Informe Nº 8 - Reflexion y Refraccion Ley de Snell y Angulo Limite

$: Informe Nº 8 - Reflexion y Refraccion Ley de Snell y Angulo Limite$
LABORATORIO DE FISICA II

“Año de la Integración Nacional y el Reconocimiento de Nuestra Diversidad”

Laboratorio de Física II

TEMA :

REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN LEY DE SNELL Y ANGULO LIMITE

INTEGRANTES :

SECCION : 331

PROFESOR : SANTA CRUZ DELGADO, JOSE

SEMESTRE : 2012-II

TURNO : Viernes 14/12/12 18:30 – 20:00 p.m.

LIMA – PERU

2012

1


1.1. OBJETIVOS::

- Estudio básico cualitativo y cuantitativo de la reflexión y refracción de la luz.

- Comprobar la Ley de Snell para la reflexión y la refracción.

- Encontrar el ángulo de reflexión total interna de un medio (ángulo límite).

2. EQUIPOS Y MATERIALES:

3. MARCO TEÓRICO:

2


3


4


4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

TABLA N° 1: Datos Experimentales

Θi Θr senΘi senΘr SenΘi/senΘr

0 0 0 0 0

10 10 0.17 0.17 1

20 20 0.34 0.34 1

30 30 0.50 0.50 1

40 40 0.64 0.64 1

50 50 0.76 0.76 1

60 61 0.86 0.87 0.98

5


70 71 0.93 0.94 0.98

80 82 0.96 0.99 0.98

90 87 1 0.99 1.01

6


TABLA N° 2: datos Experimentales

Θi Θr Θt senΘi senΘt senΘi/senΘt n

5 5 4 0.08 0.06 1.33 1.33

10 10 7 0.17 0.12 1.41 1.41

20 21 14 0.34 0.24 1.41 1.41

30 61 20 0.50 0.34 1.47 1.47

40 41 26 0.65 0.43 1.51 1.51

50 51 32 0.77 0.52 1.48 1.48

60 62 37 0.88 0.60 1.46 1.46

70 73 41 0.95 0.65 1.46 1.46

80 83 42 0.98 0.66 1.48 1.48

85 85 43 0.99 0.68 1.45 1.45

TABLA N° 3: Datos Experimentales

7


Θi(ref) Θt senΘi senΘt Θi(exp)

5 6 0.08 0.10 4.58

10 13 0.17 0.22 9.78

15 21 0.25 0.35 14.47

20 29 0.34 0.48 19.87

25 37 0.42 0.60 24.83

30 46 0.50 0.71 30

35 57 0.57 0.83 34.75

40 75 0.64 0.96 39.79

41 80 0.65 0.98 40.54

42 86 0.66 0.99 41.29

43 90 0.68 1 42.84

5. CUESTIONARIO

1. Demuestre la ley de reflexión u refracción usando el principio de Huygens y fernat

El principio de Fermat

A partir del principio del tiempo mínimo de Fermat, se puede obtener las leyes de la reflexión y de la refracción de un modo muy sencillo.

Este principio afirma, que la trayectoria real que sigue un rayo de luz entre dos puntos es aquella en la que emplea un tiempo mínimo en recorrerla.

Ley de la reflexión

Sea una fuente S que emite rayos que se reflejan en una superficie horizontal reflectante y llegan al observador situado en el punto P. Como la luz se propaga en el mismo medio homogéneo, para encontrar la trayectoria que sigue un rayo de luz tal que emplee un tiempo mínimo en recorrerla, equivale encontrar la trayectoria cuya longitud es mínima.

8


Imaginemos que un rayo emitido por S se refleja en A y llega a P. La longitud del camino seguido por este rayo es SAP, y esta longitud es igual a S’AP, siendo S’ la fuente puntual S reflejada en la superficie. Esta línea es quebrada y por tanto, de mayor longitud que la línea recta S’BP, que tiene igual longitud que SBP.

Para la línea SBP, el ángulo de incidencia θi (que forma el rayo incidente, con la normal a la superficie reflectante) es igual al ángulo de reflexión θr (que forma el rayo reflejado con dicha normal)

Ley de la refacción

Calculamos el tiempo que tarda un rayo de luz en ir de la fuente S hasta llegar al observador P. El primer tramo SO lo recorre en el primer medio con velocidad v1, y el segundo tramo OP lo recorre en el segundo medio con una velocidad v2.

