Luz polarizada
Introducción
En el artículo sobre ondas electromagnéticas
quedó claro que estas se producen por el movimiento acelerado de
cargas
eléctricas, especialmente cuando las cargas adquieren un
movimiento
oscilatorio. Allí, además, se puso de manifiesto que las
ondas
electromagnéticas están compuestas por dos campos, uno
eléctrico y otro
magnético cuyas magnitudes están acopladas y son
mutuamente
perpendiculares en cualquier punto, y a la vez, ambas, son
transversales a la dirección de propagación de la onda,
de forma que
puede representarse como se muestra en la figura 1.
En ella la magnitud E es
el valor del campo eléctrico y la B la del campo
magnético en cualquier
momento. Observe que son mutuamente perpendiculares, y el tiempo, es
decir, la dirección de propagación transcurre en el
sentido z.
Ha sido demostrado en muchas ocasiones que la velocidad de
propagación
de las ondas electromagnéticas en el vacío es una
magnitud constante e
igual a la velocidad de la luz. Este hecho hizo pensar a los
científicos que la luz era una onda electromagnética mas,
y los
experimentos posteriores demostraron que efectivamente la luz
tenía un
comportamiento de onda, obedecía a las leyes de la reflexión, la superposición
etc. al igual que cualquier onda.
Aunque la naturaleza
de la luz
es compleja y está aun en discusión entre los
científicos, para el
interés de este artículo utilizaremos su comportamiento
como onda
electromagnética pura.
Una particularidad de las ondas electromagnéticas, tratadas en
el
artículo referido arriba, es que ellas se propagan en la
realidad como
ondas planas, es decir tienen un frente de onda recto.
Ondas electromagnéticas polarizadas
Para facilitar la comprensión vamos a considerar la forma mas
simple de polarización, la polarización
lineal. Utilicemos para ello la onda electromagnética
representada en la figura 1, que se propaga en la dirección z y tiene un campo eléctrico
alineado con un plano en la dirección x.
Esta "geometría" de la onda se mantendrá así en
todo su trayecto de
desplazamiento, es decir el campo eléctrico variable de la onda
está en
un plano que mantiene siempre una alineación definida con
respecto a la
dirección de propagación, de dice entonces que la onda es polarizada linealmente.
La luz, como onda electromagnética al fin, también puede,
de hecho, estar polarizada.
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Figura 1. Posiciones relativas de
los campos eléctrico y magnético en una onda
electromagnética con
respecto a la dirección de propagación. E campo eléctrico y B campo magnético
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Las fuentes naturales de luz
Las fuentes que no rodean, bombillas incandescentes, sol etc. producen
ondas electromagnéticas que pueden ser detectadas por nuestros
ojos y
que por ello le hemos llamado luz. Estas ondas
electromagnéticas, se
producen por la intensa vibración de las partículas
cargadas dentro de
su estructura atómica, vibración que será mas
rápida o mas lenta de
acuerdo a la temperatura del cuerpo y que a la vez dará lugar a
la
frecuencia de la onda electromagnética (mayor a medida que las
partículas oscilan mas rápido). Al conjunto de las
frecuencias de las
ondas electromagnéticas se le llama espectro
electromagnético, y
en la práctica, este espectro se ha dividido en secciones con
nombre. Las mas bajas corresponden a las ondas de radio
(frecuencias a las que se hacen las transmisiones radiales y de
televisión), si subimos algo mas la frecuencia entonces entramos
en la
categoría de micro ondas
(utilizadas en los hornos del mismo nombre), mas alta aun están
los rayos infrarrojos
(típicos de los controles remotos). Al seguir subiendo caemos en
una estrecha zona que es detectable por nuestros ojos, las ondas visibles y mas arriba
aparecen, en ese orden, los rayos
ultravioletas, los rayos X
y los rayos gamma. La figura
2 da muestra de ello.
Usemos
ahora el filamento de una bombilla como ejemplo. Empezamos a
suministrarle una corriente eléctrica cuya intensidad podamos
manejar.
El paso de la electricidad calentará el filamento y con ello
hará vibrar intensamente sus cargas eléctricas
atómicas internas.
Si empezamos con una corriente muy baja, el calor generado es poco, y
aunque no podamos verlas, el filamento está emitiendo ondas
electromagnéticas a su alrededor. Las ondas generadas
están a
frecuencias demasiado bajas como para ser detectadas por nuestros ojos
y caemos en las zonas de ondas de radio, micro ondas e infrarrojo. A
partir de cierta corriente la temperatura sube lo suficiente como para
que comencemos a ver el filamento de color rojizo, la frecuencia de las
ondas emitidas ha crecido y ya estamos entrando en la zona visible,
pero en sus frecuencias mas bajas, que corresponden al color rojo, al
seguir calentando podemos hacer que el filamento vaya cambiando de
color hasta terminar completamente incandescente emitiendo una luz
blanca.
