ÍNDICE DE REFRACCIÓN

El índice de refracción es una medida que determina la reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo. De forma más precisa, el índice de refracción es el cambio de la fase por unidad de longitud, esto es, el número de onda en el medio (k) será n veces más grande que el número de onda en el vacío (k0).

Definición científica

El índice de refracción (n) está definido como el cociente de la velocidad (c) de un fenómeno ondulatorio como luz o sonido en el de un medio de referencia respecto a la velocidad de fase (vp) en dicho medio:

Generalmente se utiliza la velocidad de la luz (c) en el vacío como medio de referencia para cualquier materia, aunque durante la historia se han utilizado otras referencias, como la velocidad de la luz en el aire. En el caso de la luz, es igual a:

Donde εr es la permitividad relativa del material, y μr es su permeabilidad electromagnética relativa. Para la mayoría de los materiales, μr es muy cercano a 1 en frecuencias ópticas, es decir, luz visible,

aunque n es aproximadamente

Contrario a lo que afirman muchos libros clásicos y algunos modernos de física, está comprobado que puede existir un índice de refracción menor a 1; por ejemplo, para los rayos x.[1] Este hecho puede tener aplicaciones técnicas, como espejos para rayos x basados en refracción externa total para su aplicación en herramientas médicas. Otro ejemplo de un índice de refracción menor a uno son las ondas electromagnéticas cuando viajan a través del plasma.

Aplicaciones

La propiedad refractiva de un material es la propiedad más importante de cualquier sistema óptico que usa refracción. Es un índice inverso que indica el grosor de los lentes según un poder dado, y el poder dispersivo de los prismas. También es usado en la química para determinar la pureza de los químicos y para la renderización de materiales refractantes en los gráficos 3D por computadora.

RESISTIVIDAD

Todas las sustancias se oponen en mayor o menor grado al paso de la corriente eléctrica, esta oposición es a la que llamamos resistencia eléctrica. Los materiales buenos conductores de la electricidad tienen una resistencia eléctrica muy baja, los aislantes tienen una resistencia muy alta.

Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohm-metros (Ω•m)[1]

.

Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor.

Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de la corriente eléctrica.

La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto , y su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω-1·m-1. Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico y la densidad de corriente de conducción :

No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir

corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia: .

Conductividad en diferentes medios

Los mecanismos de conductividad difieren entre los tres estados de la materia. Por ejemplo en los sólidos los átomos como tal no son libres de moverse y la conductividad se debe a los electrones. En los metales existen electrones cuasi-libres que se pueden mover muy libremente por todo el volumen, en cambio en los aislantes, muchos de ellos son sólidos iónicos, apenas existen electrones libres y por esa razón son muy malos conductores.

Conductividad en medios líquidos

La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos.

Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de determinaciones conductométricas y tienen muchas aplicaciones como, por ejemplo:

En la electrólisis, ya que el consumo de energía eléctrica en este proceso depende en gran medida de ella.

En los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sal de varias soluciones durante la evaporación del agua (por ejemplo en el agua de calderas o en la producción de leche condensada).

En el estudio de las basicidades de los ácidos, puesto que pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad.

Para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y para hallar concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación.

La base de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones saturadas de electrólitos escasamente solubles pueden ser consideradas como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad específica de semejante solución y calculando la conductividad equivalente según ella, se halla la concentración del electrólito, es decir, su solubilidad.

Un método práctico sumamente importante es el de la titulación conductométrica, o sea la determinación de la concentración de un electrólito en solución por la medición de su conductividad durante la titulación. Este método resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores.

La conductividad eléctrica se utiliza para determinar la salinidad (contenido de sales) de suelos y substratos de cultivo, ya que se disuelven éstos en agua y se mide la conductividad del medio líquido resultante. Suele estar referenciada a 25 °C y el valor obtenido debe corregirse en función de la temperatura. Coexisten muchas unidades de expresión de la conductividad para este fin, aunque las más utilizadas son dS/m (deciSiemens por metro), mmhos/cm (milimhos por centímetro) y según los organismos de normalización europeos mS/m (miliSiemens por metro). El contenido de sales de un suelo o substrato también se puede expresar por la resistividad (se solía expresar así en Francia antes de la aplicación de las normas INEN).

Conductividad en medios sólidos

Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos, son materiales conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen, formándose una nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo eléctrico. Estos medios conductores se denominan conductores eléctricos.

PICNÓMETRO

El picnómetro es un instrumento sencillo utilizado para determinar la densidad de líquidos con mayor precisión. Su característica principal es la de mantener un volumen fijo al colocar diferentes líquidos en su interior. Esto nos sirve para comparar las densidades de dos líquidos pesando el picnómetro con cada líquido por separado y comparando sus masas. Es usual comparar la densidad de un líquido respecto a la densidad del agua pura a una temperatura determinada, por lo que al dividir la masa de un líquido dentro del picnómetro respecto de la masa correspondiente de agua, obtendremos la densidad relativa del líquido respecto a la del agua a la temperatura de medición. El picnómetro es muy sensible a los cambios de concentración de sales en el agua, por lo que se usa para determinar la salinidad del agua, la densidad de líquidos biológicos en laboratorios de análisis clínicos, entre otras aplicaciones.

El método del picnómetro se basa en el principio del volumen constante y variación de la temperatura ,

Este método se basa en el principio del volumen constante y variación de la temperatura, la cual disminuye la masa y por ende la densidad que es obtenida a través de este proceso. Este consiste en tomar una sustancia determinada y someterla a diferentes temperaturas, y mantener un volumen constante empleando distintas masas, esto tiene su base en la Ley de los Volúmenes Constantes.

