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5/22/2018 D P7 Polarizacion
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Prctica 7:
Polarizacin
Laboratorio de Fsica D
Objetivos
Observar el fenmeno de la
polarizacin de la luz,usando polarizadores en
fuentes dirigidas para
comprender la ley de
Malus.
Determinar el ngulo de
Brewster para una interfaz
ptica y comprobar la
relacin existente entre los
rayos refractado y
reflejado. Introduccin
Recordando parte de la teora de
las ondas mecnicas, tenamos que
las ondas no son ms que
perturbaciones en un medio por
medio, y segn su modo depropagacin se clasificaban de dos
maneras:
Ondas longitudinales: sonaquellas que su propagacin
es paralela a su oscilacin.
Ondas transversales: sonaquellas que su propagacin
es perpendicular a su
oscilacin.
Al hablar especficamente de las
ondas electromagnticas, estas no
son perturbaciones de un medio,
sino de un campo elctrico y
magntico perpendiculares entre s
donde no es necesario que exista
un medio fsico, adems de que
todas las ondas electromagnticas,
al propagarse perpendicularmente
a su modo se oscilacin, son ondas
transversales.
Uno de los fenmenos exclusivos
para las ondas transversales es la
polarizacin. Asumamos el ejemplo
de una cuerda que est en
equilibrio a lo largo del eje X, las
oscilaciones pueden ocurrir a lo
largo de la direccin Y, como en la
figura 7.1. En este caso, la cuerda
siempre queda en el plano XY.
Figura 7. 1: Polarizacin plana en Y
Pero los desplazamientos pueden
ser a lo largo del eje Z como en la
figura 7.2; en tal caso, la cuerda
siempre se encuentra en el plano
XZ.
Figura 7. 2: Polarizacin plana en Z
Cuando una onda slo tiene
desplazamientos en y, se dice que
est linealmente polarizada en la
direccin Y; una onda con
desplazamientos slo en Z est
linealmente polarizada en esa
direccin. Para las ondas mecnicases posible construir un filtro
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polarizador, o polarizador
simplemente, que permita que slo
pasen ondas con cierta direccinde polarizacin. En la figura 7.3, la
cuerda puede deslizarse
verticalmente en la ranura sin
friccin, pero no es posible ningn
movimiento horizontal. Este filtro
deja pasar ondas polarizadas en la
direccin Y, pero bloquea las ondas
polarizadas en la direccin Z.
Figura 7. 3: Filtro polarizador en Y
Este mismo lenguaje se puede
aplicar a las ondas
electromagnticas, las cuales
tambin presentan polarizacin.
Siempre se define la direccin de
polarizacin de una onda
electromagntica como la
direccin del vector de campo
elctrico no del campo magntico,
porque muchos detectores
comunes de ondas
electromagnticas responden a las
fuerzas elctricas de los electrones
en los materiales y no a las fuerzas
magnticas. As, se dice que la
onda electromagntica se
encuentra polarizada en el eje Y.
Al generar una onda
electromagntica, los electrones
dentro de un material especfico
oscilan perturbando el espacio. Las
fuentes reales de ondas
electromagnticas, contienen un
nmero enorme de molculasoscilando en direcciones
aleatorias, causando que la onda
electromagntica tenga varios
planos de oscilacin. A esta fuente,
se la llama fuente no polarizada o
fuente natural.
Para crear luz polarizada a partir
de luz natural no polarizada se
requiere un filtro anlogo a la
figura 7.3. Los filtros polarizadores
para las ondas electromagnticas
tienen diferentes detalles de
construccin, dependiendo de la
longitud de onda. Para las
microondas con longitud de onda
de unos cuantos centmetros, un
buen polarizador es un arreglo dealambres conductores
estrechamente espaciados y
paralelos, que estn aislados uno
de otro. (Piense en una parrilla
para asar carne en la que el anillo
metlico exterior se ha sustituido
por un anillo aislante.) Los
electrones tienen libertad de
movimiento a lo largo de lalongitud de los alambres
conductores y lo harn en
respuesta a una onda cuyo campo
sea paralelo a los alambres. Las
corrientes resultantes en los
alambres disipan energa por
calentamiento de I2R; la energa
disipada proviene de la onda, por
lo que la amplitud de cualquier
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onda que pase a travs de la rejilla
se reduce considerablemente.
Las ondas con orientado en formaperpendicular a los alambres pasan
prcticamente intactas, ya que los
electrones no se pueden desplazar
a travs del aire que separa los
alambres. Por consiguiente, una
onda que pase a travs de un filtro
de este tipo quedar polarizada
sobre todo en la direccin
perpendicular a los alambres.El filtro polarizador ms comn
para la luz visible es el material
conocido con el nombre comercial
de Polaroid. Este material,
incorpora sustancias que
presentan dicrosmo, la absorcin
selectiva en la que una de las
componentes polarizadas se
absorbe con mucha ms intensidad
que la otra mostrada en la figura
7.4.
Figura 7. 4: Filtro polaroid
Un filtro Polaroid transmite el 80%o ms de la intensidad de una onda
que est polarizada en forma
paralela a cierto eje en el material,
llamado eje de polarizacin, peroslo el 1% o menos de las ondas
polarizadas perpendiculares a ese
eje.
Un filtro polarizador ideal deja
pasar el 100% de la luz incidente
que est polarizada en la d ireccin
del eje de polarizacin del filtro,
pero bloquea completamente toda
la luz polarizada en forma
perpendicular a ese eje. Aunque
esto no es posible, supondremos
que todos los filtros polarizadores
son ideales.
En la figura 7.5 la luz no polarizada
es incidente sobre un filtro
polarizador plano.
