Polarización electromagnética

La polarización electromagnética ye una propiedá de les ondes que pueden bazcuyar con más d'una orientación. Esto refierse de normal a les llamaes ondes tresversalessobremanera suelse falar de les ondes electromagnétiques, anque tamién puede dase n'ondes mecániques tresversales. Per otra parte, les ondes de soníu nun gas o líquidu son ondes puramente llonxitudinales na que la oscilación va siempres na direición de la onda; polo que nun se fala de polarización nesti tipu d'ondes.

Nuna onda electromagnética, tanto'l campu llétrico y el campu magnéticu son trémboles, pero en distintes direiciones; dambes perpendiculares ente sigo y perpendiculares a la direición d'espardimientu de la onda; por convención, el planu de polarización de la lluz referir a la polarización del campu llétrico.

Campu llétrico y campu magnéticu d'una onda electromagnética

Una onda electromagnética ye una onda tresversal compuesta por un campu llétrico y un campu magnéticu simultáneamente. Dambos campos bazcuyen perpendicularmente ente sigo; les ecuaciones de Maxwell modelen esti comportamientu.

Davezu decídese por conveniu que pal estudiu de la polarización electromagnética atiéndase puramente al campu llétrico, inorando'l campu magnéticu, una y bones el vector de campu magnéticu puede llograse a partir del vector de campu llétrico, pos ye perpendicular y proporcional a él.

Polarización d'ondes planes

Un exemplu senciellu pa visualizar la polarización ye'l d'una onda plana, que ye un bonu aproximamientu de la mayoría de les ondes lluminoses.

Descomposición del vector de campu llétrico en dos componentes.

Nun puntu determináu la onda del campu llétrico puede tener dos componentes vectoriales perpendiculares (tresversales) a la direición d'espardimientu. Los dos componentes vectoriales tresversales varien la so amplitú col tiempu, y la suma de dambes va trazando una figura xeométrica. Si dicha figura ye una recta, la polarización denominar llinial; si ye un círculu, la polarización ye circular; y si ye una elipse, la polarización ye elíptica.

Si la onda electromagnética ye una onda harmónica simple, como nel casu d'una lluz monocromática, en que l'amplitú del vector de campu llétrico varia de manera sinusoidal, los dos componentes tienen esautamente la mesma frecuencia. Sicasí, estos componentes tienen otros dos carauterístiques de definición que pueden ser distintes. Primero, los dos componentes pueden nun tener la mesma amplitú. Segundu, los dos componentes pueden nun tener la mesma fase, esto ye, pueden nun algamar los sos máximos y mínimos coles mesmes.

Tipos de polarización

La forma trazada sobre un planu fixu por un vector de campu llétrico d'una onda plana que pasa sobre él ye una curva de Lissajous y puede utilizase pa describir el tipu de polarización de la onda. Les siguientes figures amuesen dellos exemplos de la variación del vector de campu llétrico (azul) col tiempu (la exa vertical), colos sos componentes X y Y (colorada/esquierda y verde/derecha), y la trayeutoria trazada pola punta del vector nel planu (púrpura). Cada unu de los trés exemplos correspuende a un tipu de polarización.


Diagrama de polarización llinial	Diagrama de polarización circular	Diagrama de polarización elíptica
Llinial	Circular	Elíptica

Na figura de la esquierda, la polarización ye llinial y l'oscilación del planu perpendicular a la direición d'espardimientu producir a lo llargo d'una llinia recta. Puede representase cada oscilación descomponiéndola en dos exes X y Y. La polarización llinial produzse cuando dambes componentes tán en fase (con un ángulu de desfase nulu, cuando dambes componentes algamen los sos máximos y mínimos simultáneamente) o en contrafase (con un ángulu de desfase de 180°, cuando caúna de les componentes algama los sos máximos al empar que la otra algama los sos mínimos). La rellación ente les amplitúes de dambes componentes determina la direición de la oscilación, que ye la direición de la polarización llinial.