AERÓMETRO

A aerómetro es un instrumento usado para medir gravedad específica (o densidad relativa) de líquidos; es decir, el cociente de la densidad del líquido a la densidad del agua.se basa en el principio de arquimedes

El principio de Arquímedes es un principio físico que afirma que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido en reposo, será empujado con una fuerza vertical ascendente igual al peso del fluido desplazado por dicho cuerpo. Esta fuerza recibe el nombre de empuje hidrostático o de Arquímedes, y se mide en newtons (en el SI)

BALANZA HIDROSTATICA

La balanza hidrostática es un modelo de báscula sirve para múltiples funciones. Por un lado, contribuye a la comprobación experimental del Principio de Arquímedes (sobre el cual ampliaremos más adelante) respecto a los cuerpos sumergidos en líquido y, por el otro, ayuda a determinar, también de una forma experimental, la densidad de los cuerpos sólidos.

El principio en el que basa asegura que "todo cuerpo parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta un empuje ascensional igual al peso del fluido desplazado". Si tenemos que colocarla en un determinado grupo, esta medidora puede ser fácilmente catalogada como “de precisión”, justamente por la exactitud en los resultados finales del pesaje. En cuanto al sistema de operación de la balanza hidrostática, cuenta con una cruz que puede ser elevada a partir del uso de una horquilla y de una cremallera que va a estar mandada por un tornillo. Sus platillos, por otra parte, terminan de manera inferior en un gancho. De uno de ellos puede suspenderse un cilindro hueco elaborado en metal y, seguido a este, otro de igual volumen que la capacidad del anterior, aunque de estructura maciza.

Funcionamiento de la balanza hidrostatica

En lo que respecta al funcionamiento de la balanza hidrostática, hay que comenzar por la elevación de la cruz. Para esto hay que accionar el tornillo y añadir en el platillo derecho una serie de pesas que permitan equilibrar la báscula. Posteriormente, se debe acercar un recipiente con agua hacia el platillo del lado izquierdo, hasta que el cilindro de constitución maciza quede sumergido en el líquido de manera completa. Es en ese instante cuando se observará una elevación del platillo izquierdo. Este es un claro indicativo de que ha aparecido una suerte de fuerza ascensional que opera directamente sobre el cilindro. Por último, se debe colocar, con una pipeta, una mayor cantidad de agua al cilindro de estructura hueca, hasta que el mismo quede totalmente lleno de líquido. Entonces lo que se podrá notar es que el equilibrio de la medidora va a reestablecerse. Justamente ese hecho es lo que va dar muestra incuestionable del empuje ascensional, que va a ser

análogo al peso de una cantidad de fluido (en este caso agua) de igual volumen que el cilindro macizo que fue inmerso en el líquido. Ahora bien, las medidas de la densidad de un líquido y de un sólido no van a ser las mismas, así como tampoco los medios mediante los cuales las obtendremos. En el primer caso, el de los líquidos, deben emplearse unas masas auxiliares, por lo general de forma esférica, que se encuentran provistas de un gancho destinado a su suspensión en la base inferior de uno de los platillos. En cuanto a la densidad del líquido, ésta proviene de la relación que se produce entre las masas del líquido que será desalojado en el caso de líquido y en el caso del agua, en ese exacto orden. Los datos, por otro lado, van a obtenerse de los pesos de la pieza auxiliar que se encuentra sumergida en el líquido para un caso y en el agua para otro caso.En la segunda situación, es decir, aquella relacionada con la determinación de las medidas de densidad de un sólido, lo que se va a llevar a cabo es una medición a partir del peso del cuerpo en el aire y del peso de éste sumergido enteramente en el agua. De esta forma, el valor de la densidad se establece como una unión existente entre la masa del cuerpo y la masa del agua que se desaloja, que a su vez se va a determinar en detrimento de los pesos en el aire y en el interior del fluido mismo.

Historia de la balanza hidrostatica: principio de Arquimedes

Si hacemos referencia a los orígenes de la balanza hidrostática, debemos mencionar la historia del célebre “Eureka” de Arquímedes. Según se cree, fue en una bañera el lugar donde se le ocurrió la solución al problema que le había planteado un rey. La pregunta de éste había sido la siguiente: ¿Realmente una corona de oro está hecha de oro en su totalidad? Para responderla, Arquímedes midió la cantidad de agua desplazada a través de la corona y la cantidad igual de oro. Lo que descubrió fue que la corona desplazaba mayor cantidad de agua. La gravedad específica resultaba ser menor a la del oro, razón por la cual podía haber sido fácilmente adulterada con otro tipo de material. Justamente de esa prueba propuesta por el rey es de donde se origina el proceso de medición llevado a cabo por una báscula hidrostática.

QUÉ ES LA REFRACCIÓN

Cuando se pone un lápiz en el agua, la punta del lápiz aparece inclinada. Luego, si se hace lo mismo pero colocando el lápiz en una solución de agua azucarada, la punta del mismo aparecerá más inclinada. Este es el fenómeno de la refracción de la luz.

Los refractómetros son instrumentos de medición, en los que éste fenómeno de la refracción de la luz se pone en práctica. Ellos se basan en el principio por el cual, cuando aumenta la densidad de una sustancia (por ejemplo: cuando se disuelve el azúcar en el agua), el indice de refracción aumenta proporcionalmente.

Los refractómetros fueron inventados por Dr. Ernst Abbe, cientifico Alemán / Austriaco a principios del siglo XX.

Existen dos tipos de refractómetros en función de la detección del índice de refracción; sistemas transparentes y sistemas de reflexión. Los refractometros portatiles y los refractómetro Abbe usan los sistemas transparentes, mientras que los refractómetros digitales usan los sistemas de reflexión.