Polarización y el vector de Poynting
Gira la polarización y mira el flujo de energía
Es una onda electromagnética que avanza. Al girar el ángulo de polarización con el control cambia la dirección en que oscila el campo eléctrico celeste, y el campo magnético dorado gira con él, siempre perpendicular. Sin embargo, la flecha verde, es decir, el flujo de energía S = E×B, apunta siempre hacia delante y con la misma longitud, se gire como se gire la polarización. Por qué el flujo no cambia mientras cambia la dirección de oscilación es la pregunta de esta lección.
La energía que lleva la onda
Una onda electromagnética no solo pasa ondulando por el espacio vacío: transporta energía. La densidad de energía almacenada en el campo eléctrico es ½ε₀E² y la del campo magnético es B²/2μ₀, y como en una onda plana B = E/c, las dos son exactamente iguales. La electricidad y el magnetismo se reparten la energía a partes iguales, y juntas dan u = ε₀E². Que la luz del sol caliente la piel y que una celda solar produzca electricidad se debe a que llega esta energía. Junto con la energía, una onda electromagnética transporta momento lineal, así que la luz empuja muy levemente cualquier superficie en la que incide; una vela solar, una lámina amplia que avanza en el espacio impulsada por esta presión, aprovecha justamente ese empuje.
El vector de Poynting, el flujo de energía
Hacia dónde fluye la energía y cuánta lo indica el vector de Poynting S = E×B/μ₀. Es la energía que atraviesa una unidad de área en 1 segundo, es decir, una densidad de potencia; su dirección es la de avance, perpendicular a E y a B, y su magnitud es |S| = EB/μ₀ = E²/μ₀c. Como E oscila de forma senoidal, en un punto dado S late como cos², y al promediar sobre un ciclo se obtiene la intensidad I = ⟨S⟩ = ½ε₀cE₀². Si la amplitud se duplica, la intensidad se multiplica por cuatro. Es la magnitud que se usa para medir el brillo de la luz, la potencia que emite una antena y la intensidad de un láser.
Polarización, la dirección en que oscila E
La dirección en que oscila el campo eléctrico dentro del plano perpendicular al avance es la polarización. Si oscila en una sola dirección, la polarización es lineal; si la punta del campo eléctrico gira describiendo un círculo o una elipse, es circular o elíptica. La luz del sol no está polarizada, es una mezcla de todas las direcciones, pero la luz reflejada en el agua o en una carretera mojada tiene más componente horizontal, y las gafas de sol polarizadas reducen el deslumbramiento bloqueando justo esa parte horizontal. Las pantallas de cristal líquido, los filtros fotográficos y las gafas de cine 3D también usan la polarización, y una antena debe coincidir en polarización para recibir bien una señal, así que una antena montada para polarización vertical capta mal una señal con polarización horizontal. La polarización es otra información que lleva la luz, aparte de su frecuencia y su intensidad.
Sea cual sea la polarización, la energía va adelante
Esto es justo lo que mostraba la primera pantalla. Se gire como se gire el ángulo de polarización, el campo magnético sigue perpendicular al eléctrico, así que su producto vectorial E×B apunta siempre en la dirección de avance. Además, |E×B| es el producto de las dos magnitudes, de modo que no depende del ángulo de polarización. Por eso el flujo de energía S no cambia ni de dirección ni de tamaño al girar la polarización. La polarización decide cómo vibra la luz, pero no adónde va la energía: la libertad de elegir la dirección de vibración y una dirección de flujo fija conviven en una misma onda.
De vuelta a la primera pantalla
En la primera pantalla, al girar el ángulo de polarización, los campos eléctrico y magnético giraban juntos, pero el ángulo recto entre ellos nunca se rompía, y la flecha verde S = E×B apuntaba siempre hacia delante con la misma longitud. La polarización es la libertad de elegir la dirección de E dentro del plano, y el vector de Poynting es el flujo que lleva la energía en la dirección de avance sin importar esa libertad. Vibre como vibre, la luz envía su energía derecho hacia delante, y esa intensidad es el brillo que percibimos. I = ½ε₀cE₀².
Hasta ahora la luz ha corrido libre por el espacio vacío. La próxima lección (EM-25) trata lo que ocurre cuando la luz llega a la frontera con un material de propiedades distintas. Una parte se refleja y otra se refracta y atraviesa, y la proporción y los ángulos dependen de los índices de refracción de los dos materiales, del ángulo de llegada y de la polarización. Por eso los espejos reflejan y las lentes desvían la luz.