Na figura central, los dos componentes ortogonales tienen esautamente la mesma amplitú y tán desfasaes esautamente 90º. Nesti casu, una componente anúlase cuando la otra componente algama la so amplitú máxima o mínima. Esisten dos rellaciones posibles que satisfaen esta esixencia, de forma que la componente x pue tar 90º adelantrada o retrasada al respective de la componente Y. El sentíu (horariu o antihorario) nel que xira'l campu llétrico depende de cuál d'estos dos rellaciones déase. Nesti casu especial, la trayeutoria trazada nel planu pola punta del vector de campu llétrico tien la forma d'una circunferencia, polo que nesti casu falar de polarización circular.

Na figura de la derecha, represéntase la polarización elíptica. Esti tipu de polarización correspuende a cualesquier otru casu distintu a los anteriores, esto ye, los dos componentes tienen distintes amplitúes y l'ángulu de desfase ente elles ye distintu a 0º y a 180° (nun tán en fase nin en contrafase).

Cómo determinar la polarización d'una onda plana

Pa pescudar el tipu de polarización de la onda, ye necesariu analizar el campu (llétricu o magnéticu). L'analís va realizar pal campu llétrico, pero ye similar al del campu magnéticu.

Si'l campu llétrico ye de la forma:

${\overrightarrow {Y}}={\overrightarrow {Y_{0}}}\cdot {y}^{j\cdot ({\vec {k}}\cdot {\vec {r}}\pm \omega \cdot {t})}$

L'amplitú de la onda, ${\overrightarrow {Y_{0}}}$ , va siempres na direición de polarización de la onda. Ye por ello polo que se fai necesariu analizar ${\overrightarrow {Y_{0}}}$ pa ver qué tipu de polarización tiense.

Puede descomponese ${\overrightarrow {Y_{0}}}$ como suma d'un vector paralelu al planu d'incidencia y otru vector perpendicular a dichu planu:

${\overrightarrow {Y_{0}}}=Y_{0||}\cdot {y}^{j\cdot {\theta _{||}}}\cdot {\vec {o_{||}}}+Y_{0\perp }\cdot {y}^{j\cdot {\theta _{\perp }}}\cdot {\vec {o_{\perp }}}$

onde'l símbolu || usar pa les componentes paraleles, ente que $\perp$ ye pa les componentes perpendiculares. Los vectores o, son vectores unitarios na direición qu'indiquen les sos subíndices (paralela o perpendicular al planu d'incidencia).

Representación de los casos de polarización elíptica: Polarización elíptica levógira (xira escontra la esquierda) y Polarización elíptica dextrógira (xira escontra la derecha).

Realízase la diferencia $\theta _{||}-\theta _{\perp }$ y según la resultancia va tenese:

Polarización llinial si la diferencia ye 0 o un múltiplu enteru (positivu o negativu) de $\pi$ .
Polarización circular si la diferencia ye un múltiplu enteru impar (positivu o negativu) de ${\frac {\pi }{2}}$ . Nesti casu cumplir, amás, que $Y_{0||}=Y_{0\perp }$ .
Nel restu de casos va producise polarización elíptica.

Ye posible conocer, nel casu de polarización elíptica, el sentíu de xiru de la polarización de la onda. A partir de la diferencia anterior puede llograse fácilmente:

Si $\theta _{||}-\theta _{\perp }<0$ tratar de polarización elíptica levógira ó helicidad negativa.
Si $\theta _{||}-\theta _{\perp }>0$ tratar de polarización elíptica dextrógira ó helicidad positiva.

Radiación incoerente

Na naturaleza, la radiación electromagnético ye producida de cutiu por un gran conxuntu d'emisores individuales, cada unu de los cualos da llugar a un tren d'ondes independiente. Esti tipu de lluz llámase incoerente. Polo xeneral, nun hai una única frecuencia sinón un espectru de frecuencies y, anque sía peneráu a una arbitraria y estrecha gama de frecuencies, puede nun haber un estáu constante y uniforme de polarización. Sicasí, esto nun significa que la polarización sía solamente una carauterística de la radiación coherente. La radiación incoerente puede demostrar la correlación estadística ente les componentes del campu llétrico. Esta correlación puede interpretase como polarización parcial. Polo xeneral, puede describise un campu ondulatorio como la suma d'una parte totalmente incoerente (ensin correlaciones) y d'una parte totalmente polarizada. Entós puede describise la lluz en términos del grau de polarización y los parámetros de la elipse de polarización.