El tiempo t es una función de la posición x de O. La función t(x) tendrá un mínimo en la posición x en la que se cumple que la derivada primera de t respecto de x a cero

Esto es equivalente a escribir

9


El principio de Huygens

El principio de Huygens proporciona un método geométrico para hallar, a partir de una forma conocida del frente de ondas en cierto instante, la forma que adoptará dicho frente en otro instante posterior. El principio supone que cada punto del frente de ondas primario da origen a una fuente de ondas secundarias que producen ondas esféricas que tienen la misma frecuencia y se propagan en todas las direcciones con la misma velocidad que la onda primaria en cada uno de dichos puntos. El nuevo frente de ondas, en un instante dado, es la envolvente de todas las ondas secundarias tal como se muestra en la figura.

Supongamos que conocemos la forma del frente de ondas inicial AB. Sobre el frente situamos varias fuentes de ondas secundarias señaladas por puntos de color rojo y azul. Sea v es la velocidad de propagación en el punto donde está situada la fuente secundaria de ondas. Para determinar la forma del frente de ondas A'B' en el instante t, se traza una circunferencia de radio v·t. centrada en cada una de las fuentes (en color rojo). La envolvente de todas las circunferencias es el nuevo frente de ondas en el instante t.

El radio de las circunferencias será el mismo si el medio es homogéneo e isótropo, es decir, tiene las mismas propiedades en todos los puntos y en todas las direcciones.

10


Ley de la reflexión

En la parte izquierda de la figura, se muestra el aspecto de un frente de ondas que se refleja sobre una superficie plana. Si el ángulo que forma el frente incidente con la superficie reflectante es θi, vamos a demostrar, aplicando el principio de Huygens, que el frente de ondas reflejado forma un ángulo θr tal que θi= θr.

Las posiciones del frente de ondas al cabo de un cierto tiempo t, se calculan trazando circunferencias de radio v·t con centro en las fuentes secundarias de ondas situadas en varios puntos del frente de onda inicial.

Las ondas secundarias situadas junto al extremos superior A se propagarán sin obstáculo, su envolvente dará lugar a un nuevo frente de ondas paralelo al inicial y situado a una distancia v·t. Las ondas secundarias producidas en el extremo inferior del frente de ondas chocan contra la superficie reflectante, invirtiendo el sentido de su propagación. La envolvente de las ondas secundarias reflejadas da lugar a la parte del frente de ondas reflejado. El frente de ondas completo en el instante t tiene la forma de una línea quebrada.

Tomemos la fuente de ondas secundarias P, de la porción OP del frente de ondas incidente, trazamos la recta perpendicular PP’, tal que PP’=v·t. Con centro en O trazamos una circunferencia de radio v·t. Se traza el segmento P’O’ que es tangente a dicha circunferencia. Este segmento, es la porción del frente de ondas reflejado. De la igualdad de los triángulos OPP’ y OO’P’ se concluye que el ángulo θi es igual al ángulo θr.

Si trazamos las rectas perpendiculares (denominadas rayos) a los frentes de onda incidente y reflejado, se concluye, que el ángulo de incidencia θi formado por el rayo incidente y la normal a la superficie reflectante, es igual al ángulo de reflexión θr formado por el rayo reflejado y dicha normal.

11


Ley de Snell de la refracción

Consideremos un frente de ondas que se acerca a la superficie de separación de dos medios de distintas propiedades. Si en el primer medio la velocidad de propagación de las ondas es v1 y en el segundo medio es v2 vamos a determinar, aplicando el principio de Huygens, la forma del frente de onda un tiempo posterior t.

A la izquierda, se ha dibujado el frente de ondas que se refracta en la superficie de separación de dos medio, cuando el frente de ondas incidente entra en contacto con el segundo medio. Las fuentes de ondas secundarias situadas en el frente de ondas incidente, producen ondas que se propagan en todas las direcciones con velocidad v1 en el primer medio y con velocidad v2 en el segundo medio. La envolvente de las circunferencias trazadas nos da la forma del frente de ondas después de tiempo t, una línea quebrada formada por la parte del frente de ondas que se propaga en el primer medio y el frente de ondas refractado que se propaga en el segundo.

El frente de ondas incidente forma un ángulo θ1 con la superficie de separación, y frente de ondas refractado forma un ángulo θ2 con dicha superficie.

En la parte central de la figura, establecemos la relación entre estos dos ángulos.

