INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESIME Zacatenco I.C.E. Campos y ondas electromagnéticas Profesor: Valentín Casillas Sánchez Práctica 2 Óptica Electromagnética Equipo 2 Maldonado Ibarra David Ochoa Vázquez Jacobo Padilla San Martin Alfredo Valdés Sandoval Gabriel Grupo 3CM14

2 INTRODUCCIÓN TEÓRICA PROPIEDADES ÓPTICAS DE LOS MATERIALES La luz y el espectro electromagnético La luz visible es una forma de radiación electromagnética con longitudes de onda que se extienden desde aproximadamente 0.40 a 0.75 mm. (Figura 1). La luz visible contiene bandas de color que van del violeta hasta el rojo. La región ultravioleta cubre el rango de aproximadamente 0.01 a 0.4 mm y el infrarrojo va desde 0.75 a 100 mm. La luz puede considerarse como una entidad que tiene comportamiento de onda y que consta de partículas llamadas fotones. La energía (E), la longitud de onda (l) y la frecuencia (n) de los fotones se relacionan por la siguiente ecuación: Brillo El aspecto general de la superficie de un material cuando se refleja la luz se conoce como : El brillo de los materiales puede ser de dos tipos generales metálico. Metálico y No Un material que tenga el aspecto brillante de un metal tiene un brillo metálico. Además estos materiales son completamente opacos a la luz.

3 Un material sin aspecto metálico tiene, como su nombre lo implica, un brillo no metálico. Son materiales que o bien son transparentes o translúcidos Color Cuando la luz incide en la superficie de un mineral, parte de ella se refleja y parte se refracta. Si la luz no sufre absorción, el material es incoloro. Los materiales son coloreados porque absorben ciertas longitudes de onda de la luz y el color es el resultado de una combinación de aquellas longitudes de onda que llegan al ojo. Algunos materiales exhiben diferentes colores cuando la luz se transmite en direcciones cristalográficas diferentes. Esta absorción selectiva es conocida con el nombre de pleocroísmo. En algunos casos, el color es debido a cantidades apreciables de un elemento como el hierro, que tiene un algo poder de pigmentación. Los iones de ciertos elementos absorben la luz muy intensamente y su presencia en cantidades pequeñas, aun en trazas, puede ser la causa de que el material tenga un color intenso. Estos elementos son denominados cromóforos. Algunos de ellos son el Fe, Mn, Cu, Cr, Co, Ni y V. Transparencia. Según el comportamiento ante la luz, los materiales pueden clasificarse como: Materiales transparentes: Son los que dejan pasar la luz a través de ellos sin ninguna dificultad. Un objeto visto a través de un material transparente, puede observarse perfectamente con todos sus detalles (Ej. Vidrio de ventana) Materiales translúcidos: Son los que dejan pasar la luz a través de él, pero transmiten una imagen difusa. Un objeto visto a través de un material transparente, es probable que solo se le distingan los contornos Materiales opacos: Son los que no dejan pasar la luz a través de ellos. Luminiscencia La luminiscencia puede definirse como cualquier emisión de luz por un material que no es el resultado directo de la incandescencia. Normalmente la luminiscencia suele ser débil y puede observarse únicamente en la oscuridad. Dentro de la luminiscencia se destacan: Fluorescencia y fosforescencia Los materiales que se hacen luminiscentes al ser expuestos a la acción de los rayos ultravioletas, rayos X o rayos catódicos, son fluorescentes. Si la luminiscencia continúa después de haber sido cortada la excitación, se dice