Llogru de lluz polarizao

De siguío van esplicase de volao dalgunos de los procedimientos esperimentales que dexen el llogru de lluz polarizao a partir d'una emisión de lluz natural. Pa llograr lluz polarizao linealmente faise que'l vector llétricu cimble nun únicu planu (planu de polarización) de los que contienen la direición d'espardimientu.

Esisten dellos métodos pa llograr lluz polarizao: absorción selectiva, por reflexón, refraición y por espardimientu.

Polarización per absorción selectiva

Dalgunos materiales absuerben selectivamente una de les componentes tresversales del campu llétrico d'una onda. Esta propiedá denominar dicroísmo. La lluz esperimenta una absorción en ciertos estaos de polarización. El términu dicroísmo provién de les observaciones realizaes en dómines bien tempranes de la teoría óptica sobre ciertos cristales, tales como la turmalina. Nestos cristales, l'efeutu del dicroísmo varia en gran midida cola llonxitú d'onda de la lluz, faciendo qu'apaezan distintos colores acomuñaos a la visión de distintos colores con distintos planos de polarización. Esti efeutu ye tamién denomináu pleocroísmo, y la téunica emplegar en mineraloxía pa identificar los distintos minerales. En dellos materiales, tales como la herapatita (sulfatu de iodoquinina) o les capes Polaroid, l'efeutu nun ye tan fuertemente dependiente del llonxitú d'onda, y ésta ye la razón pola que'l términu dicroico emplégase bien pocu.

El dicroísmo asocede tamién como fenómenu ópticu nos cristales líquidos debíu en parte a l'anisotropía óptica que presenten les estructures moleculares d'estos materiales. A esti efeutu denominóse-y darréu "efeutu güéspede-invitáu" (guest-host effect n'inglés).

Ángulu de Brewster (

\theta _{B}

).

Polarización por reflexón

Al reflexase un fexe de lluz non polarizao sobre una superficie, la lluz reflexada sufre una polarización parcial de forma que'l componente del campu llétrico perpendicular al planu d'incidencia (planu que contién la direición del rayu d'incidencia y el vector normal a la superficie d'incidencia) tien mayor amplitú que'l componente conteníu nel planu d'incidencia.

Cuando la lluz incide sobre una superficie non absorbente con un determináu ángulu, el componente del campu llétrico paralelu al planu d'incidencia nun ye reflexáu. Esti ángulu, conocíu como ángulu de Brewster, n'honor del físicu británicu David Brewster, algámase cuando'l rayu reflexáu ye perpendicular al rayu refractado. La tanxente del ángulu de Brewster ye igual a la rellación ente los índice de refraición del segundu y el primer mediu.

Polarización por birrefringencia

Birrefringencia nun cristal de calcita.

La birrefringencia o doble refraición ye una propiedá de ciertos cuerpos, como'l espato d'Islandia, de desdoblar un rayu de lluz incidente en dos rayos linealmente polarizaos de manera perpendicular ente sigo como si'l material tuviera dos índice de refraición distintos.

La primera de los dos direiciones sigue les lleis normales de la refraición y llámase rayu ordinariu; la otra tien una velocidá y un índiz de refraición variables y llámase rayu estraordinariu. Esti fenómenu namái puede asoceder si la estructura del material ye anisótropa. Si'l material tien una sola exa de anisotropía, (ye dicir ye uniaxial), la birrefringencia puede formalizase asignando dos índices de refraición distintes al material pa les distintes polarizaciones.

La birrefringencia ta cuantificada pola rellación:

\Delta n=n_{y}-n_{o}\,

onde n_o y n_y son los índices de refraición pa les polarizaciones perpendicular (rayu ordinariu) y paralela a la exa de anisotropía (rayu estraordinariu), respeutivamente.

La birrefringencia puede tamién apaecer en materiales magnéticos, pero variaciones sustanciales na permeabilidá magnética de materiales son rares a les frecuencies óptiques. El papel de celofán ye un material birrefringente común.

Polarización en naturaleza, ciencia, y teunoloxía

Efeutu d'un polarizador sobre la reflexón nel fango. Na imaxe de la esquierda, el polarizador ta xiráu pa tresmitir les reflexones. Al xirar el polarizador 90º (imaxe de la derecha) casi tola lluz del sol reflexada ye bloquiada.

