Polarización y el vector de Poynting
Gira la polarización y mira el flujo de energía
Una onda electromagnética corre hacia adelante. Al girar el ángulo de polarización con el control, cambia la dirección en que oscila el campo eléctrico (cian), y el magnético (dorado) siempre lo sigue perpendicularmente. Sin embargo la flecha verde, el flujo de energía S = E×B, siempre apunta hacia adelante y mantiene el mismo tamaño por más que gires la polarización. ¿Por qué?
La energía que lleva la onda
Una onda electromagnética no solo ondula a través del espacio vacío; transporta energía. La densidad de energía guardada en el campo eléctrico es ½ε₀E², y la del magnético es B²/2μ₀; como B = E/c, las dos son exactamente iguales. La electricidad y el magnetismo se reparten la energía por igual. Juntas dan u = ε₀E². La luz del sol que calienta tu piel y una célula solar que genera electricidad ocurren porque esta energía viene transportada.
El vector de Poynting, el flujo de energía
Dónde fluye la energía, y cuánta, lo dice el vector de Poynting S = E×B/μ₀ — la energía que pasa por unidad de área cada segundo, una densidad de potencia. Su dirección es la de avance, perpendicular a E y a B; su magnitud es |S| = EB/μ₀ = E²/μ₀c. Como E oscila como sinusoide, S pulsa como cos², y promediado en un periodo la intensidad es I = ⟨S⟩ = ½ε₀cE₀². Esta es la cantidad que mide el brillo de la luz, la salida de una antena, la intensidad de un láser.
Polarización, la dirección en que oscila E
Dentro del plano perpendicular a la dirección de avance, hacia dónde oscila el campo eléctrico es la polarización. Si oscila solo en una dirección, está polarizada linealmente. La luz del sol no está polarizada, es una mezcla de todas las direcciones, pero reflejada en el agua o una carretera se alinea en una dirección y se vuelve un reflejo deslumbrante. Las gafas de sol polarizadas son un filtro que bloquea esa dirección. Las pantallas LCD, los filtros fotográficos y las gafas de cine 3D usan polarización. La polarización es otra información que lleva la luz, distinta de su frecuencia o su intensidad.
Sea cual sea la polarización, la energía va adelante
Esto es exactamente lo que viste en la primera pantalla. Por más que gires el ángulo de polarización, el campo magnético sigue perpendicular al eléctrico, así que su producto vectorial E×B siempre apunta en la dirección de avance. Además |E×B| es el producto de las dos magnitudes, independiente del ángulo de polarización. Así que el flujo de energía S no cambia ni de dirección ni de tamaño al girar la polarización. La polarización fija cómo vibra la luz, pero no puede fijar a dónde va la energía. La libertad de la vibración y la fijeza del flujo conviven en una misma onda.
De vuelta a la primera pantalla
Al girar el ángulo de polarización en la primera pantalla, los campos eléctrico y magnético giraban juntos pero el ángulo recto entre ellos nunca se rompía, y la flecha verde S = E×B siempre apuntaba hacia adelante, del mismo tamaño. La polarización es la libertad de elegir la dirección de E dentro del plano; el vector de Poynting es el flujo que lleva la energía en la dirección de avance sin importar esa libertad. Comoquiera que vibre la luz, envía su energía recta hacia adelante. Esa intensidad es el brillo que sentimos. I = ½ε₀cE₀².
Hasta ahora la luz ha corrido libremente por el espacio vacío. Lo siguiente (EM-25) mira qué ocurre cuando la luz encuentra la frontera de otro medio. Parte se refleja y parte se refracta y transmite, con las proporciones y ángulos fijados por los índices de refracción de los dos medios. Por eso los espejos reflejan y las lentes curvan la luz.