3.1 REFRACCIÓN DE LA LUZ

Cuando llega la onda de la luz a la frontera de dos medios, una parte de ella se refleja y la otra se transmite. La característica mas llamativa de esta onda que es transmitida al otro lado de la superficie de la frontera, es que sus rayos no conservan la misma dirección que los de la onda incidente. Este fenómeno en el que se presenta la reflexión de los rayos en la transmisión de ondas se denomina refracción.


Cuando la luz cambia de medio, su velocidad de propagación cambia, a cuando magnitud y dirección, de acuerdo con las características del medio. Por ejemplo. cuando un rayo de la luz pasa del medio aire al medio agua, cambia su direccion acercándose a lo normal y disminuyendo su rapidez de propagación. Es por eso que si estamos en el medio aire y observamos a un objeto sumergido en agua lo vemos de mayor tamaño y mas cercano comparado a la observación hecha si el objeto esta en el mismo medio, aire , como se observa en la figura.

Para describir de forma geométrica la refracción de la luz, es conveniente definir los siguientes elementos, que se ilustran en la siguiente figura. 

• El RAYO INCIDENTE: es el rayo que llega o incide en la frontera de los medios.

• El RAYO REFRACTADO:es el rayo que se transmite por el segundo medio, una vez llega a la frontera.

• LA Normal: es la recta perpendicular a la linea que divide los dos medios, es decir, la superficie del segundo medio.

• ANGULO DE INCIDENCIA: es el angulo que forma el rayo incidente con la normal denota con la letra ¡.

• ANGULO DE REFRACCIÓN: es el angulo que se forma el rayo reflejado con la normal, se identifica con la letra r.

Al igual que en la reflexión, el rayo incide, la normal y el rayo reflejado se encuentra en un mismo plano.

LA LEY DE LA REFRACCIÓN

la Experiencia muestra que los rayos incidentes y refractados cumplen la siguientes leyes:

• Cada rayo de onda incide y el correspondiente rayo de la onda transmitida forma un plano que contiene a la recta normal a la superficie de separación de los dos medios. 

• La relación entre los senos de los ángulos de incidencia y de refracción es una relación constante e igual al cociente entre la velocidad con que se propaga la luz en el primer medio y la velocidad con que se propaga en el segundo medio. 

Sen 0¡ = V1

sen 0r   V2

Por lo tanto, en termino de los ángulos que forman los rayos incidente y refractado con la normal, obtenemos:

Sen ¡ = V1

Sen r   V2

La anterior se expresa matemáticamente como:

n = c

    v

El indice de refracción siempre es mayor que 1, y varia ligeramente con la temperatura y la longitud de ondas de la luz; este fenómeno origina la dispersión de la luz.

Podemos encontrar una expresión que relacione los indices de refracción de dos medios, con la velocidad de la luz en dichos medios. si en el medio 1 la velocidad de la luz es v1 y su indice de refracción es n1 y, en medio 2 la velocidad de la luz es v2 y su indice de refracción es n2 entonces:

n1 =  c   y  n2 =  c 

      v1           v2

v1 =  c   y  v2 =  c 

      n1           n2

Como      sen ¡ = v1

          sen r   v2

Entonces  sen ¡ = n¡ = n2

          sen r   c    n1

          sen ¡ = n2 = v1

          sen r   n1   v2

Por lo tanto, podemos escribir las ecuaciones como:

sen ¡ = n2

sen r   n1

n2 = v¡

n1   v2

En la figura anterior se muestra un rayo de luz que al refractarse aumenta su velocidad v¡ < v2, observa que el rayo refractado se aleja de la normal, ¡ < r'. El indice de refracción del medio 1 es mayor que el del medio 2, n¡ > n2. La figura muestra un rayo refractado se acerca a la normal, ¡ > r'. El indice de refracción del medio 1 es menor que el del medio 2, n¡<n2.

REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN TOTAL

Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro cuyo indice de refracción es mayor, por ejemplo del aire al vidrio, los rayos refractados se acerca a lo normal con respecto a los rayos incidentes. Si el angulo de incidencia es de 90% el angulo de refracción se denomina angulo limite y lo denotamos como r'¡.

En la siguiente figura se representa varios rayos (A, B, C, Y D)que incide desde el aire hacia el vidrio.

Se puede observar que todos los rayos que penetran en el segundo medio, están contenidos en un cono cuyo angulo del vértice es el angulo limite.

Según la ley de Snell, el angulo limite para el cual ocurre este fenómeno  se expresa como: 

sen 90° = n2

sen '¡    n1

Es decir,

sen '¡ = n1

         n2

Por el contrario, si el indice del segundo medio es menor, como del vidrio al aire, los rayos refractados se aleja de la normal, como se muestra en la figura.

Observa que el rayo refractado se propaga en dirección paralela a la superficie.

si el angulo de incidencia es mayor que el angulo limite, toda la luz se refleja y se produce entonces la reflexión total. En este caso, el angulo limite, ¡1, según la ley de Snell es:

 sen ¡1 = n2

sen 90°   n1

Y Por tanto,

sen ¡1 = n2

         n1