DEMOSTRACIÓN EXPERIMENTAL DE FENÓMENOS DE POLARIZACIÓN EN LENTES DE LABORATORIO
En los cursos de física, está previsto un tema de óptica física relacionado con el fenómeno de polarización de la luz. En esta oportunidad propongo un diseño experimental sencillo para entender el fenómeno de la polarización por absorción y por reflexión en lentes que se utilizan en el laboratorio de física.
El objetivo de estos experimentos es estudiar las propiedades y características básicas de la luz polarizada y a partir de estas observaciones conectar los fenómenos ópticos con los electromagnéticos. De este modo se espera dar soporte experimental acerca de la naturaleza electromagnética de la luz. Es por esto, que se introduce dispositivos que permiten medir la intensidad de luz como lo es la calculadora Casio 300, conectando a su respectivos dispositivos tales como el sensor óptico y la interface.
Pueden revisar y conectarse a los post que anteceden el uso de estos equipos
ACELERACIÓN DE CUERPOS RODANTES SOBRE UN PLANO INCLINADO
COEFICIENTE DE FRICCIÓN EN UN SISTEMA DINÁMICO
Dilatación Térmica lineal
CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA, USANDO LA CALCULADORA CLASSPAD 300 COMO OSCILOSCOPIO
INTRODUCCIÓN
La experimentación es una estrategia que ayuda enormemente a los estudiantes y profesores, tales como el estudio del tema de óptica especialmente en el fenómeno de la polarización de la luz. En los estudios geológicos de las rocas, el tema de la polarización es importante para completar el estudio de las propiedades físicas de los minerales.
Polarización por Absorción
La luz se considera como una radiación electromagnética que tiene propiedades de ondas transversales. Cuando la luz atraviesa un polarizador solo permite el paso de la vibración de la luz pasa una dirección, lo que significa que la luz, sale del otro lado vibrando en una sola dirección. Esto se conoce como polarización de la luz, y el fenómeno se ilustra en la figura 1. En esta figura, se observa como el polarizador cancela todas las componentes de la onda transversal, dejando solo la componente vertical, si el ángulo es cero grados. Ahora se aprecia además un polarizador que tiene la función de “analizador” y es el que corta la onda que sale del primer polarizador, girando el ángulo hacia cualquier dirección.
Figura 1. Fenómeno de polarización por absorción. Imagen: Propiedad de
Como la intensidad de la luz es proporcional al modulo de la amplitud del campo eléctrico, la intensidad de la luz viene expresada por:
Esta expresión representa el cambio en la amplitud de la luz que atraviesa en el segundo polarizador. De aquí la cantidad de luz cambia en proporción con el cuadrado de la amplitud y cuando la luz atraviesa el segundo polarizador, la luz original se convierte en oscura, al girar el polarizador. Este fenómeno se conoce como polarización por absorción, y cuando el polarizador y el analizador están cruzados se conocen como la ley de Malus.
donde A=Amplitud de la luz que pasa por el polarizador 1,
A´= Amplitud de la luz que pasa por el polarizador 2
𝜃= ángulo de polarización de los dos polarizadores
Polarización por Reflexión
Por otro lado, la luz puede ser polarizada, cuando es reflejada o refractada por la frontera de una superficie material, tal como un lente plano convexo. Este fenómeno ocurre cuando existe un ángulo crítico llamado “Angulo de Brewster”, y es la proyección ortogonal de la luz es reflejada y refractada. Entonces en esa condición la luz reflejada es polarizada.
La figura 2 se muestra la luz incidente con el ángulo de polarización 𝜃p para el cual la luz reflejada está completamente polarizada. Este fenómeno ocurre cuando la componente vertical del campo eléctrico (flechas), se anula al tocar la frontera del material transparente, dejando así la componente perpendicular en el rayo reflejado (puntos). De igual se puede relacionar el ángulo de polarización con el índice de refracción del material, es por ello que se aplica la ley de Snell;
donde 𝜃2 es el ángulo de refracción. En la figura se observa que la suma del ángulo de reflexión y el ángulo de refracción es 90 grados:
𝜃2=90°-𝜃p
Entonces quedaría:
Esta ecuación se conoce como ángulo de polarización y ángulo de Brewster
Figura 2. Fenómeno de polarización por reflexión. Propiedad de
EXPERIMENTO
MATERIAL A UTILIZAR:
Banco óptico
Laser
2 polarizadores
Lente plano convexo
Disco de Hart
Calculadora Casio 330 Class Pad
Retroproyector
Sensor óptico
Data Analizer
PARTE A: POLARIZACION POR ABSORCIÓN
• Se montan el laser y los polarizadores sobre el banco óptico.