Si entramos en la intimidad de material del filamento veremos, que como
todo cuerpo, está compuesto por átomos, y que estos
átomos están
dispuestos en una estructura espacial que permite las oscilaciones
atómicas de acuerdo muchas posibilidades direccionales y de
frecuencias,
que pueden ser incluso al azar. Nos podremos dar cuenta, evidentemente,
que las ondas emitidas (luz) de este tipo es, de hecho un conjunto al
azar de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y con
sus
campos eléctricos orientados en todas direcciones, la luz no
está
polarizada, es no polarizada.
Lo mismo sucede con la luz del sol, la de una llama etc.
Polarizadores
Vamos ahora a ver como podemos polarizar la emisión de ondas
electromagnéticas emitidas no
polarizadas desde una fuente.
Auxiliémonos de un montaje como el de la figura 3, en él
hay un emisor (B)
de ondas electromagnéticas polarizadas tales como la
representada en la
figura 1, con una longitud de onda en el orden de 1 cm, y a cierta
distancia un receptor (A) que detecta las ondas.
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Figura 2. Espectro electromagnético
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En el receptor se ha
colocado un instrumento indicador que muestra la intensidad del la
señal recibida a través de una aguja.
La dirección y magnitud del campo eléctrico se representa
con flechas
rojas, y es, como puede apreciarse, harmónico (sinusoidal),
horizontal
y perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
En el esquema
presentado en la figura 3 no hay interferencia alguna en el camino de
la onda por lo tanto la aguja del indicador está en su
posición máxima.
¿Pero que pasa si interponemos una parrilla, tal como la de un
horno de
la estufa del hogar? La influencia la podemos ver en las figuras 4 y 5.
Habíamos dicho que la longitud de la onda
electromagnética estaba en el
orden de 1 cm, lo que es comparable con el diámetro y
separación de las
varillas en una parrilla estándar de la cocina.
Centrémonos en la
figura 4, observe que los alambres del la parrilla son paralelos al
campo eléctrico, los electrones de los alambres se pueden mover
en
respuesta al campo eléctrico en la dirección de los
alambres. Debido a
que se ponen en un movimiento relativamente libre, los electrones
absorben grandes cantidades de energía del campo
eléctrico, que se
pierde en calentamiento del alambre. El campo eléctrico que pasa
a
través de la parrilla se ve disminuido en magnitud debido a que
se
extrae energía de la onda. En efecto, cuando los alambres de la
parrilla son paralelos al campo eléctrico resulta "opaca" al
paso de la
onda, la disminuye, le consume la energía.
Si cambiamos de posición la parrilla de forma que sus alambres
sean
perpendiculares a la dirección del campo eléctrico como
puede verse en
la figura 5, esta resulta transparente (o casi transparente) al paso
de la onda. ¿Porque?.
En este caso, el campo eléctrico también puede acelerar
los electrones,
pero estos solo podrán hacerlo en el pequeño espacio
constreñido al
diámetro del alambre, los electrones no podrán responder
a plenitud y
no podrán absolver grandes cantidades de energía,
la energía se
mantiene alta en la onda y la parrilla resulta transparente a su paso.
Este efecto se usa en los polarizadores, de manera que si interponemos
una parrilla de alambre al paso de una onda no polarizada,
servirá como
un polarizador, los alambres de la parrilla serán sólo
transparentes a
las ondas cuyos campos eléctricos sean perpendiculares a los
alambres,
y consumirán en mayor o menor medida, la energía del
resto de las ondas
en dependencia del ángulo entre el campo eléctrico y la
dirección de
los alambres. El uso de más de una etapa de polarización
terminará por
agotar la energía de todas las ondas, excepto la de aquella cuyo
campo
eléctrico sea perpendicular a los alambres de la parrilla.
No es difícil darse cuenta que si colocamos dos polarizadores de
este
tipo en el camino de un haz de luz no polarizada, un observador
detrás
de los polarizadores recibirá un haz luminoso mas o menos
intenso de
acuerdo a la posición angular relativa de los "alambres" en uno
y otro
polarizador. Cuando los alambres de uno y otro son paralelos, la luz
que pasa por el primero, y que resulta polarizada, podrá seguir
su
camino a través del otro, pero cuando el segundo se coloca de
tal forma
que sus alambres sea perpendiculares a los del primero, la luz
resultará completamente bloqueada. A otros ángulos se
produce un efecto
intermedio.
Los polarizadores nos rodean en la vida práctica. Las famosas
gafas
polarizadas que muchos hemos utilizado, por ejemplo en la playa, se
basan en este principio, pero por supuesto, el diámetro y la
distancia
de los "alambres" dentro del material de los lentes está muy
reducido,
para que esté en el orden de la longitud de las ondas visibles
que es
muy pequeña. Otro polarizador que tenemos en casa está en
la puerta del
horno de microondas, si se fija, verá que hay una malla
metálica de
pequeños orificios, esta malla es transparente a la luz visible
(podemos ver el interior de horno), pero opaca a las microondas del
horno que pueden ser perjudiciales a la salud.
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Figura 3
Figura 4
Figura 5
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El fenómeno de la polarización puede ser mas complejo que
lo descrito
hasta aquí para la polarización lineal, puede ser
circular, elíptica y
de otras formas, pero esto sale del interés del
artículo.
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