Reflexión y transmisión en una frontera
Sube el ángulo de incidencia hasta la reflexión total
La luz viaja de un medio denso (abajo) a uno raro (arriba). Al subir el ángulo de incidencia, el rayo refractado (verde) se tumba cada vez más cerca de la frontera y el reflejado (dorado) se hace más fuerte. Pasado cierto ángulo el rayo refractado desaparece y la luz rebota entera. Encuentra dónde está ese ángulo crítico.
La luz se divide en la frontera
Cuando la luz cruza la frontera entre dos medios — del aire al vidrio, o del agua al aire — un haz se divide en dos. Parte se vuelve el rayo reflejado que rebota, parte el refractado que se dobla y entra. La energía que ambos comparten suma la del haz original. Un espejo que muestra una imagen, y tu tenue reflejo en un cristal, son esta reflexión; una pajita en el agua que se ve doblada es refracción.
El índice de refracción y la luz que se frena
La luz es más rápida en el vacío pero se frena dentro de un medio. Cuánto se frena es el índice de refracción n, y la velocidad dentro es v = c/n. El vidrio tiene un índice de cerca de 1.5, así que la luz lo atraviesa a dos tercios de c. En un medio no magnético n lo fija la permitividad como √ε_r. La frecuencia se mantiene pero la velocidad baja, así que la longitud de onda se acorta. Esta diferencia en cómo se frena la luz de un medio a otro es justamente por qué se dobla.
La ley de Snell
El ángulo de refracción sigue la ley de Snell n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂. Al ir de un medio denso (n grande) a uno raro (n pequeño), la luz se dobla alejándose de la normal; al revés, se dobla hacia la normal. La reflexión es más simple: el ángulo de reflexión siempre iguala al de incidencia (θ_r = θ₁). ¿Por qué estas reglas? A lo largo de la frontera las crestas de las ondas incidente y transmitida deben ir al mismo paso. Como la longitud de onda difiere en cada medio, ajustar el espaciado de las crestas obliga a los ángulos a cambiar exactamente como dice Snell.
La reflexión total interna
Al ir de un medio denso a uno raro, subir el ángulo de incidencia hace que el de refracción crezca aún más rápido, llegando antes a 90°. El ángulo de incidencia en ese instante es el ángulo crítico θ_c, con sinθ_c = n₂/n₁. Pasado el ángulo crítico, la ley de Snell exigiría sinθ₂ > 1, y tal ángulo no existe. Así que la luz no puede transmitirse en absoluto y se refleja por completo. Es la reflexión total interna. Las fibras ópticas que atrapan la luz para llevarla lejos, el destello de un diamante y un espejismo del desierto se valen de ella.
De vuelta a la primera pantalla
En la primera pantalla, cuanto más subías el ángulo de incidencia, más se tumbaba el rayo refractado (verde) hacia la frontera, hasta que pasado un ángulo desaparecía sin rastro y la luz volvía entera como rayo reflejado (dorado). Ese ángulo es el crítico θ_c, el que cumple sinθ_c = n₂/n₁. Por debajo, la ley de Snell n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂ fijaba el ángulo de refracción mientras el de reflexión siempre igualaba al de incidencia. Como la luz corre a distinta velocidad en cada medio, se divide y se dobla en la frontera.
Hasta ahora la luz ha sido una onda que se extiende libremente. Desde la siguiente unidad (EM-26) tratamos las líneas de transmisión, que confinan una onda electromagnética entre dos conductores y la envían en una dirección. Dentro de un cable, el voltaje y la corriente corren como ondas, y aparece una nueva cantidad, la impedancia característica. Entramos en cómo viajan las señales de alta frecuencia por un circuito.