POLARIZACIÓN DE LA LUZ

La polarización de la luz es una propiedad que se aplica a las ondas transversales y especifica la orientación geométrica de las oscilaciones.

Filtro de polarización, donde se manifiesta la propiedad de polarización de la luz.

Fenómenos bastantes comunes en el día a día de cada ser humano puede esconder una explicación científica. El simple hecho de poder observar objetos y colores esconde varios conceptos y estudios de la física. Estos estudios nos permiten comprender a ciencia cierta, o casi totalmente, como ocurre fenómenos tan comunes de nuestra vida. Conocer la naturaleza de la luz ha contribuido al desarrollo de tecnologías que facilitan la vida al ser humano.

Una de las principales teorías en cuanto a explicar la naturaleza de la luz es la teoría ondulatoria de la luz. Esta surge a partir de la observación de diferentes fenómenos que ocurren en el estudio de la luz y que son análogos al comportamiento de las ondas mecánicas.

A partir de la definición de esta teoría se ha estudiado mucho de los fenómenos que surge del comportamiento de la luz, como la interferencia y la difracción. En el siguiente articulo nos enfocaremos en explicar un fenómeno que va más allá de categorizar a la luz como una onda. Este fenómeno es la polarización de la luz, la que agrega un carácter electromagnético a la naturaleza ondulatoria de la luz.

Clasificación de las Ondas Luminosas

El carácter ondulatorio de la luz se puso en evidencia con el descubrimiento y explicación de los fenómenos de interferencia y difracción de la luz. Ahora bien, estos pueden ocurrir tanto con ondas longitudinales como ondas transversales. Entonces, ¿qué tipo de ondas son las luminosas, longitudinales o transversales?

Para dar respuesta a esta pregunta analicemos el siguiente experimento. Sobre una de las caras de un cristal de turmalina (convenientemente cortado) incide perpendicularmente la luz proveniente del Sol o de una lámpara. Al girar el cristal no se detectará variación alguna de la intensidad de la luz emergente.

Continuando con el experimento se coloca un segundo cristal a continuación del anterior haciéndolo girar alrededor de la dirección de la luz que incide. Este proceso se realiza hasta que se observe la máxima intensidad de luz al atravesar el segundo cristal. A partir de esa posición, al girar el segundo cristal con respecto al primero la intensidad disminuye. Para un ángulo de giro de 90º la intensidad de la luz después de atravesar el segundo cristal es prácticamente nula. Para entender esto es necesario hacer uso de la analogía con las ondas mecánicas.

Consideremos una cuerda atada por un extremo. Al provocar en el extremo libre oscilaciones transversales que varíen su dirección de vibración, se originará una onda que viajará en la cuerda. Si hacemos pasar esta onda por una pantalla ranurada, emergerá una onda con una dirección de oscilación fija, paralela a la ranura. A esta onda se le llama polarizada linealmente. Si luego esta pasa a través de otra pantalla ranurada, perpendicular a la primera, no emergerá onda alguna. De haber sido la onda longitudinal, sus vibraciones se hubieran propagado hasta el extremo fijo, independientemente de las orientaciones de las ranuras. Es decir, las ondas longitudinales no se polarizan.

Comportamiento de la Luz como una Onda Transversal

Entonces podemos concluir, por analogía, que la luz se comporta como una onda transversal. Los resultados del experimento óptico descrito anteriormente pueden explicarse perfectamente asumiendo esta conclusión.

La luz que incide en el primer cristal es una onda transversal.  No obstante, sus oscilaciones no tienen lugar según una sola dirección, sino en todas las direcciones del plano perpendicular a la dirección de propagación. Por lo tanto, al incidir en el primer cristal de turmalina, cualquiera que sea la posición de este, siempre pasará luz, pero ahora sus oscilaciones solo se realizarán en una sola dirección. El cristal de turmalina hace las veces de pantalla ranurada en el análogo mecánico

La luz que incide en el primer cristal recibe el nombre de luz natural o no polarizada y la que emerge se denomina linealmente polarizada.

