3. Leyes de la reflexión y refracción de ondas. Conceptos de angulo limite y reflexión total.
Temario de Selectividad de Fisica 2013
Cuando hablamos de reflexión y refracción de las ondas electromagnéticas, principalmente la luz, hemos de considerar dicha emisión de ondas como un rayo, debido a la dualidad onda-partícula de la luz. De este modo, consideramos que el rayo incide en la superficie de separación de dos medios con un angulo que difiere de la perpendicular o normal, y estudiaremos su comportamiento.
Cuando una onda incide sobre la superficie de separacion de dos medios transparentes distintos, una parte se refleja, vuelve al mismo medio en el que se propagaba, y otra parte pasa al segundo medio, donde se transmite y se absorbe parcialmente.
Reflexión de la luz
Para estudiar la reflexión, consideraremos que el medio en que rebota el rayo es la superficie de un espejo. El angulo que forma el rayo incidente con la normal a la superficie de incidencia se denomina angulo de incidencia. Por contra, el angulo que forma el rayo reflejado con dicha normal se denomina angulo de reflexión.
La reflexión se rige por las Leyes de Snell, demostradas experimentalmente:
- El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano.
- El angulo de incidencia y el angulo de reflexión son iguales.
Hay que considerar, asimismo, que la reflexión puede ser regular o irregular:
- La reflexión de la luz sobre una superficie pulida, como en el ejemplo, se denomina reflexión regular o especular
- La reflexión de la luz sobre una superficie pulida se denomina reflexión difusa o irregular. Dicha reflexión se da en superficies como el mar, que hacen que los rayos se reflejen en todas direcciones. Estas superficies difunden la luz incidente, lo que hace que la superficie se vea.
Refracción de la luz
La luz, cuando se propaga de un medio a otro, produce dos fenómenos, la reflexión y la refracción. Este ultimo se da cuando la luz pasa de un medio a otro, variando su velocidad y dirección de propagación. Se da cuando dicho rayo luminoso pasa oblicuamente a la superficie del medio.
Suponemos que el rayo entra con una velocidad y un angulo respecto a la normal, partiendo de un medio con un indice de refracción concreto, y que atraviesa la superficie para seguir su recorrido con otro angulo y otra velocidad, en un medio con otro indice de refracción.
Snell también enunció sus leyes para la refracción:
- El rayo incidente, la normal y el rayo refractado se encuentran en el mismo plano.
- La relación entre el seno del angulo de incidencia y el seno del angulo de refracción es una constante característica de los medios. Las velocidades y los indices de refracción también son constantes, y se resumen en la segunda ley de Snell: [math]\displaystyle{ \frac{sin \hat i}{sin \hat r}=\frac{n_1}{n_2}=\frac{v_1}{v_2} }[/math]
Si la luz de un medio menos refringente a uno mas refringente, el rayo disminuye su velocidad y se acerca a la normal. Por contra, si el rayo pasa de un medio mas refringente a otro menos refringente, se despegará de la normal y su velocidad aumentará.
La segunda ley de Snell también puede escribirse asi: [math]\displaystyle{ n_1 sin \hat i = n_2 sin \hat r }[/math]
Angulo limite y reflexion total
Cuando un rayo pasa de un medio mas refringente a otro menos refringente, el rayo se aleja de la normal. Si el angulo es suficientemente grande, el rayo luminoso puede no refractarse, reflejándose totalmente en la superficie de separación de ambos medios. Como los rayos refractados se alejan de la normal, si consideramos rayos incidentes cada vez mas inclinados, los rayos refractados tendrán ángulos de refracción cada vez mayores, y en un cierto angulo de incidencia l, el angulo de refracción será 90º. A este anglo l se le llama angulo limite, y su valor es [math]\displaystyle{ \frac{sin l}{sin 90}=\frac {n_1}{n_2} \Leftrightarrow sin l =\frac {n_1}{n_2} }[/math]
Para ángulos de incidencia mayores que el angulo limite no se produce refracción, y toda la luz se refleja. Este fenómeno se denomina reflexión total.
