Polarización
06 Mar, 2013
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PDFPor reflexión
PRESENTACIÓN: Cando a luz incide sobre unha superficie que separa dous medios refractantes, a luz reflectida está parcialmente polarizada, e o grao de polarización depende do ángulo de incidencia e dos índices de refracción de ambos medios. Para unha incidencia co ángulo de Brewster, a luz está totalmente polarizada nun plano perpendicular ao plano de incidencia.
- Experiencing Light’s Properties Within Your Own Eye, Michael Mauser, Phys. Teach. 49, 19 (2011)
- Real 3-D: How Does It Work?, H. Schmitzer, D. Tierney, and T. Toepker, Phys. Teach. 47, 456 (2009)
INTRODUCIÓN: Nunha onda non polarizada a vibración oscila en todas as posibles direccións perpendiculares á dirección de propagación. Partindo dese estado, a onda se polariza se por algún motivo pasa, por exemplo, a oscilar só nun determinado plano, ao que se denomina plano de polarización.
OBXECTIVO: Comprobar a variación de intensidade do reflexo ao colocar e virar, entre o foco de luz e a pantalla, o polarizador.
MATERIAIS: láser ou foco de luz, anaco de cristal, polarizador.
MONTAXE: Colócase o cristal encima dunha mesa ou calquera outro soporte. Acendemos o láser e apuntamos ao cristal cun ángulo de 56º respecto da horizontal, desta maneira parte da luz reflíctese cun ángulo de 36º quedando enfocado o láser cara a unha parede. Por último colócase o polarizador entre o cristal e a parede de forma que o raio de luz atravéseo, deste xeito cando se vira o polarizador o reflexo na parede redúcese en intensidade.
EXPLICACIÓN: Cando a luz non polarizada reflíctese nunha superficie plana entre dous medios transparentes, por exemplo a que separa o aire e o vidro, a luz reflectida está parcialmente polarizada. O grao de polarización depende do ángulo de incidencia e dos índices de refracción de ambos os medios. O campo eléctrico da luz incidente pode descomporse en dous compoñentes, un paralelo e o outro perpendicular ao plano de incidencia. A luz reflectida está completamente polarizada coa súa vector do campo eléctrico perpendicular ao plano de incidencia. A luz reflectida está totalmente polarizada nun plano cando o ángulo cumpre a lei de Brewster (tan θ=nt/ni). A luz refractada está parcialmente polarizada e moito máis intensa que a luz reflectida. Para os ángulos que non son de polarización a luz reflectida e a luz refractada están parcialmente polarizadas.
CONCEPTOS: ángulo de Brewster, lei de Brewster, reflexión, refracción, índice de refracción.
MÁIS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- P.A. Tipler, Física, Reverté, 2010.
- S. Burbano de Ercilla, C. García Muñoz, Física General, Tebar, 2008.
- F.S. Crawford, Ondas, Reverté, 2005.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2010-2011: Antonio Dacosta, Alberto Díaz
ENLACE pdf ALUMNADO (en castelán):
21 responses to "Polarización"
Aunque el ser humano percibe la mayoría de las informaciones sobre su entorno por medio de la vista, el estudio de la luz queda con frecuencia desatendido en las clases de física. Por esta razón, experimentar en el aula puede resultar una forma fácil de comprender este fenómeno. Tener conocimientos en el campo de la polarización ayuda a comprender mejor la teoría de la luz en general. Además de su valor académico, el estudio de la polarización clarifica muchas aplicaciones prácticas que se están desarrollando para el uso de la luz polarizada.
Los fenómenos relacionados con la polarización pueden resultar fáciles de demostrar como se aprecia en la demostración del vídeo. Al realizar el experimento del vídeo, los alumnos pueden comprender el cambio en el estado de polarización debido a la reflexión de la luz en una superficie plana entre dos medios transparentes. Este cambio dependerá de las propiedades del material, la forma de la superficie y el ángulo de incidencia.
