Los efectos de iluminación típicos que todas las personas encuentran a menudo en la vida cotidiana son la reflexión y la refracción. En este artículo, consideraremos el caso en que ambos efectos se manifiestan dentro del mismo proceso, hablaremos sobre el fenómeno de la reflexión total interna.
Reflejo de luz
Antes de considerar el fenómeno de la reflexión total interna de la luz, debe familiarizarse con los efectos de la reflexión y la refracción ordinarias. Comencemos con el primero. Para simplificar, consideraremos solo la luz, aunque estos fenómenos son característicos de una onda de cualquier naturaleza.
Se entiende por reflexión el cambio de una trayectoria rectilínea, por la que se desplaza un rayo de luz, a otra trayectoria rectilínea, cuando encuentra un obstáculo en su camino. Este efecto se puede observar al apuntar un puntero láser a un espejo. La aparición de imágenes del cielo y los árboles al mirar la superficie del agua también es el resultado del reflejo de la luz solar.
La siguiente ley es válida para la reflexión: ángulosla incidencia y la reflexión se encuentran en el mismo plano junto con la perpendicular a la superficie reflectante y son iguales entre sí.
Refracción de la luz
El efecto de la refracción es similar al de la reflexión, solo que ocurre si el obstáculo en el camino del haz de luz es otro medio transparente. En este caso, parte del haz inicial se refleja desde la superficie y otra parte pasa al segundo medio. Esta última parte se llama haz refractado, y el ángulo que forma con la perpendicular a la interfaz se llama ángulo de refracción. El haz refractado se encuentra en el mismo plano que el haz reflejado e incidente.
Ejemplos sólidos de refracción son la rotura de un lápiz en un vaso de agua o la engañosa profundidad de un lago cuando una persona mira hacia abajo.
Matemáticamente, este fenómeno se describe mediante la ley de Snell. La fórmula correspondiente se ve así:
1 pecado (θ1)=n2 pecado (θ 2).
Aquí los ángulos de incidencia y refracción se indican como θ1 y θ2 respectivamente. Las cantidades n1, n2 reflejan la velocidad de la luz en cada medio. Se denominan índices de refracción de los medios. Cuanto mayor sea n, más lentamente viajará la luz en un material determinado. Por ejemplo, en el agua la velocidad de la luz es un 25% menor que en el aire, por lo que el índice de refracción es 1,33 (para el aire es 1).
El fenómeno de la reflexión interna total
La ley de refracción de la luz conduce a unaun resultado interesante cuando el rayo se propaga desde un medio con n grande. Consideremos con más detalle qué le sucederá a la viga en este caso. Escribamos la fórmula de Snell:
1 pecado (θ1)=n2 pecado (θ 2).
Supondremos que n1>n2. En este caso, para que la igualdad siga siendo verdadera, θ1 debe ser menor que θ2. Esta conclusión siempre es válida, ya que solo se consideran los ángulos de 0o a 90o, dentro de los cuales la función seno crece constantemente. Así, al dejar un medio óptico más denso por uno menos denso (n1>n2), el haz se desvía más de lo normal.
Ahora aumentemos el ángulo θ1. Como resultado, llegará el momento en que θ2 será igual a 90o. Ocurre un fenómeno sorprendente: un haz emitido por un medio más denso permanecerá en él, es decir, para él la interfaz entre dos materiales transparentes se volverá opaca.
Ángulo crítico
El ángulo θ1, para el cual θ2=90o, se llama crítico para el par de medios considerado. Cualquier rayo que incide en la interfaz con un ángulo mayor que el ángulo crítico se refleja completamente en el primer medio. Para el ángulo crítico θc uno puede escribir una expresión que sigue directamente de la fórmula de Snell:
sin (θc)=n2 / n1.
Siel segundo medio es el aire, entonces esta igualdad se simplifica a la forma:
sin (θc)=1 / n1.
Por ejemplo, el ángulo crítico para el agua es:
θc=arcosen (1 / 1, 33)=48, 75o.
Si te sumerges en el fondo de la piscina y miras hacia arriba, puedes ver el cielo y las nubes atravesándolo solo por encima de tu propia cabeza, en el resto de la superficie del agua solo se verán las paredes de la piscina.
A partir del razonamiento anterior, está claro que, a diferencia de la refracción, la reflexión total no es un fenómeno reversible, solo ocurre cuando se pasa de un medio más denso a uno menos denso, pero no al revés.
Reflejo total en la naturaleza y la tecnología
Quizás el efecto más común en la naturaleza, que es imposible sin la reflexión total, es el arcoíris. Los colores del arcoíris son el resultado de la dispersión de la luz blanca en las gotas de lluvia. Sin embargo, cuando los rayos pasan dentro de estas gotitas, experimentan un reflejo interno simple o doble. Por eso el arcoíris siempre aparece doble.
El fenómeno de la reflexión total interna se utiliza en la tecnología de fibra óptica. Gracias a las fibras ópticas, es posible transmitir ondas electromagnéticas sin pérdida a largas distancias.
