medios, así como el ángulo de incidenciaθIal ángulo de refracciónθr, a cómo la luz se dobla al pasar de un medio a otro.
n_i \ sin (\ theta_i) = n_r \ sin (\ theta_r)
Esta ecuación puede predecir el ángulo de refracción de la luz en un medio dado, si se conocen los índices de refracción de ambos medios y el ángulo de incidencia. Es cierto en cualquier situación que involucre la refracción de la luz, con dos medios cualesquiera.
Reflexión interna total
Si las ondas de luz pasan de un medio con un índice de refracción alto a un medio con un índice de refracción más bajo, hay un ángulo crítico por encima del cual la luz se dobla lo suficiente como para que ninguna se mueva hacia el otro medio. A esto se le llama reflexión interna total.
El ángulo crítico es el ángulo de incidencia para el cual el rayo saliente tiene un ángulo de refracción de 90 grados. Entonces
\ theta_i = \ sin ^ {- 1} \ frac {n_i} {n_r}
En ángulos por encima del ángulo crítico, toda la luz sufre una reflexión interna total.
La reflexión interna total explica por qué, desde cierto ángulo, la superficie de agua / aire en una pecera cuando se observa desde abajo se verá como un espejo perfecto. El aire tiene un índice de refracción mucho más bajo que el agua, por lo que las ondas de luz en un ángulo poco profundo con respecto al La superficie desde abajo se reflejará en la superficie en lugar de refractarse a través de ella, creando una espejo.
La reflexión interna total también puede ocurrir en ondas de agua y ondas de sonido.
Lentes
La refracción de la luz en un medio puede cambiar cuando la superficie entre medios es curva. De hecho, la luz que proviene de la misma dirección se refractará en diferentes ángulos dependiendo de dónde incida en la superficie curva.
Las lentes son piezas de material transparente con lados curvos que utilizan la refracción para afectar la trayectoria de la luz. Una lente convergente es más gruesa en el medio, lo que permite que los rayos de luz que ingresan desde un lado de la lente converjan hacia un punto focal en el otro lado. Esto es lo que usan las lupas y algunos telescopios.
Una lente cóncava es más delgada en el medio que en los bordes, y los rayos de luz que entran por un lado se refractan hacia afuera y se separan a medida que emergen por el otro lado.
Ambos tipos de lentes se utilizan en la visión correctiva, ya sea en anteojos o lentes de contacto, según cuál sea el problema en el ojo.
Ejemplos de
Nuestros ojos interpretan la luz mediante refracción. La luz entra en la córnea y luego en el cristalino, refractando en un punto preciso en la retina. Luego, la imagen se transmite al cerebro a través del nervio óptico. Los ojos llorosos provocan visión borrosa debido a las propiedades refractivas de las lágrimas.
Todo lo que contenga fibras ópticas se basa en una reflexión interna total. Las fibras tienen un alto índice de refracción y están rodeadas de material con un índice de refracción muy bajo. A medida que la luz viaja a través de la fibra, su ángulo con el exterior de la fibra es lo suficientemente bajo como para evitar que se escape. Esto permite que la fibra lleve luz muy enfocada a gran distancia. La fibra óptica se utiliza principalmente en servicios de telefonía e Internet.
Los arco iris son causados por la refracción y el reflejo de la luz solar en las gotas de agua en el aire. Esto puede suceder después de tormentas o en condiciones de niebla, pero también cerca de cascadas y fuentes. Como se mencionó anteriormente, las diferentes longitudes de onda (colores) de la luz tienen índices de refracción ligeramente diferentes para un material dado, lo que los hace refractar en diferentes ángulos. Luego, un observador ve un arco iris de colores, en orden de longitud de onda.
La refracción es la razón por la que el agua en un estanque parece menos profunda de lo que realmente es. Tan pronto como la luz del aire entra en el agua, se dobla en un ángulo menos profundo con respecto a la superficie debido a la refracción. Para un observador en el lado "aire" de la superficie, parece como si todo debajo de la superficie fuera menos profundo, porque la luz se dobla en ángulos menos profundos.
El ángulo crítico también influye en la forma en que se cortan las piedras preciosas. Una piedra preciosa se puede cortar de modo que la luz que entra sufra un reflejo interno total cuando golpea las facetas traseras, emergiendo de nuevo por el frente de la piedra para que parezca más brillante. El diamante, con un alto índice de refracción, es particularmente ideal para esto, lo que lo convierte en una piedra preciosa popular.