Efeutu d'un filtru polarizador sobre la imaxe del cielu nuna fotografía en color. La imaxe de la derecha realizóse utilizando un filtru polarizador.

Efeutos de la polarización na vida diaria

La lluz reflexada sobre materiales brillantes tresparentes ye parcial o totalmente polarizada, sacante cuando la lluz incide en direición normal (perpendicular) a la superficie reflectante. Un filtru polarizador, como'l d'unes gafes de sol polarizada, puede utilizase pa reparar esti fenómenu faciendo xirar el filtru y mirando al traviés d'él. Pa determinaos ángulos, va atenuase la lluz o va ser totalmente bloquiada. Los filtros polarizadores bloquien el pasu de lluz polarizao a 90º respectu al planu polarizador del filtru. Si dos filtros polarizadores (polarizador y analizador) asítiense unu en frente del otru de forma que dambos sían trevesaos por un fexe de lluz que nun taba polarizáu primeramente, la intensidá lluminosa del fexe que sale del segundu filtru va ser proporcional al cosenu del ángulu que formen los planos polarizadores de dambos filtros ente sigo. Si esi ángulu ye de 90º, el pasu de la lluz ye bloquiáu.

La polarización por dispersión puede reparase cuando la lluz pasa pola atmósfera de la Tierra. La dispersión de la lluz produz la rellumada y el color cuando'l cielu ta estenu. Esta polarización parcial de la lluz tremao pue ser usada pa escurecer el cielu en fotografíes, aumentando'l contraste. Esti efeutu ye bono de reparar mientres la puesta de sol, cuando l'horizonte forma un ángulu de 90° al respective de la direición del observador escontra'l sol. Otru efeutu fácilmente reparáu ye l'amenorgamientu drásticu de la rellumada de les imáxenes del cielu reflexaes sobre superficies horizontales, que ye la razón principal pola que de cutiu s'usen filtros polarizadores en gafes de sol. Tamién puede trate con frecuencia qu'un filtru polarizador amuese dalgunos arcoíris por causa de la dependencia del color de los efeutos de la birrefringencia, por casu nes ventanes de cristal laminado de los automóviles o n'artículos fechos de plásticu tresparente. El papel desempeñáu pola polarización nuna pantalla LCD puede trate con unes gafes de cristal polarizáu, pudiendo amenorgar el contraste inclusive hasta a faer la visión de la pantalla ilegible.

Efeutu d'un cristal templáu sobre la lluz polarizao analizáu con un filtru polarizador.

Na fotografía de la derecha ve'l parabrís d'un coche al traviés de la luneta trasera d'otru coche asitiáu delantre y un filtru polarizador (como'l d'unes gafes de cristal polarizáu). La lluz del cielu reflexar nel parabrís del coche de tras, faciendo que se polarice la lluz reflexada, principalmente con un planu de polarización horizontal. La luneta trasera del coche delanteru ta fabricada con vidriu templáu. Debida al tratamientu térmicu del templáu nel cristal de la luneta del coche asitiáu delantre, el cristal tien una tensión residual que fai que camude l'ángulu del planu de polarización de la lluz que pasa por él. Si nun tuviera la luneta trasera, les gafes de sol bloquiaríen tola lluz polarizao horizontalmente que ye reflexada pela ventana del otru coche. Sicasí, la tensión na luneta trasera camuda un pocu l'ángulu del planu de polarización de la lluz, con una componente vertical y otra horizontal. La componente vertical nun ye bloquiada polos cristales de les gafes, percibiéndose la lluz reflexada nel parabrís del coche de tras.

