Birrefringencia

 Birrefringencia

1. Introducción

En el experimento de hoy, vamos a observar los efectos de la birrefringencia, gracias a la luz polarizada podremos determinar los puntos débiles de un material y mucho más.

2. Materiales

- Pantalla de ordenador

- Polarizador 

- objetos de plástico transparente 

3. Procedimiento

Para observar el fenómeno primero colocaremos el polarizador enfrente de la pantalla hasta que la luz ya no pase por el, después, mirando a través del polarizador sujetaremos los objetos de plástico enfrente nuestro, entre la pantalla y el polarizador. Si seguimos bien los pasos observaremos como aparecen patrones de colores en los materiales.

Estos patrones de colores nos ayudan a entender que estructura molecular tiene el material y gracias a ellos podemos determinar los puntos débiles del objeto, donde está en tensión. Estos puntos los en donde los padrones de líneas de colores coinciden o salen, con objetos sencillos determinar estos puntos es muy obvio.

4. Conclusiones

Tras encontrar los puntos se puede observar más de cerca el objeto y a veces se podrán ver imperfecciones en el mismo sitio o los puntos en donde inyectaron el plástico a la hora de fabricar el objeto.

También es interesante observar objetos flexibles a través del polarizador, como los colores muestran los puntos de tensión acumulada si estiramos el objeto o intentamos partirlo podremos observar como los colores aumentan de intensidad.

5. Explicación

Este fenómeno se relaciona directamente con la refracción de la luz en materiales, por lo tanto recomendamos leer nuestra entrada sobre el tema "Refracción de la luz" pues a entender la explicación.

- ¿Qué es un polarizador?

Un polarizador está echo con alcohol polivinílico, las láminas de este material se estiran de tal manera que se alineen las moléculas del material en una cierta dirección.

Al contrario que con el cristal este se trata de un material conductivo, es decir, los electrones de las moléculas no están fuertemente sujetos a ellas y por lo tanto pueden absorber energía y "moverse", esto significa que puede absorber energía de forma efectiva.

El polarizador bloquea toda la luz salvo en una dirección ya que como las moléculas están alineadas si los fotones entran orientadas igual que ellas son absorbidos, para entender esto primero imaginaremos una molécula alargada, como un lápiz, los electrones "orbitan" de una forma elíptica, suben y bajan mucho para pasar por los extremos del lápiz pero se mantienen cerca del centro cuando pasan por sus lados, este movimiento sería parecido al descrito en la imagen a la derecha.

Cuando la luz pasa por el material orientado igual que la molécula es absorbida pues sus oscilaciones coinciden con el movimiento de los electrones, la energía del fotón se convierte en luz. En cambio si pasa perpendicular a la molécula el la frecuencia del fotón no será absorbido por el electrón puesto que sus oscilaciones no coinciden. 

Este es el mimo principio que explicamos a la hora de entender la refracción de la luz, en esa entrada mencionamos la frecuencia de las moléculas o electrones y decíamos que la luz el pasar inducia su frecuencia en la molécula lo cual producía otra onda que al sumarse con la original provocaba un desfase diferente dependiendo en el color del haz inicial. La diferencia con la explicación de la refracción es que en vez de solo fijarnos en un eje en el que la molécula sube y baja "vibrando", como si solamente tomáramos dos puntos opuestos de la orbita, observamos el recorrido completo de los electrones que describen una elipse, esto significa que en cuanto a la refracción los colores se refractarían de distinta manera dependiendo en orientación tiene el haz inicial respecto a esta orbita. 

La pregunta que ahora te estarás preguntando es ¿Porqué un cristal deja pasar la luz refractándola y en cambio un polarizador la absorbe totalmente si se trata del mismo principio? Efectivamente si es el mismo principio, lo que cambia es el material, como he mencionado el polarizador es un material conductivo, el cristal no lo es, esto es fundamental puesto que significa que en el polarizador los electrones están "sueltos" y en el cristal están "sujetos", cuando pasa la luz por ambos materiales en el polarizador los electrones absorben la energía y se "mueven" (lo que seria subir de orbita), en el cristal los electrones estén "sujetos" y cuando pasa un haz de luz solo se mueven un poco creando una onda parecida a la original la cual provoca la refracción. El cristal no es conductivo es aislante solo cambia la velocidad de la luz, los polarizadores su conducción en un eje es mucho mayor que en los demás eje conductividad anisotrópica, los metales como el hierro tiene conductividad isotrópica, absorben lo mimo en todas direcciones, por eso el hierro no es transparente. 

Por último queda explicar porqué solo pasan fotones en una dirección, esto se puede de dos formas, según la física clásica el haz de luz se describiría por dos vectores, siendo la suma de estos el haz original, uno de estos vectores se absorbería totalmente mientras que el otro pasaría sin más. La física clásica simplemente dividiría el haz en estas dos partes y al pasar por el polarizador tomaría solo la perpendicular al eje absorbido. En cambio esta explicación tiene sus errores los cuales empiezan a surgir cuanto mas cerca miras, al tener en cuanta los fotones individuales vemos que esta lógica ya no se aplica puesto que los fotones son la unidad mínima de energía, no se pueden dividir en dos vectores más pequeños, esta forma de pensar se estudia en la rama de la física cuántica, esta forma de ver el problema explica que el fotón al llegar al polarizador pasa o no pasa, es decir, es cuestión de probabilidad, cuanto más perpendicular al eje de absorción el porcentaje de pasar será mayor, hasta llegar al 100%, cuando el fotón entra paralelo al eje el porcentaje de que pase es 0%, está probabilidad es totalmente aleatoria no se puede determinar si un fotón será absorbido o no hasta que se mide y entonces pasará con toda su energía o será absorbido totalmente.

5. Resultados

kjjn