Figura 7. 5: Polarizador ideal
El eje de polarizacin est
representado por la lnea azul. Al
incidir sobre el polarizador, solo
las componentes paralelas a dicho
eje pasan a travs del polarizador
mientras las perpendiculares se
anulan. Si se tiene que la luz
incidente procedente de una
fuente no polarizada tiene unaintensidad I0, la intensidad de la
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luz transmitida a travs del
polarizador ideal es exactamente
I0/2. Si en cambio, la fuente de luztiene alguna direccin de
propagacin (por ejemplo, despus
de haber pasado por un primer
polarizador como en la figura 7.6),
la intensidad de la luz incidente se
debe calcular por medio de la ley
de Malus.
Figura 7. 6: Ley de Malus
Donde es el ngulo entre los
polarizadores. Utilizando la ley de
Malus, podemos deducir que al
tener un ngulo la
intensidad ser mxima, y cuando
la intensidad ser nula, tal
como se muestra en la figura 7.7.
Figura 7. 7: Intensidad usando Ley de Malus
Otra forma de obtener luz
polarizada es mediante la
reflexin. Cuando la luz incidesobre una interfaz ptica de
cambio de medio, para la mayora
de los ngulos de incidencia se
reflejan en mayor cantidad las
componentes paralelas al plano de
incidencia. Pero para un ngulo
especfico , llamado ngulo de
Brewster, la luz reflejada contiene
solamente las componentesperpendiculares al plano de
incidencia mientras la luz
refractada contiene parte de
ambas componentes. Es decir, la
luz reflejada estar totalmente
polarizada, mientras la refractada
parcialmente polarizada, tal como
se muestra en la figura 7.8. Una de
las caractersticas de este
fenmeno es que al obtener luz
reflejada totalmente polarizada, el
ngulo entre el rayo reflejado y el
refractado es de
Figura 7. 8: ngulo de Brewster
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Usando la ley de Snell, se puede
comprobar que:
Materiales:
Fuente de luz
Lser
Banco ptico
Caballetes
Disco ptico
Semiluna de acrlico
Polarizadores
Procedimiento
Ley de Malus
1. Coloque la fuente de luz frente
a una pantalla traslcida.
Coloque un polarizador entre la
fuente y la pantalla.
Figura 7. 9: Parte 1 - Ley de Malus
2. Mueva el cursor en el
polarizador y realice las
observaciones pertinentes.
3. Coloque un segundo
polarizador (analizador). Deje el
primer polarizador fijo con el
cursor en 0.
4. Mueva el cursor del analizador
hasta encontrar una posicin
para la cual, en la pantalla no
se observe intensidad alguna.
Realice las observaciones
pertinentes.
5. Deje el cursor del analizador
fijo en una posicin distinta de
cero. Coloque un tercerpolarizador, entre el analizador
y la pantalla.
6. Coloque el cursor en una
posicin para cual, no se
observe intensidad en la
pantalla. Realice las
observaciones pertinentes.
ngulo de Brewster
1. Reemplace la fuente de luz por
un lser. Quite la pantalla y
coloque el disco ptico sobre el
banco ptico.
2. Coloque la semiluna sobre el
disco ptico, de tal manera que
el lser incida en la cara plana
de esta.
3. De un ngulo de incidencia
diferente de cero. Para este
ngulo, coloque un polarizador
en el camino del rayo reflejado.
Figura 7. 10: Parte 2Ley de Brewster
4. Mueva el cursor hasta obtener
intensidad nula despus del
polarizador. Si la intensidad no
es nula, cambie el ngulo de
incidencia hasta obtener una
posicin en la cual al mover el
cursor del polarizador, se
vuelva nula la intensidad.
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5. Anote dicho ngulo incidente y
observe los rayos reflejado y
refractado.6. Calcule el ndice de refraccin
de la semiluna por medio de la
expresin de Brewster.
7. Determine el porcentaje de
error del ndice de refraccin
de la semiluna, siendo
tericamente 1,44.
8. Determine el ngulo de
Brewster terico con el ndicede la semiluna n=1,44, y realice
el porcentaje de error.
Banco de preguntas
1. Qu es polarizacin lineal,
polarizacin circular y
polarizacin elptica?
2. Deduzca la ecuacin de la Ley de
Brewster para el ngulo de
polarizacin.
3. Es posible obtener luz
totalmente polarizada con un
espejo plano? Explique.
4. Explique porque el cielo es azul.
5. Un vendedor afirma que cierto
par de anteojos tiene filtros
Polaroid; usted sospecha que los
vidrios tan slo son plsticoteido. Cmo podra saberlo
con certeza?
6. Tiene sentido hablar acerca de
la polarizacin de una onda
longitudinal como las del
sonido? Por qu?
7. Cmo se puede determinar la
direccin del eje de polarizacin
de un polarizador nico?
8.Se ha propuesto que losparabrisas de los automviles y
los faros deberan tener filtros
polarizadores con la finalidad de
disminuir el resplandor de las
luces cuando los vehculos se
acercan de frente mientras se
maneja de noche. Funcionara
esto? Cmo habra que
disponer los ejes de
polarizacin? Qu ventajas
tendra esta medida? Qu
desventajas?
9. Si usted se sienta en la playa y
mira al ocano a travs de unos
anteojos Polaroid, stos le
ayudan a reducir el resplandor
de la luz solar que se refleja en
el agua. Pero si se recuesta de
costado en la playa, es poco lo
que se reduce la reverberacin.
Explique a qu se debe la
diferencia.
10. Cuando la luz no polarizada
incide en dos polarizadores
cruzados, no se transmite luz.Un estudiante afirm que si se
insertaba un tercer polarizador
entre los otros dos, habra algo
de transmisin. Tiene sentido
esto? Cmo podra un tercer
filtro incrementar la
transmisin?