Un accesorio importante para la fotografía son los filtros polarizadores. Cuando sacamos una foto a con mucha luz es muy común que aparezcan “brillos” indeseados, esto es especialmente engorroso al fotografiar masas de agua, el cielo, un cristal o superficies que reflejen mucha luz. Para entender su funcionamiento, básicamente se puede decir que un haz de luz que se desplaza en línea recta, lo hace oscilando en infinitos planos alrededor del eje que marca la dirección de desplazamiento. Cada uno de ellos es un plano de polarización y la misión del filtro polarizador es quedarse únicamente con uno o un rango muy estrecho. El polarizador se suele asemejar a una rejilla, por la que sólo pueden pasar las ondas que estén alineadas. De este modo, según vamos girando el filtro seleccionaremos un plano de polarización u otro. Para una mejor comprensión del ángulo de Brewster, os dejo el siguiente experimento.
A polarización das ondas, e da luz en particular, é un concepto pouco intuitivo. A miña corta experiencia como docente dime que é complicada de entender, en parte, porque a idea dun campo electromagnético propagándose transversalmente é moi abstracta. Polo é moi conveniente exemplificar a polarización cunha actividade práctica na que se visualice claramente. A experiencia que se describe e realiza no vídeo deste proxecto está moi ben deseñada, pero emprega unha serie de instrumentos que non están presentes, por exemplo, nun laboratorio dun instituto de educación secundaria. Ademais, persoalmente opino ilustrar a polarización en termos de detección de intensidade de luz convertida nunha sinal eléctrica pode confundir máis que aclarar o a comprensión deste fenómeno. No seguinte enlace temos un experimento co cal se pode comprobar visualmente a polarización cunha montaxe experimental máis sinxela pois o instrumental necesario está ao alcance dos docentes de secundaria ou bacharelato.
Me gustaría destacar el caso de uno de los animales más curiosos que conozco, un copépodo (incluido entre los crustáceos) llamado Sapphirina metallina. Es de los pocos animales cuya superficie corporal produce un curioso tipo de polarización, la polarización circular. Se cree que esto permite a los machos (las hembras no presentan estas características) cambiar sus vivos colores para atraer a las hembras. También es curioso ver como “desaparecen”, aprovechando el ángulo adecuado de reflexión de la luz. A continuación os dejo algunos enlaces con información del tema: una noticia del períodico El Mundo, donde además de un vídeo también mencionan las posibles aplicaciones tecnológicas; y dos de los múltiples artículos científicos que hay al respecto en Advanced Functional Materials y en PLOS ONE.
Otro ejemplo de polarización en la naturaleza es la visión de los pulpos, los calamares y las sepias, pues son sensibles al ángulo en el que la luz se refleja y polariza. Además, son capaces de cambiar la polarización de la luz emitida por su piel para mostrar distintos estados de alerta. investigadores de la Universidad de Bristol y la Universidad de Queensland descubrieron que las sepias responden incluso a cambios de orientación de luz polarizada de solo un grado, colocándolas en el podio de la visión polarimétrica de todo el reino animal. Para estudiar su visión polarizada, los investigadores expusieron una sepia a videos que sugerían la aproximación de un depredador, pero modificaron las imágenes para mostrar solo cambios en la orientación de la luz polarizada, en lugar de cambios de color o intensidad. A continuación, observaron los cambios en los patrones de la piel de la sepia, descubriendo que esta respondían al más mínimo movimiento (cambios de 1,05º) con un cambio de color para mezclarse con su entorno. Aquí tenéis el artículo en cuestión y un vídeo en el que se puede observar la respuesta de la sepia frente al cambio en la polarización.
La polarización de la luz ha experimentado un gran auge también, en la industria de las lentes de sol. Estas lentes, permiten eliminar en gran medida los molestos brillos del agua en el mar por ejemplo o de la nieve a pleno sol. En el siguiente enlace, además de tratar este tema, nos explican la diferencia entre una lente polarizada y una lente analizadora.