En el triángulo rectángulo OPP’ tenemos que

v1·t=|OP’|·senθ1

En el triángulo rectángulo OO’P’ tenemos que

v2·t=|OP’|·senθ2

La relación entre los ángulos θ1 y θ2 es

12


Reflexión total

Si v1>v2 el ángulo θ1 > θ2 el rayo refractado se acerca a la normal Si v1<v2 el ángulo θ1 < θ2 el rayo refractado se aleja de la normal

En este segundo caso, para un ángulo límite θc el ángulo de refracción es θ2 =π/2

El ángulo límite es aquél ángulo incidente para el cual el rayo refractado emerge tangente a la superficie de separación entre los dos medios.

Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo límite, el seno del ángulo de refracción resulta mayor que la unidad. Esto indica, que las ondas que inciden con un ángulo mayor que el límite no pasan al segundo medio, sino que son reflejados totalmente en la superficie de separación.

En la figura, observamos que a medida que se incrementa el ángulo de incidencia θ1 el ángulo de refracción aumenta hasta que se hace igual a π/2. Si se vuelve a incrementar el ángulo de incidencia, la onda incidente se refleja en el primer medio.

Índice de refracción

Se denomina índice de refracción, al cociente entre la velocidad de la luz c en el vacío y la velocidad v de la luz en un medio material transparente.

n=c/v

La ley de Snell de la refracción se expresa en términos del índice de refracción

n1·senθ1= n2·senθ2

En la siguiente tabla, se proporcionan datos acerca de los índices de refracción de diversas sustancias

13


Sustancia Índice de refracción (línea sodio D)Azúcar 1.56Diamante 2.417Mica 1.56-1.60Benceno 1.504Glicerina 1.47Agua 1.333Alcohol etílico 1.362Aceite de oliva 1.46

2. En que consiste el desarrollo de Foucault en 1862 para medir el índice de refracción de una muestra transparente

En 1862, Léon Foucault modificó el sistema de Fizeau empleando un espejo giratorio en lugar de la rueda dentada y obtuvo un valor mucho más preciso: 298 000 Km/s. Veamos cual es el fundamento de su método. El sistema experimental de Foucault es más simple, aunque más delicado de fabricar.

Consiste en un espejo que gira a gran velocidad con el eje de giro situado en el foco de un espejo parabólico. El rayo de luz producido por la fuente se refleja en el camino de ida en el espejo plano giratorio y continua hasta el espejo parabólico.

Allí se refleja de nuevo y comienza el camino de vuelta. Se refleja de nuevo en el espejo giratorio y produce una señal luminosa sobre una pantallaCuando el espejo gira a una velocidad suficientemente elevada para que el tiempo de que tarda en dar una vuelta sea comparable al tiempo que tarda la luz en ir y volver en su recorrido, la señal luminosa se observa a una distancia fácilmente medible del orificio por el que sale el rayo luminoso

14


En estas circunstancias es fácil determinar el ángulo que se ha desviado el rayo. Como se conoce la velocidad de rotación, se determina el tiempo que ha tardado el espejo en girar la mitad de ese ángulo. En este tiempo la luz ha recorrido y de esa cifra se obtiene el valor de la velocidadLa velocidad del espejo fue de 400 revoluciones por segundo y la distancia entre el espejo giratorio y el espejo fijo era de 5 metros

Pero el experimento de Foucault tenía una ventaja enorme: el recorrido de la luz, de tan solo 5 metros, podía hacerse por un tubo lleno de agua y medir, por primera vez en la historia, la velocidad en un medio transparenteEl resultado de ese experimento era crucial en su tiempo, 1850. Recordemos que la teoría corpuscular de la luz implicaba que la velocidad de la partícula luminosa AUMENTABA AL PASAR DEL AIRE AL AGUA, ACERCÁNDOSE A LA NORMAL, en contra de lo que implicaba el modelo ondulatorio. El resultado fue concluyenteVelocidad de la luz en el agua= 226.000 km/sg

"LA LUZ TIENE NATURALEZA ONDULATORIA"

Velocidad de la luz en el aire= 300.000 km/seg

Velocidad de la luz en el agua= 226.000 Km/seg

Jugando con estos números, algo a lo que los científicos son muy aficionados, se llega a que el cociente de la velocidad de la luz en el aire y la velocidad de la luz en el agua es justamente el índice de refracción del aguaVelocidad de la luz en el aire / Velocidad de la luz en el agua = 300.000 / 226.000 = 1,33 = índice de refracción del aguaEsta relación se repartió con otros líquidos y se comprobó que se cumplirá en todos los

