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Reflexiónyrefraccióndelaluzenagua
Muchos fenómenos ópticos aparecen con frecuencia en la vida diaria, como la reflexión y la refracción que son dos procesos conocidos por todos. La reflexión es lo que vemos cuando nos observamos en un espejo o un metal pulido, mientras que la refracción es lo que observamos cuando miramos un lápiz que está mitad sumergido dentro de un vaso con agua. Sin embargo estos fenómenos pueden ser bastante sorprendentes cuando nos planteamos los límites de sus definiciones. En el primer caso (reflexión), es bastante intuitivo ver que es el mismo ángulo aquél con el que incide la luz que aquél con el que ésta sale (para comprobarlo, puede utilizarse un puntero láser y un espejo). El segundo caso (refracción) está regido por una ley, la llamada ley de Snell, que es la que describe cuánto cambia de dirección la luz al pasar de un medio a otro (el lápiz dentro del vaso parece roto: no coincide el lápiz fuera del agua con el lápiz dentro). Para entender este efecto necesitamos un concepto más: el índice de refracción. El índice de refracción de un medio material puede definirse básicamente como la razón entre la velocidad de la luz en el vacío, y la velocidad de la luz en ese medio, (¡sí, la luz se mueve a diferentes velocidades según por dónde se mueva!). Pero esto no es un fenómeno extraño: aunque por diferentes razones, ¡tampoco el sonido se propaga a igual velocidad en el aire y en el agua! Pues bien, la ley de Snell se apoya en esto y relaciona los índices de refracción de ambos medios y los ángulos de entrada y de salida de la luz incidente. Su principal particularidad es que, si el medio del que salimos tiene mayor índice de refracción que aquél en el que entramos (por ejemplo, del agua frente al del aire), existe un ángulo (que depende de la relación entre los índices de refracción) a partir del cual la luz no llega al segundo medio: ¡se refleja totalmente en la superficie de cambio entre ambos! Este fenómeno recibe el nombre de reflexión total y es, precisamente, el principio por el que funcionan las fibras ópticas: alguien introduce un pulso de luz con el ángulo adecuado dentro de la fibra, y por reflexión total, el pulso llega intacto al otro extremo. Existe una enorme red de tendidos submarinos de fibra óptica usados en comunicaciones. Vamos a realizar dos experiencias para someter a estos dos conceptos a sus límites y así mejorar su comprensión. Por un lado vamos a observar de dos formas distintas la reflexión total: en una veremos un haz láser reflejarse completamente al intentar pasar del agua al aire, y en otra veremos cómo podemos convertir un chorrito de agua en una suerte de fibra óptica. Por otro lado también vamos a llevar la refracción a su límite: ¿qué pasa si en lugar de tener dos medios, tenemos muchísimos y muy juntos? Sobre esto último daremos una pista. ¿Has visto alguna vez un espejismo? No hace falta irse al desierto: mira la carretera en una recta un día con sol, ¿no parece que hay agua en la carretera? ¡Es el cielo! Enseguida lo entenderemos… 1 Reflexión total: el agua como fibra óptica. Experimento de Tyndall‐
Colladon Material: ‐
1 Botella grande de agua ‐
Más agua ‐
1 punzón, clavo o cualquier cosa con la que hacer un agujero redondo a la botella ‐
1 puntero láser ‐
1 bol Procedimiento: El proceso experimental es muy sencillo. Hacemos un agujero en la parte inferior a la botella, cerca de la base. Rellenamos la botella hasta arriba y le ponemos el tapón antes de que escape mucha agua por abajo, la presión mantendrá el agua dentro de la botella. Colocamos la botella en alguna superficie elevada (por ejemplo, sobre la pila de la cocina) y el bol abajo (dentro de la pila), de forma que cuando abramos el tapón de la botella, el chorrito de agua caiga dentro del bol. Una vez esté todo listo, apagamos las luces (se recomienda hacer una muesca o marca a la botella al lado de donde debamos colocar el puntero láser, para usarlo como referencia), y colocamos el puntero de forma que su haz vaya en línea recta, atravesando la botella hasta el agujerito. Abrimos el tapón de la botella para que el agua comience a salir en forma de chorro por el agujero, y encendemos el láser. Lo que veremos es que la luz del láser (parte de ella se pierde en la botella de agua, en las irregularidades del agujero…) se mete dentro de chorrito de agua y viaja con él hasta el interior del bol. De hecho, si el puntero tiene potencia suficiente, ¡veremos incluso que el agua del bol se ilumina ligeramente! Puedes repetir el experimento usando un puntero láser de otro color. 2 Acudiendo a lo visto antes, podemos explicar este fenómeno mediante la reflexión total: el ángulo para el que se produce reflexión total es suficientemente pequeño como para que al incidir así sobre el chorrito, se produzcan reflexiones totales dentro del mismo y el láser quede confinado en su interior. ¡Este es el fundamento básico de las guías de onda! 3