Polarizadores para lograr el efecto de Polarización de la Luz

Supongamos que el segundo cristal de turmalina tiene una orientación tal que la dirección de oscilación de la onda luminosa es perpendicular a la dirección en que el cristal deja pasar la luz. Entonces la luz que incide en él no pasará. Así, este cristal desempeña el mismo papel que la segunda ranura en el modelo mecánico.
El cristal de turmalina transforma pues la luz natural en luz linealmente polarizada. Un dispositivo que realiza tal función se denomina polarizador. Los polarizadores más comunes se construyen con láminas finas de celuloide o de vidrio de 0,1 mm de espesor aproximadamente. A estas laminas se les incorporan cristales de sulfato de iodoquinina. Estos polarizadores reciben el nombre de polaroides.

Los experimentos de interferencia, difracción y polarización de la luz permitieron concluir que la luz es una onda transversal. Pero, como sabemos, existen ondas mecánicas y ondas electromagnéticas; ¿de qué tipo será la luz?

Naturaleza Electromagnética de la Luz


La solución a este problema es compleja. Sin embargo, dos fuertes argumentos a favor de la naturaleza electromagnética de la luz son su carácter transversal. Además, reforzado por la coincidencia de la velocidad de la luz en el vacío con la velocidad predicha por Maxwell para las ondas electromagnéticas en dicho medio, que es: c = 30 000 km/s. De modo que podemos concluir que la luz es una onda electromagnética.

Ley de Malus

Analicemos ahora cuantitativamente el paso de luz linealmente polarizada a través de un polarizador. Para ello es necesario precisar previamente algunas cuestiones relacionadas con el carácter electromagnético de las ondas luminosas.
 Primeramente, en una onda electromagnética los vectores del campo eléctrico (E) e inducción magnética (B) son perpendiculares entre sí. Además, estos vectores son también perpendiculares a la dirección de propagación de la onda.

Está demostrado que el causante de la acción luminosa es el vector del campo eléctrico E. Además, la energía que transporta la onda luminosa es proporcional al cuadrado de la amplitud del vector intensidad de campo eléctrico. Por lo tanto, cuando hablamos de la oscilación luminosa, en realidad estamos hablando de oscilaciones del vector. Al referirnos a la intensidad luminosa, lo estamos haciendo a una magnitud proporcional al cuadrado de la amplitud del vector intensidad de campo eléctrico.
Al incidir luz lineal polarizada  con una cierta intensidad sobre un polarizador, la luz emergente tendrá la misma intensidad. Esto ocurre solamente en el caso en que las oscilaciones del vector intensidad de campo eléctrico sean paralelas a la dirección en que el polarizador permite el paso de la luz.  Esta dirección es denominada eje de transmisión del polarizador.
Si sobre el polarizador incide luz linealmente polarizada de forma tal que la dirección de las oscilaciones luminosas forman un ángulo con el eje de transmisión , sólo emergerá la componente del vector paralela al eje de transmisión.

A esta relación, que explica el paso de la luz linealmente polarizada a través de un polaroide, se le denomina ley de Malus. No resulta difícil demostrar que cuando la luz natural incide en un polaroide, emerge con una intensidad igual a la mitad de la incidente.

Aplicaciones de la Polarización de la Luz

La manera en la cual los materiales interactúan con la luz polarizada brinda información sobre la estructura y composición de estos. Realmente este efecto es bastante útil para poder conocer las características de un material y sus posibles utilidades.

En la fotografía se utilizan filtros polarizadores para eliminar los destellos que produce la luz reflejadas en superficies reflectantes. Además, con estos se elimina el resplandor producido por la luz del cielo, obteniéndose fotografías con mejores contrastes.

En algunos procesos químicos es posible medir las concentraciones de algunas sustancias en una mezcla utilizando polarizadores. Esto es posible gracias gracias a un instrumento llamado polarímetro. Por ejemplo, utilizando un polarímetro e incidiendo luz polarizada a través de jugos y bebidas, es posible determinar la concentración de azucares presente en estas. Esto es muy útil como medida de calidad y para comprobar que estos productos cumplen con las normas del fabricante y los controles sanitarios.

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