15


casos. Así que se dio por buena y supuso que era de aplicación universal, al menos hasta que algún experimento demostrara lo contrarioAsí pues si queremos saber la velocidad de la luz en cualquier medio, lo único que tenemos que hacer es hallar su índice de refracción respecto al aire y dividir ¡ C entre n ! por ejemploSi tenemos tres medios superpuestos, por ejemplo, aire, agua y vidrio el proceso es fácil de entender. La Ley de Snell nos proporciona los valores de todos los ángulos del proceso.

3. Defina el fundamento físico del rayo

El láser es un dispositivo electrónico que amplifica un haz de luz de extraordinaria intensidad. Se basa en la excitación de una onda estacionaria entre dos espejos, uno opaco y otro traslúcido, en un medio homogéneo. Como resultado de este proceso se origina una onda

luminosa de múltiples idas y venidas entre los espejos, que sale por el traslúcido

El fenómeno de emisión estimulada de radiación, enunciado por Einstein en 1916,

constituye la base de la tecnología empleada en la fabricación de dispositivos

láser. Los primeros experimentos que aprovecharon dicho fenómeno culminaron

en el hallazgo, en 1953, del denominado máser, un sistema que empleaba un haz

de moléculas separadas en dos grupos —excitadas y no excitadas—, utilizado

para la emisión de microondas en una cámara de resonancia. En una fase

posterior, la investigación se encaminó al estudio de un método para producir este

tipo de radiación estimulada en el caso de la luz visible. Surgió, así, en los años

sesenta, el denominado máser óptico, el láser, término que deriva de las iniciales

de Light amplification by the stimulated emission of radiation (amplificación de la luz por la emisión estimulada de radiación). En los comienzos, se consideró que el material básico para la emisión estimulada de luz debía ser un gas; posteriormente comenzó a experimentarse con cristales sintéticos de rubí. En la actualidad, las investigaciones se dirigen hacia el desarrollo del láser de rayos X; en este caso, la fuente de excitación no es la luz de un flash ni una descarga eléctrica, como en los modelos anteriores, sino una explosión nuclear.

El fundamento del láser: la emisión estimulada

El átomo está integrado por un núcleo, formado por un conjunto de protones y neutrones, y por una serie de electrones emplazados a determinada distancia, alrededor del núcleo. Electrones, protones y neutrones son las tres partículas básicas. Los electrones poseen una masa muy pequeña y carga negativa. Por su parte, protones y neutrones tienen aproximadamente la misma masa, pero mientras los primeros poseen carga eléctrica

16


positiva, los neutrones carecen de carga. Los electrones del átomo, cuya energía depende de su distancia al núcleo, pueden encontrarse en estado excitado —con una energía superior a la normal— o en reposo. En el estado excitado, el electrón almacena una determinada proporción de energía. En virtud del llamado proceso de absorción, cuando un fotón —recordemos que las ondas de luz también se denominan fotones— choca con un electrón no excitado, puede hacer que pase al estado de excitado. Habitualmente, un electrón que resulta excitado, al cabo de un tiempo pasa nuevamente al estado de reposo, emitiendo al pasar un fotón. Este fenómeno, conocido como emisión espontánea, es el que tiene lugar, por ejemplo, en el Sol o en las bombillas. Ahora bien, un electrón puede ser inducido a liberar su energía almacenada. Si un fotón pasa al lado de un electrón excitado, éste retorna al estado no excitado a través de la emisión de un fotón de luz igual al que pasó junto a él inicialmente. Este proceso se conoce como emisión estimulada y constituye el fundamento del láser.

La luz normal y el rayo láser

Las tres características que diferencian el rayo láser de la luz del Sol o de la generada por una bombilla, es que aquél es un haz de luz mono direccional, monocromático y coherente.

Los emisores de luz despiden millones de ondas, que pueden tener idéntica dirección o poseer direcciones distintas. La bombilla es un emisor de luz omnidireccional, frente al láser, que es mono direccional. En cuanto a la característica del mono cromatismo, el color de una luz está en función de su frecuencia; si todas las ondas posee la misma frecuencia, poseen también el

mismo color. Los filamentos de las bombillas están formados por átomos y moléculas diferentes y, por tanto, la energía absorbida y desprendida en forma de fotones adopta valores diversos. Puesto que la frecuencia del fotón está en relación con su energía, al variar ¡a energía varía la frecuencia emitida. La luz de una bombilla tiene múltiples frecuencias, dependiendo del filamento que se haya empleado en su construcción. Por el contrario, en un láser, la fuente de luz proviene de un gas o de un sólido muy purificado. En ambos casos, los átomos tienen idénticos niveles energéticos. Como resultado, los fotones generados poseen idéntica energía y frecuencia.