Bioloxía

Munchos animales pueden ser capaces de percibir la polarización de lluz, usando esa habilidá con oxetivos de navegación yá que la polarización llinial de la lluz de cielu ye siempres perpendicular a la direición del sol. Esta capacidá ye bien común ente los inseutos, incluyendo les abeyes, qu'usen esta información pa empobinar la so danza de l'abeya. La sensibilidá a la polarización tamién foi reparada n'especies de pulpu, calamar, sepia y mantis. El rápidu cambéu na coloración de la piel de la sepia usar pa la comunicación, polarizando la lluz que se reflexa sobre ella. La mantis relixosa ye conocida por tener un texíu reflexivo selectivu que polariza la lluz. Va tiempu pensábase que la polarización de la lluz del cielu yera percibida poles palombos y yera una de les ayudes de les palombos mensaxeros, pero delles investigaciones señalen qu'eso ye un mitu popular.^[1]

El güeyu humanu ye sele sensible a la polarización, ensin necesidá de la intervención de filtros esternos. La lluz polarizao crea un dibuxu modelu bien débil cerca del campu visual, llamáu cepiyu de Haidinger. Esti dibuxu ye bien malo de ver, pero cola práutica unu puede aprender a afayar la lluz polarizao a güeyu.

Xeoloxía

La propiedá de la birrefringencia llinial ye común a munchos minerales cristalinos y el so estudiu ayudó a afayar el fenómenu de la polarización. En mineraloxía, esta propiedá ye estudiada con frecuencia usando microscopios de lluz polarizao, coles mires d'identificar minerales.

Química

La polarización ye de principal importancia na química debíu al dicroísmo circular y la rotación del planu de polarización (birrefringencia circular) amosada por molécules quirales ópticamente actives. Esta rotación del planu de polarización puede midise utilizando un polarímetro.

La polarización tamién puede reparase nel efeutu inductivu o la resonancia de los enllaces o na influencia d'un grupu funcional nes propiedaes llétriques (por casu, el momentu dipolar) d'un enllaz covalente o d'un átomu.

Astronomía

En munches árees de l'astronomía, l'estudiu de la radiación electromagnético polarizada del espaciu esterior ye de gran importancia. Anque polo xeneral nun se produz na radiación térmico de les estrelles, la polarización ta tamién presente na radiación de delles fontes astronómiques coherentes (por casu, delles mases de metanol o d'hidróxidos), y de fontes incoerentes como los grandes lóbulos de radiu en galaxes actives, y la radiación pulsatoria de radio (que s'especula que pueda ser dacuando coherente), y tamién s'impon sobre la lluz de les estrelles esvalixando polvu interestelar. Aparte del apurra d'información sobre les fontes de radiación y dispersión, la polarización tamién s'utiliza pa esplorar el campu magnéticu aplicando'l efeutu Faraday. La polarización de la radiación de fondu de microondes sirve pa estudiar la física del principiu del universu. La radiación sincrotrón ta severamente polarizada. Tamién usando un filtru polarizador, nel Telescopiu Infrarroxu Británicu (UKIRT) llogróse per vegada primera ver con claridá'l discu de materia alredor d'un furacu negru, estremándolo de les nubes de gas y polvu que lo arrodien.

Teunoloxía

Les aplicaciones teunolóxiques de la polarización tán por demás estendíes. Quiciabes los exemplos más comúnmente atopaos son les pantalles de cristal líquidu (display clearblack creaos por Nokia, con filtros polarizaos que dexen mejos la vizualizacion de la pantalla n'esteriores con lluz natural|display clearblack creaos por Nokia, con filtros polarizaos que dexen meyor la visualización de la pantalla n'esteriores con lluz natural) (LCD), les gafes de sol de cristal polarizáu y los filtros polarizadores utilizaos en fotografía.

Toles antenes tresmisores y receptores de radiofrecuencia usen la polarización electromagnética, especialmente nes ondes de radar. La mayoría de les antenes irradien ondes polarizaes, yá sía con polarización horizontal, vertical o circular. La polarización vertical ye usada más frecuentemente cuando se desea irradiar una señal de radio en toles direiciones como nes bases de telefonía móvil o les ondes de radio AM. Sicasí, non siempres s'utiliza la polarización vertical. La televisión de normal usa la polarización horizontal. L'alternanza ente polarización vertical y horizontal utilizar na comunicación per satélite (incluyendo satélites de televisión) p'amenorgar la interferencia ente señales que tienen un mesmu rangu de frecuencies, teniendo la separación amenorgada angular en cuenta ente los satélites.

Imaxe d'un plásticu sometíu a tensión nun ensayu de fotoelasticidad.