• Luego coloque el sensor óptico detrás del último polarizador que actúa como analizador.
• Se prepara la calculadora Casio 330 utilizando el programa Econ 200 y se conecta el sensor en el data analizer
• Se Coloca el primer polarizador dirigido a un ángulo de 0°. Una vez instalado el montaje, comience a tomar las medidas recibidas por el sensor y haga girar el polarizador que actúa como analizador hasta completar una vuelta.
• Observe el comportamiento de la gráfica en la calculadora de la intensidad de la luz con respecto a la rotación del polarizador.
Pueden revisar los post que se utiliza la calculadora:
Medida del ángulo de polarización y intensidad de la Luz
• Posicionar la sonda óptica en la misma dirección que apunta el laser, para recoger al máximo los datos. (ver figura 3 y 4).
• Preparar el medidor óptico y comenzar a medir. Rotar el polarizador a velocidad constante, durante 20 segundos.
• Ajustar la calculadora Casio 300, con el programa Econ 200, comience a medir
• Grabar y analizar los datos
Figura 4. Montaje experimental para la polarización por absorción. Propiedad de
PARTE B: POLARIZACION POR REFLEXIÓN
Medida del ángulo de Brewster (polarización reflexión) (figura 5 y 6)
• Desde un ángulo determinado, usando el transportador o disco de Hart, apunte el laser dentro del vidrio o lente cilíndrico “Pasco” de laboratorio.
Determine el ángulo del rayo de luz que satisface la expresión del ángulo de Brewster.
• Posicione el sensor óptico, de tal forma que recoja toda la información del rayo dispuesto por el Laser.
• Rote el polarizador hasta que la luz desaparezca. Mida la dirección de polarización de la luz reflejada justamente cuando los rayos reflejados y refractados tengan un ángulo de 90 grados.
• Ajustar la calculadora Casio 300, con el programa Econ 200, comience a medir (Montaje experimental figura 6)
Figura 5. Configuración de la Polarización por Reflexión . Imagen: Propiedad de
Figura 6. Montaje experimental de la polarización en lentes cristales. Imagen: Propiedad de
RESULTADOS GRÁFICOS
A continuación se muestran los resultados de los experimentos:
Para el caso de la polarización por absorción (figura 7), se muestra el decaimiento de la intensidad de la luz a medida que se rota el polarizador con el respecto al tiempo.
Figura 7. Intensidad de la luz en función del tiempo. Rotación del polarizador Imagen: Propiedad de
En la figura 8 se muestra los rayos reflejados y refractados pasando por el lente cilíndrico. Aquí se puede observar que los rayos reflejados y refractados forman un ángulo de 90°, colocando el sensor óptico en el rayo reflejado. Así mismo, en la figura 9 se observa la gráfica de la intensidad de la luz disminuyendo a medida que se rota el polarizador, comprobando experimentalmente el fenómeno de polarización a través del haz reflejado del lente.
CONCLUSIONES
Luego de diseñar y realizar el montaje experimental,se obtuvieron resultados satisfactorios para las medidas de polarización en los diferentes ensayos.
Gracias al uso de los equipos instrumentales, se pudo detectar la polarización de los rayos medidos por absorción, por reflexión en el lente cilíndrico. De esta forma el método experimental permite visualizar el fenómeno de refracción y polarización en el tema de óptica.
REFERENCIAS
- Leica (2014).Polarización de la luz. Pagina web: www.leica-microsystems.com
- Tipler Paul (2004). Física para ciencias y tecnología. Luz. Volumen 2B. Quinta edición. Editorial Reverte. Pp. 948-953
- Izquierdo Eduardo, El Hasi Claudio (2001) Oscilaciones y Ondas (Aplicaciones en Óptica). ©UNIVERSIDAD NACIONAL DE GENERAL SARMIENTO. Volumen 2. ISBN: 987-9300-43-2 1º Edición, 30 ejemplares. Impreso en Argentina
Polarización de la luz. Pagina www.grincef.ula.nurr