Las ondas electromagnéticas son señales alternas, es decir, cambian constantemente de valor. Esta variación tiene forma de curva. La parte de la curva en que se encuentra la

17


onda en un momento concreto y en una posición dada se llama fase. Dos ondas de idéntica dirección y frecuencia se encuentran cada una, normalmente, en una fase distinta. En el caso de que una de ellas se situara en un máximo y otra en un mínimo, se anularían. Sin embargo, puede suceder que ambas señales posean la misma fase y, consecuentemente, los mismos valores,

lo que tendría como resultado una onda de doble de tamaño. Dado que en la luz normal las ondas no están en fase, una proporción elevada de su energía se pierde, puesto que unas señales se anulan con otras. Por el contrario, en el láser, todas las ondas poseen la misma fase y la energía resultante es la máxima posible, puesto que no se anula ninguna onda. Éste es el sentido del término coherente.

Componentes del láser

El láser está formado por un núcleo, que suele tener forma alargada, donde se generan los fotones. El núcleo puede ser una estructura cristalina, por ejemplo rubí, o un tubo de vidrio que contiene gases, por lo general dióxido de carbono o la mezcla helio-neón. En cualquier caso, son materiales que poseen electrones fácilmente excitables y que no emiten inmediatamente de forma espontánea, sino que pueden quedar excitados durante un tiempo mínimo. Es precisamente este pequeño intervalo de tiempo el que se necesita para que los electrones produzcan emisión estimulada, no espontánea.

Junto al núcleo se halla el excitador, un elemento capaz de provocar la excitación de electrones del material que se halla en el núcleo, a partir de una lámpara de destellos —que provoca un flash semejante al de una cámara fotográfica— o de dos electrodos que producen una des-carga eléctrica de alta tensión. El tercer componente del láser son dos espejos paralelos emplazados en los extremos del núcleo. Uno de ellos es reflectante, mientras el segundo es semirreflectante, es decir, permite el paso de una parte de la luz que le llega.

Cuando se verifica la excitación, gran cantidad de electrones pasan al estado excitado y, una gran mayoría, permanece en dicha situación durante un determinado intervalo de tiempo. No obstante, algunos realizan una emisión espontánea, 1 generando fotones que se desplazan en todas direcciones. Aunque en su mayoría se pierden por los laterales donde no hay espejos, un pequeño número rebota entre ellos y pasa por el interior del núcleo, que es transparente. Al

pasar por el núcleo, provocan la emisión estimulada de nuevos fotones en la misma dirección. Estos nuevos fotones rebotan también en los espejos, originando, a su vez, la emisión de más fotones, y así sucesivamente. Puesto que uno de los espejos es semirreflectante, una parte de los fotones, en lugar de rebotar, escapa, formando una especie de chorro muy fino: es el rayo láser visible.

18


Aplicaciones del láser

En la actualidad, las aplicaciones del láser son múltiples. Dado que un haz de rayos láser origina una línea recta de luz, es posible utilizarla como guía en el tendido de tuberías, para definir techos o paredes completamente planos en los trabajos de construcción o para medir distancias —calculando el tiempo que tarda la luz en ir y volver al objetivo a medir—. Por otra parte, el rayo láser proporciona gran definición, lo que permite utilizarlo en las impresoras de los ordenadores. La grabación de imágenes en tres dimensiones se basa, asimismo, en el empleo de dos rayos láser, uno de los cuales da directamente en la película, mientras el

segundo rebota en el objeto que se desea fotografiar. Como es sabido, el volumen de información que transmite una onda electromagnética depende de su frecuencia; en este sentido, la luz de un rayo láser resulta idónea para la transmisión de señales. En el ámbito de la medicina, los bisturís cauterizantes recurren también a la tecnología del láser, lo que permite realizar cortes muy finos de gran precisión y evita cualquier riesgo de contagio; asimismo, el láser cauteriza de manera inmediata, alejando el peligro de hemorragias. Una de las aplicaciones más cotidianas del láser es la lectura de discos compactos. Pueden mencionarse

también la fabricación de circuitos integrados, la lectura de códigos de barras o el trabajo con materiales industriales.