Al hilo del anterior comentario de Pablo, la polarización se encuentra presente en gran medida en la naturaleza y podemos observar muchos ejemplos en el siguiente blog. En el caso de las sardinas y arenques para escapar de sus depredadores, en las tarántulas para regresar a su nido, en las abejas para volar con precisión y en las gambas mantis para mejorar su visión.
Una aplicación interesante del ángulo de Brewster es la ventana de Brewster. Las ventanas de Brewster son sustratos no revestidos diseñados para presentar un perfil circular cuando están orientados en el ángulo de Brewster (55.57 °). Las ventanas brewster están fabricadas con sílice fundida uv, que prácticamente no presenta fluorescencia inducida por láser. Al insertar una ventana Brewster en la trayectoria de un rayo láser en una posición tal que la luz láser incida sobre ésta precisamente en el ángulo de Brewster, el rayo láser se puede configurar para producir la luz polarizada requerida para una aplicación en particular.
En el siguiente enlace del museo de ciencia Exploratorium, podemos encontrar diferentes actividades prácticas sencillas sobre la polarización, con las que experimentar en el aula y que nos ayuden a comprender de forma fácil este fenómeno. Por ejemplo, está disponible una actividad relacionada con las gafas de sol polarizadas, otra sobre cómo hacer un mosaico de luz polarizada, o también sobre cómo revelar patrones de estrés en plástico transparente. En todas ellas, se detallan los materiales y el montaje para su realización, su desarrollo, así como una breve descripción de los fundamentos y la explicación de lo que sucede. En relación a su historia, podemos señalar que el físico y cristalógrafo escocés William Nicol inventó en 1828 el prisma que lleva su nombre y que permitía obtener luz polarizada a partir de la luz natural. Construyó este dispositivo a partir de dos cristales de espato de Islandia, una forma natural de carbonato de calcio, que tiene la propiedad óptica de la birrefringencia. La luz que lo atraviesa se divide en dos rayos, uno con un índice de refracción ordinario y el otro extraordinario. Gracias a este dispositivo se pudo desarrollar una nueva disciplina científica: la polarimetría, fundamental para el estudio de la estructura molecular y la actividad óptica de las sustancias orgánicas. Además, el trabajo de Nicol sentó las bases para el desarrollo del microscopio de luz polarizada.
A polarización é unha propiedade da luz que podemos observar en numerosas situacións da vida cotiá. A luz do sol non está polarizada, sen embargo, o seu reflexo sobre o mar ou outra superficie está polarizada horizontalmente. Por iso, os lentes polarizados, que soamente deixan pasar a luz verticalmente polarizada, permíten reducir a luz reflexada. Outra situación na que se saca proveito desta propiedade é no cine en 3D, onde os lentes fan unha polarización circular, permitindo crear no noso cerebro imaxes tridimensionais.
La reflexión de la luz y otras ondas es un fenómeno que podemos observar en cualquier momento de nuestro día ya que está presente en casi todas las situaciones cotidianas. Al polarizar la luz disminuyes la intensidad del reflejo y haces la onda se transmita en único plano. La polarización fue un descubrimiento muy importante en el campo de la óptica y destacan sus aplicaciones en lentes y cámaras. A continuación os dejo un enlace donde podéis ver diferentes imágenes cotidianas tomadas empleando un filtro polarizador y su comparativa sin el filtro.
Ampliando lo que comentan Alejandro y María sobre las gafas de sol polarizadas, dejo un artículo en koreano de un estudio sobre gafas polarizadas y la protección que ofrecen, tanto frente a deslumbramientos por la luz que se refleja en el suelo si está mojado como frente a focos de larga distancia mal usados durante la noche.
En geología, la reflexión de luz polarizada es utilizada para el estudio de los minerales opacos como la pirita que no es posible examinar en el microscopio petrográfico, donde la luz atraviesa la muestra desde abajo. En el microscopio de reflexión, la luz incide desde arriba sobre los minerales, estudiando la luz que éstos reflejan. En este enlace se puede ver una explicación mas detallada del funcionamiento de este microscopio y las características de los minerales que permite analizar.