N'inxeniería, la rellación ente la tensión y la birrefringencia motiva l'empléu de la polarización pa carauterizar la distribución de tensiones y la tensión nos prototipos usando la téunica de la fotoelasticidad. La muestra a analizar asitiar ente dos filtros polarizadores, el primeru fai que la lluz que pase pola pieza a ensayar tea polarizada y el segundu descompon la lluz. Ye un ensayu bien utilizáu n'aplicaciones de pieces de dos dimensiones.

La polarización na atmósfera foi estudiada nos años 1950 saleando cerca de los polos campu magnéticu terrestre cuando nin l'el sol nin les estrelles yeren visibles (por casu nun día borrinosu). Suxirióse, polémicamente, que los viquingos yá utilizaben espato d'Islandia pa ver la direición del sol en díes borrinosos pa empobinase mientres les sos llargues espediciones al traviés el Atlánticu Norte ente los sieglos IX y X, antes de la llegada de la brúxula magnética a Europa nel sieglu XII. Unu de los dispositivos más atélites de Charles Wheatstone foi'l reló polar espuestu na xunta de la British Association for the Advancement of Science en 1848.

La polarización tamién s'utiliza nes películes de cine 3D, nes cualos les imáxenes son proyeutaes, o bien por dos proyeutores distintos con filtros de polarización ortogonalmente empobinaos, o bien por un únicu proyeutor que proyeuta dambes imáxenes alternativamente con planos de polarización perpendiculares ente sigo por aciu un multiplexor. Les gafes con filtros polarizadores empobinaos de manera similar a los planos de polarización de les imáxenes proyeutaes aseguren que cada güeyu reciba namái la imaxe correuta. Otramiente, esti efeutu tamién ye usáu pa realizar proyeiciones estereoscópiques, yá que nun ye bien caru de producir y dexa realizar visualizaciones d'altu contraste. N'ambientes onde l'espectador muévese, como en simuladores, dacuando utilízase la polarización circular. Esto dexa que la separación de dambes canales (correspondiente a cada unu de los güeyos del observador) nun se vea afeutada pola orientación del observador. L'efeutu 3-D namái funciona proyeutando la imaxe sobre una pantalla metálica que caltién la polarización de los proyeutores, ente que la reflexón sobre una pantalla de proyeición normal anularía l'efeutu.

Arte

Dellos artistes visuales trabayaron cola lluz polarizao y materiales birrefringentes pa crear imáxenes vistoses y cambiantes. La más notable ye l'artista contemporánea Austine Wood Comarow,^[2] que los sos trabayos d'arte Polage fueron espuestos nel Muséu de la Ciencia (Museum of Science) de Boston, el Muséu d'Historia Natural y Ciencia de Nuevu Méxicu (New Mexico Museum of Natural History and Science) en Albuquerque (Nuevu Méxicu), y la Cité des Sciencies et de l'Industrie (Ciudá de Ciencia y d'Industria) en París. Los trabayos del artista son realizaos cortando cientos de pequeños cachos de celofán y otres películes birrefringentes y laminándolos ente filtros polarizadores planos.

Ver tamién

Filtru polarizador
Óptica
Láser
Espardimientu d'ondes
Dispersión de la lluz
Refraición de la lluz
Propagación de la lluz
Interferencia na lluz
Reflexón de la lluz
Dispersión de la lluz
Difracción de la lluz

Referencies

↑ "Non evidence for polarization sensitivity in the pigeon electroretinogram", J. J. Vos Hzn, M. A. J. M. Coemans & J. F. W. Nuboer, The Journal of Experimental Biology, 1995.
↑ Austine Wood Comarow

3. Phd. Anderson Arévalo, el adn del cosmos

Enllaces esternos

(enllaz rotu disponible n'Internet Archive; ver l'historial y la última versión).
http://library.thinkquest.org/C003776/espanol/print/chapter10.htm
http://mecfunnet.faii.etsii.upm.es/difraccion/PolElipt.html
Esplicación animada sobre la polarización Física 2000
Polarización circular

[1] "Non evidence for polarization sensitivity in the pigeon electroretinogram", J. J. Vos Hzn, M. A. J. M. Coemans & J. F. W. Nuboer, The Journal of Experimental Biology, 1995.

[2] Austine Wood Comarow

[1]

[2]