19


4. Describa como medir el índice de refracción mediante un prisma

Un prisma óptico es un sistema constituido por dos dioptrios planos que forman un ángulo diedro, limitando, por lo tanto, dos medios de distinto índice de refracción (figura 1); el ángulo A, llamado ángulo refringente del prima, y el índice de refracción n

del mismo, en relación al medio que lo rodea, caracterizan su comportamiento frente a cualquier rayo de luz incidente sobre dicho prisma. Supongamos un rayo de luz monocromática que incide sobre la primera cara AB, y sigámoslo a través de las refracciones que experimentará en dicha cara y en la AC; la ley de Snell aplicada en estas dos caras nos lleva a escribir:

Además el ángulo δ que mide la desviación sufrida por el rayo, vale:

δ = (i - r) + (i ‘ – r ‘) = (i + i ‘) - (r + r ‘) = i + i ‘ - A (3)

ya que como puede verse en la figura 1: r + r ’ = A (4)

20


5. De una justificación física por la cual a reflexión total interna solo ocurre cuando la luz se traslada en un medio índice de refracción determinado a uno de índice de refracción inferior

Reflexión interna total es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz, atraviesa un medio de índice de refracción n2menor que el índice de refracción n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.

Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidencia superiores a un cierto valor crítico, θc. Para ángulos mayores la luz deja de atravesar la superficie y es reflejada internamente de manera total. La reflexión interna total solamente ocurre en rayos viajando de un medio de alto índice refractivo hacia medios de menor índice de refracción.

La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía. En una fibra óptica el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea. El ángulo de la incidencia de la luz es crítico para la base y su revestimiento y se produce una reflexión interna total que preserva la energía transportada por la fibra.

21


En aparatos de óptica se prefiere utilizar la reflexión total en lugar de espejos metalizados. Como ejemplo de utilización de la reflexión total en aparatos corrientes encontramos el pentaprisma de las cámaras fotográficas réflex y los Prisma de Porro o Schmidt-Pechan de los prismáticos.

La reflexión interna total es responsable de los destellos de luz que se observan en un diamante tallado.

Ángulo crítico

El ángulo crítico o ángulo límite también es el ángulo mínimo de incidencia en el cual se produce la reflexión interna total. El ángulo de incidencia se mide respecto a la normal de la separación de los medios. El ángulo crítico viene dado por:

,

donde y son los índices de refracción de los medios con . Esta ecuación es una simple aplicación de la ley de Snell donde el ángulo de refracción es 90°.

22

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roof-pentaprism.png


6. Cómo funcionan las fibras ópticas

La fibra óptica es un medio de transmisión empleado habitualmente en redes de datos; un hilo muy fino de material transparente, vidrio o materiales plásticos, por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir. El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser láser o un LED.

Las fibras se utilizan ampliamente en telecomunicaciones, ya que permiten enviar gran cantidad de datos a una gran distancia, con velocidades similares a las de radio y superiores a las de cable convencional. Son el medio de transmisión por excelencia al ser inmune a las interferencias electromagnéticas, también se utilizan para redes locales, en donde se necesite aprovechar las ventajas de la fibra óptica sobre otros medios de transmisión.

Los principios básicos de su funcionamiento se justifican aplicando las leyes de la óptica geométrica, principalmente, la ley de la refracción (principio de reflexión interna total) y laley de Snell.

Su funcionamiento se basa en transmitir por el núcleo de la fibra un haz de luz, tal que este no atraviese el revestimiento, sino que se refleje y se siga propagando. Esto se consigue si el índice de refracción del núcleo es mayor al índice de refracción del revestimiento, y también si el ángulo de incidencia es superior al ángulo límite.

Ventajas

Una banda de paso muy ancha, lo que permite flujos muy elevados (del orden del Ghz).

Pequeño tamaño, por lo tanto ocupa poco espacio.

Gran flexibilidad, el radio de curvatura puede ser inferior a 1 cm, lo que facilita la instalación enormemente.

Gran ligereza, el peso es del orden de algunos gramos por kilómetro, lo que resulta unas nueve veces menos que el de un cable convencional.

Inmunidad total a las perturbaciones de origen electromagnético, lo que implica una calidad de transmisión muy buena, ya que la señal es inmune a las tormentas, chisporroteo...