4 entonces que el material es fosforescente. La fosforescencia se observó en algunos materiales naturales que habían estado expuestos a la acción de los rayos del sol, y que daban luz al ser introducidos en una habitación oscura. No existe una clara diferencia entre la fluorescencia y la fosforescencia, ya que algunos materiales que a primera vista parecen solamente fluorescentes, usando métodos finos se comprueba que siguen dando luz durante una fracción de segundo, después de haber sido separados de los rayos excitadores. Por consiguiente, el fenómeno se considera por algunos como el mismo. La fluorescencia está muy asociada con la presencia de ciertas impurezas en los materiales. Se produce cuando la energía de la radiación de corta longitud de onda es absorbida por los iones de la impureza y emitida como radiación de mayor longitud de onda (luz visible). Algunos materiales fluorescen solo en ondas ultravioletas cortas, mientras que otros pueden fluorescer solo en ondas ultravioletas largas y algunos otros fluoreseran bajo ambas longitudes de onda ultravioleta. El color de la luz emitida varía considerablemente con las longitudes de onda o fuente de luz ultravioleta. La fluorescencia es una propiedad que no puede ser predicha, ya que algunos materiales pueden presentarla y otros, aparentemente iguales, no la poseen. No solo varía enormemente el color de la fluorescencia sino que ni siquiera guardan alguna relación con el color natural de aquellos. Actualmente, se hacen muchos objetos fluorescentes gracias al desarrollo de los fósforos sintéticos. Es así como podemos observar telas, pinturas, cintas y lámparas fluorescentes. Termoluminiscencia Es la propiedad que poseen algunos materiales de producir luz visible cuando se calientan a una temperatura por debajo del rojo. Es frecuente, que cuando un material exhiba esta propiedad, la luz visible inicial se acentúe en un rango de temperaturas relativamente bajas, 50 a 100 C y también es frecuente que la luz cese de ser emitida a temperaturas superiores a los 475 C. Triboluminiscencia Es la propiedad que poseen algunos materiales de hacerse luminosos al ser molidos, rayados o frotados. El cuarzo es un buen ejemplo de un material triboluminiscente.

5 Índice de Refracción Cuando un haz de luz pasa de un medio a otro, o sea que atraviesa un segundo medio, pierde algo de su energía y, en consecuencia, cambia su velocidad y por ello, cambia de dirección La velocidad relativa de la luz que pasa a través de un medio se expresa por medio de una propiedad óptica llamada Índice de Refracción (n). El valor del índice de refracción se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío, C, y la velocidad de la luz en el medio considerado, v Los índices de refracción para la luz que pasa de un medio con índice n1 a otro con índice n2 están relacionados con los ángulos de incidencia y refracción según la ley de Snell. Nótese que si la luz pasa de un medio de mayor índice de refracción a uno de menor índice de refracción, el ángulo de refracción se hace más pequeño. Cuando la luz pasa de un medio a otro con índice de refracción más bajo, existe un ángulo crítico de incidencia qc, que si aumenta, da lugar a una reflexión interna total. Este ángulo crítico qc, corresponde a un ángulo de refracción qr = 90. La apariencia del material es una consecuencia de la magnitud del índice de refracción, n.

6 El centelleo característico asociado a los diamantes y a ciertas piezas de arte de vidrio es el resultado de un elevado valor de n, lo cual permite que se produzcan múltiples reflexiones internas de la luz. La adición de óxido de plomo (n = 2,60) a los vidrios de silicato eleva el índice de refracción, proporcionándoles esa apariencia característica de cristal fino. Birrefringencia y doble refracción Bartholinus en 1669 dio a conocer que un punto en un papel (rayo luminoso) da lugar, cuando se ve a través de un romboedro transparente de calcita a dos imágenes(figura 3). Así un rayo que incide normalmente produce no solo un rayo OPo (Rayo ordinario), que no se desvía, sino también un segundo rayo OPE (Rayo extraordinario). Ambos rayos siguen trayectorias diferentes dentro del cristal. El Rayo OPo cumple la ley de Snell y el rayo OPE no la cumple. En 1811 Fresnel y Arago, demostraron además que este par de rayos estaban polarizados en direcciones mutuamente perpendiculares. Cada uno de estos rayos que se generan a partir de un rayo incidente, presenta una velocidad y una dirección

7 características dentro del cristal, por ello cada uno de ellos tiene un índice de refracción diferente. La posesión de más de un índice de refracción por parte de un material, se conoce como DOBLE REFRACCIÓN O BIRREFRINGENCIA. Reflectividad No toda la luz que llega a un material transparente entra en el material y se refracta, como se ha descrito hasta ahora. Una parte de esta luz es reflejada en la superficie, con un ángulo de reflexión igual al ángulo de incidencia. (Figura 4). La reflectividad se define como la fracción de luz reflejada en una entrecara y está relacionada con el índice de refracción a través de la fórmula de Fresnel Esta ecuación es estrictamente válida en el caso de incidencia normal (si = 0), pero es una buena aproximación en un amplio intervalo de sí. Los materiales con un alto índice de refracción son también altamente reflectantes. Hay aplicaciones en las cuales esta característica es altamente deseable tal como en los recubrimientos con esmaltes vítreos. Hay otras aplicaciones, en cambio, en las que una alta reflectividad produce una pérdida de luz no deseada, tal como en los lentes o en los vidrios que cubren algunos cuadros. Por esta razón se desarrollaron recubrimientos antireflectivos que minimizan este problema. En este caso, el recubrimiento produce una onda reflejada que anula la producida por la superficie del material (figura 5)