Las gafas con lentes polarizadas son un ejemplo práctico de este fenómeno. Yo las suelo utilizar para ir a pescar o para conducir, ya que evita reflejos molestos. En este artículo se habla sobre el fenómeno de la polarización y las lentes polarizadas.
Realizando el experimento del vídeo, los alumnos pueden comprobar el proceso de cambio en el estado de polarización debido a la reflexión de la luz en una superficie plana entre dos medios transparentes. Así se observa como este cambio dependerá de las propiedades del material, la forma de la superficie y el ángulo de incidencia.
Un fenómeno que se puede observar en nuestra vida cotidiana y que los alumnos pueden empezar a comprobar en el exterior de diferentes formas.
Muy interesante
Historia y fotografía: El filtro polarizado original fue diseñado por Polaroid, la misma compañía que hizo cámaras instantáneas en 1929. Este tipo de filtro se ha mantenido sin cambios durante los últimos 80 años
Enlazando con contenidos de Química, Bioquímica y Farmacia, la luz polarizada es muy útil ya que permite clasificar las moléculas en 2 categorías. Por un lado, hay moléculas que desvían la luz polarizada a la derecha. Estas son llamadas dextrógiras (D). Sin embargo, cuando el desvío es para la izquierda las moléculas son llamadas levogiras (L). A priori, esto puede no parecer relevante pero su importancia reside en el hecho de que dentro de una misma sustancia puede haber moléculas dextrógiras (D) y levógiras (L). Esto se debe a la existencia de carbónos asimétricos con cuatro sustituyentes distintos que dan lugar a moléculas que son imágenes de espejo que no se pueden superponer (enantiómeros). Como en bioquímica la disposición de los átomos es crucial en la determinación de la actividad biológica, la misma sustancia, en función de si es el enantiómero D o L, puede no presentar los mismos efectos biológicos o farmacológicos. Por poner un ejemplo, los aminoácidos biológicamente activos son siempre levógiros (L) ya que los dextrógiros (D) no tienen acción biológica.
Interesante demostración da polarización da luz. Coido que é un fenómeno que non se traballa habitualmente nas aulas pese á súa enorme presenza na vida cotiá. Como ben dixo o físico estadounidense Herbert Goldstein: “Alí onde hai luz, hai luz polarizada”. De feito, a luz solar posúe unha compoñente despolarizada e outra con polarización lineal parcial. Esta polarización é máis pura nas rexións da esfera celeste máis alonxadas da posición do sol. Unha aplicación da polarización da luz solar é a orientación dos barcos vikingos no océano.Á hora de traballar a polarización da luz na aula, non sempre se pode contar co material necesario. Polo tanto, comparto este recurso no que se pode experimentar coa polarización da luz mediante un simulador.
El concepto de polarización es un término con el que, en general, estamos muy familiarizados ya que cuando vamos a comprar unas gafas de sol todos nos preocupamos por que sean polarizadas pero muchas veces no sabemos en que cosiste y este video ayuda a entender algo tan cotidiano.
La polarización es un tema muy interesante, y gran parte de las personas utilizan este fenómeno en el día a día sin pensar demasiado en ello. Quizás uno de sus usos más extendidos es el de las gafas de sol polarizadas.
Este experimento también nos ayuda a entender cómo funcionan las pantallas LCD de los ordenadores y dispositivos móviles, que utilizan el principio de polarización de la luz. En estas pantallas, los cristales líquidos controlan la orientación de la luz polarizada, permitiendo o bloqueando su paso a través de un filtro polarizador para formar imágenes. Por eso, al mirar la pantalla con gafas de sol polarizadas desde ciertos ángulos, puede parecer que la imagen desaparece o cambia de brillo. Este fenómeno demuestra de manera práctica cómo la polarización es clave en muchas tecnologías modernas