Gran seguridad: la intrusión en una fibra óptica es fácilmente detectable por el debilitamiento de la energía luminosa en recepción, además, no radia nada, lo que es particularmente interesante para aplicaciones que requieren alto nivel de confidencialidad.

No produce interferencias.

23


Insensibilidad a los parásitos, lo que es una propiedad principalmente utilizada en los medios industriales fuertemente perturbados (por ejemplo, en los túneles del metro). Esta propiedad también permite la coexistencia por los mismos conductos de cables ópticos no metálicos con los cables de energía eléctrica.

Atenuación muy pequeña independiente de la frecuencia, lo que permite salvar distancias importantes sin elementos activos intermedios. Puede proporcionar comunicaciones hasta los 70 km. antes de que sea necesario regenerar la señal, además, puede extenderse a 150 km. utilizando amplificadores láser.

Gran resistencia mecánica (resistencia a la tracción, lo que facilita la instalación).

Resistencia al calor, frío, corrosión.

Facilidad para localizar los cortes gracias a un proceso basado en la telemetría, lo que permite detectar rápidamente el lugar y posterior reparación de la avería, simplificando la labor de mantenimiento.

Con un coste menor respecto al cobre.

Desventajas

A pesar de las ventajas antes enumeradas, la fibra óptica presenta una serie de desventajas frente a otros medios de transmisión, siendo las más relevantes las siguientes:

La alta fragilidad de las fibras.

Necesidad de usar transmisores y receptores más caros.

Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de ruptura del cable.

No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.

La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas.2

No existen memorias ópticas.

La fibra óptica no transmite energía eléctrica, esto limita su aplicación donde el terminal de recepción debe ser energizado desde una línea eléctrica. La energía debe proveerse por conductores separados.

Las moléculas de hidrógeno pueden difundirse en las fibras de silicio y producir cambios en la atenuación. El agua corroe la superficie del vidrio y resulta ser el mecanismo más importante para el envejecimiento de la fibra óptica.

Incipiente normativa internacional sobre algunos aspectos referentes a los parámetros de los componentes, calidad de la transmisión y pruebas.

24

http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_%C3%B3ptica#cite_note-2


7. Como aplicaría esta experiencia en su carrera y desarrollo Profesional?

Para los alumnos que estamos convalidando de carreras técnicas como de IDAT es de gran ayuda para entender la aplicación y fundamentos de fibra óptica para las redes de comunicación.

6. OBSERVACIONES

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano.

En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección.

7. CONCLUSIONES

La luz es uno de los elementos más importantes de nuestra existencia, no sólo por que ayude a diferenciar el entorno, sino porque sin ella no se podría vivir.

La Óptica es la ciencia encargada del estudio de la luz y su comportamiento en el entorno.

Existen diversos fenómenos que se dan con la luz frente a un cambio de entorno. Un ejemplo de esto es el Prisma.

Los lentes tienen muchas utilidades, como la creación de telescopios, microscopios, y para corregir ciertos defectos que puede tener el ojo humano, como la miopía y la hipermetropía.

Existen una variedad de rayos que conforman el espectro electromagnético, como los rayos gamma, X, Infrarrojos, Ultravioleta, entre otros, así como su utilidad.

25


La característica principal de los rayos láser es tener un flujo de fotones de manera ordenada, es decir, su frecuencia no se pierde aún a grandes distancias.

8. RECOMENDACIONES

Si hay algún tema de esta investigación que le ha interesado, puede indagar en algún libro de física o página Web mencionada en la bibliografía, allí encontrará información más detallada que la presentada en este trabajo.

Cuando se manipulen láseres, hay que tener cuidado en no dirigir el rayo láser hacia los ojos, debido a que éstos provocan daños en el cristalino y en la vista en general.

Si se sufre de alguna enfermedad en los ojos, como la miopía o la hipermetropía, consultar con un oftalmólogo el tipo de lentes que debe de usarse según lo aprendido en estos temas.

9. REFERENCIAS

[7] es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Snell

26


[8] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/snell/snell.htm

[9] http://html.rincondelvago.com/optica_6.html

27

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/ondas/snell/snell.htm

Informe Nº 8 - Reflexion y Refraccion Ley de Snell y Angulo Limite

Documents

Transcript of Informe Nº 8 - Reflexion y Refraccion Ley de Snell y Angulo Limite