8 Polarización de la luz La luz puede ser considerada como un movimiento ondulatorio cuyas vibraciones tienen lugar en todas las direcciones que forman ángulo recto con la dirección de propagación. Cuando el movimiento ondulatorio se reduce a vibraciones en un solo plano, se dice que la luz está polarizada en un plano. (Figura 6) Hay tres formas principales de polarizar la luz, que son por doble refracción, por absorción y por reflexión. Luz polarizada por doble refracción: Cuando la luz atraviesa un cristal anisotrópico se divide en dos rayos polarizados. El principio sobre el que se basó el primer polarizador eficiente fue la eliminación de uno de estos rayos por

9 métodos físicos. Se utilizó la calcita en su variedad transparente y el polarizador resultante fue llamado prisma de Nicol gracias a su inventor. Luz polarizada por absorción: Los rayos polarizados en los que se divide la luz al atravesar cristales anisotrópicos pueden ser absorbidos diferencialmente. Si un rayo sufre casi absorción completa y el otro muy poca, el rayo emergente será polarizado en un plano. Este fenómeno lo exhiben algunos materiales naturales tales como la turmalina. La luz que atraviesa el cristal formando ángulo recto con el plano [001] emerge esencialmente polarizada en un plano, con vibraciones paralelas al eje c. El otro rayo, que vibra perpendicularmente al primero, es casi completamente absorbido. Láminas polarizantes como las Polaroid, se fabrican alineando cristales de turmalina en una base de acetato de celulosa. Luz polarizada por reflexión La luz reflejada por una superficie lisa no metálica está parcialmente polarizada con las direcciones de vibración paralelas a la superficie reflectante. El grado de polarización depende del ángulo de incidencia y del índice de refracción de la superficie reflectante. Está casi completamente polarizada cuando el ángulo entre los rayos reflejado y refractado es de 90 (ley de Brewster). El hecho de que la luz reflejada está polarizada puede demostrarse fácilmente mirándola a través de un filtro polarizante. Cuando la dirección del filtro es paralela a la superficie reflectante, la luz pasa a través del filtro con solo una ligera reducción de intensidad; cuando el filtro se gira 90, solo un pequeño porcentaje de la luz llega al ojo. Fenomenos Opticos Refraccion La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Solo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen refracciones distintas. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa

10 frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda. Cuando un rayo se refracta al pasar de un medio a otro, el ángulo de refracción con el que entra es igual al ángulo en que sale al volver a pasar de ese medio al medio inicial. Reflexión La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua. Reflexión de la luz y sus leyes Es el cambio de dirección, en el mismo medio, que experimenta un rayo luminoso al incidir oblicuamente sobre una superficie. Para este caso las leyes de la reflexión son las siguientes: 1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en un mismo plano. 2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. θ i = θ r Difracción La difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz

