Refracción de la luz

difraccion de ondas

La refracción es uno de los fenómenos de la luz más fáciles de percibir a simple vista. Es la encargada de hacerte parecer más gordo cuando estás dentro de la piscina, y de doblar un estricto lápiz cuando lo metemos dentro de un vaso de agua. No te preocupes, es muy fácil de comprender, y en este artículo te explicamos todo lo que necesitas saber para entenderlo al 100%. Veremos que significa la refracción de las ondas, conoceremos la ley de Snell e introduciremos algunas variables importantes como el ángulo o el índice de refracción.

¿Qué es la refracción de la luz?

La refracción de las ondas es el cambio de dirección y velocidad que sufre una onda al propagarse de un medio a otro. El típico ejemplo en el que podemos ver la refracción física es al sumergir un lápiz dentro de un vaso lleno de agua. La luz procedente del lápiz, cambia de dirección al pasar del agua al aire, por lo que para nuestros ojos parece que el lápiz esté doblado.

refraccion vaso agua

La luz viaja a diferentes velocidades dependiendo del medio por el que se propague. Medios muy densos provocarán que la luz se mueva con lentitud, debido a las interacciones de las ondas de luz con los átomos del material.

Principio de Fermat y la metáfora del socorrista

La refracción de la luz es una consecuencia directa del principio de Fermat. Éste principio dice lo siguiente:

El trayecto seguido por la luz al propagarse de un punto a otro es tal que el tiempo empleado en recorrerlo es un mínimo.

Por eso, la luz viaja en línea recta cuando se propaga por un medio homogéneo: la línea recta es la distancia más corta, y a velocidad constante, la más rápida. Pero las trayectorias son distintas cuando se involucra un cambio de velocidad, como en el caso de la refracción.

ley de fermat

La mejor manera de entender el principio de Fermat y por consiguiente la refracción, es la metáfora del socorrista.

Imagina que eres un socorrista, sentado en tu silla en la playa, ves a alguien ahogándose en el mar. La solución más rápida para el problema puede que no sea ir en línea recta, ya que el mar es un medio por el que nos movemos con lentitud. La mejor opción para socorrer al bañista es seguir una trayectoria tal que recorramos el mayor espacio posible por el medio rápido (arena) y el menor por el medio lento (agua).

Como la luz se mueve más despacio en el agua que en el aire, los rayos de luz se desvían para pasar el menor tiempo posible en este medio y cumplir con el principio de Fermat.

Índice de refracción.

Como hemos visto, la velocidad de la luz depende del material por el que se propague. La máxima velocidad se consigue en el vacío, y cada vez es más lenta conforme se propaga por materiales más densos. La velocidad de la luz en un medio se relaciona con el índice de refracción “n”.

refraccion de ondas

Donde c es la velocidad de la luz en el vacío, v la velocidad de la luz en el medio y n el índice de refracción.

El indice de refracción de un material es el coeficiente entre la velocidad de la luz y la velocidad de la luz en el medio concreto. Es una de las variables involucradas en el cálculo de la refracción de ondas. Por ejemplo, el índice de refracción del aire es de 1,00029, mientras que el del agua es de 1,3330.

Ley de Snell o ley de refracción

Igual que en cualquier fenómeno físico, disponemos de una ley que nos permite hacer predicciones sobre la refracción de la luz: La ley de Snell.

La ley de Snell, también llamada ley de la refracción, es la encargada de calcular el ángulo de desvío de la luz al pasar de un medio a otro con distinto índice de refracción. Ésta relaciona directamente los senos de los ángulos de incidencia y refracción con los índices de refracción de los materiales en cuestión

ley de snell

Una imagen vale más que mil palabras así que fíjate en el dibujo superior. Un rayo de luz que atraviesa un medio con índice n1, incide sobre un medio con índice de refracción n2 con un ángulo de incisión  θ1 sobre la normal de la superfície. Finalmente, el la luz se desvía formando un nuevo ángulo  θ2, conocido como ángulo de refracción. La ley de Snell relaciona estas cuatro variables de la siguiente manera:

ley de refraccion

Conociendo 3 de las 4 variables, podemos despejar la que nos falta para poder efectuar perdiciones sobre la naturaleza de la luz, aplicables a campos de tanta utilidad como la óptica.

Reflexión total y ángulo crítico.

angulo critico refraccion

La refracción bajo determinadas condiciones puede llevar al efecto conocido como reflexión interna total. El ángulo crítico o ángulo límite se define como el ángulo de incidencia a partir del cual la luz deja de pasar de forma refractada al otro medio, sino que se refleja totalmente, volviendo al interior del primer medio.

A partir de la ley de Snell, y despejando, podemos encontrar la fórmula para el cálculo del ángulo crítico:

angulo limite refraccion

Ejemplos de refracción de la luz

Para acabar de afianzar el tema, vamos con un ejemplo:

Imaginemos que un rayo de luz de sol incide sobre una piscina llena de agua con un ángulo de 30º sobre la superfície del agua. Si sabemos que la velocidad de la luz en el agua es de 224 844 349 m/s y que el índice de refracción del aire es de 1.0003, ¿Cuál es el ángulo de refracción del rayo de luz una vez entre al agua?

ejemplos de refraccion de la luz

Si queréis comprobar si vuestros cálculos son correctos, podéis utilizar una herramienta online como esta calculadora de ley de Snell.

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