11 de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor. La interferencia se produce cuando la longitud de onda es mayor que las dimensiones del objeto, por tanto, los efectos de la difracción disminuyen hasta hacerse indetectables a medida que el tamaño del objeto aumenta comparado con la longitud de onda. En el espectro electromagnético los Rayos X tienen longitudes de onda similares a las distancias interatómicas en la materia. Es posible por lo tanto utilizar la difracción de rayos X como un método para explorar la naturaleza de la estructura cristalina. La difracción producida por una estructura cristalina verifica la ley de Bragg. Debido a la dualidad onda-corpúsculo característica de la mecánica cuántica es posible observar la difracción de partículas como neutrones o electrones. En los inicios de la mecánica cuántica este fue uno de los argumentos más claros a favor de la descripción ondulatoria que realiza la mecánica cuántica de las partículas subatómicas. Divergencia La divergencia de un haz electromagnético es una medida angular del incremento en el diámetro del haz con respecto a la distancia desde la apertura óptica o la apertura de la antena desde donde emerge el haz. El termino es relevante solo en el "campo lejano", lejos de cualquier foco del haz. De todos modos, en términos prácticos, el "campo lejano" puede comenzar físicamente cerca de la "apertura de radiación", dependiendo del el diámetro de apertura y la longitud de onda de funcionamiento. La divergencia es usada a menudo para caracterizar un haz electromagnético en un sistema óptico, para casos en que la apertura desde donde emerge dicho haz es muy grande con respecto a la longitud de onda. También es usado en sistemas de Radio Frecuencia (RF) para los casos en que la antena está operando en la región llamada "región óptica" que es, igual que en el caso óptico, mucho más grande con respecto a la longitud de onda. La divergencia usualmente se refiere a una sección transversal circular de un haz, pero no necesariamente. Un haz puede, por ejemplo, tener una sección transversal elíptica, en cuyo caso se deberá indicar la orientación del la divergencia, por ejemplo, con respecto al eje mayor o menor de la sección transversal de la elipse.

12 PRÁCTICA NUMERO 2 Óptica electromagnética Objetivo: Visualizar los fenómenos ópticos presentes en las ondas electromagnéticas Equipo y Material empleado: Entrenador MWT-530 Soporte Universal Prisma de Cera Desarrollo: Para el desarrollo de esta práctica utilizamos una Señal de Referencia para comprobar los diferentes fenómenos ópticos, esta señal fue de 1 ma, probamos 4 diferentes posiciones con el prisma, esto para probar si existía algún fenómeno óptico. A) En esta posición hubo transmisión de señal, no hubo disminución de en la señal, y registro 1 ma.

13 B) En esta posición también hubo transmisión de señal, no hubo disminución de en la señal, y registro 1 ma. C) En esta posición la señal también pudo transmitirse sobre el prisma, no hubo disminución de en la señal, y registro 1 ma.

14 D) En esta posición la señal también pudo transmitirse sobre el prisma, no hubo disminución de en la señal, y registro 1 ma.

15 Observaciones Observamos que los fenomenos opticos se pueden presentar en diferentes medios, y dependiendo la posicion del medio, este producira algun fenomeno optico, tales como refraccion, difraccion, transmicion, etc Y dependiendo con que objetos se intente comprobar estos fenomenos puede variar su efectividad. Tambien con esta pratica pudimos comprobar los fenomenos opticos, aunque solo se presento la transmicion, los demas fenomenos opticos tambien pueden existir, solamente que el equipo no es apto para registrar ese tipo de fenomenos.

16 Conclusion Maldonado Ibarra David Pudimos comprobar los diferentes fenómenos ópticos que se presentan en la transmisión de una señal de referencia hacia un receptor. Y dependiendo del material por donde se quiera transmitir la señal, este producirá un efecto óptico, tal es el caso de la transmitancia, este se presenta en materiales transparentes o traslucidos, mientras que en materiales opacos no se presenta directamente, sino de una forma diferente, es decir, difracción, reflexión u otro fenómeno óptico. Ochoa Vázquez Jacobo Los fenómenos ópticos son las diferentes formas con las que se puede interrumpir, aumentar, disminuir, mantener o desviar una señal a través de diferentes medios de propagación o de algunos materiales en específico con los que se acostumbra a trabajar en estos casos, todo esto afecta respecto a la densidad y otras propiedades del medio y los materiales. Padilla San Martín Alfredo Con lo realizado en la práctica podemos concluir que la transmisión es las transmisiones se realizan habitualmente empleando ondas electromagnéticas que se propagan a través del canal. Por medio de esta práctica se comprobaron los femémonos de los diferentes tipos de formas de transmisión como difracción y refracción. Valdés Sandoval Gabriel Mediante la realización de la práctica se pudo concluir que en toda transmisión electromagnética se pueden presentar todos los tipos de fenómenos ópticos y esto depende del medio de por el cual se transmita la señal.

17 Bibliografía Lorrain P. Corson D. Campos y ondas electromagnéticas. Selecciones Científicas (1972). Mak, Young. Floating metal ring in an alternating magnetic field. Óptica Electromagnética, Tejero Cantero Óptica Tradicional y Moderna, Malacara Daniel