Cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, como cuando sale de un estanque de agua o cuando pasa a través de sus anteojos, es posible que haya notado que se dobla. Esto se llama refracción, y ocurre en diferentes ángulos dependiendo de la luz incidente y el material. También es cómo los ojos pueden ver y transmitir imágenes al cerebro.
Refracción de la luz

La refracción es la flexión de los rayos de luz a medida que pasan de un medio a un segundo medio. Resulta del hecho de que la luz viaja a velocidades ligeramente diferentes en diferentes medios. Cuánto se refracta un rayo de luz dependerá de cuán diferente sea su velocidad en el segundo medio del primero. Cuanto mayor sea la diferencia de velocidades, mayor será el ángulo de refracción.

Puede pensar en esto utilizando el principio del tiempo mínimo. Imagine un socorrista tratando de alcanzar a un nadador, lejos de la costa y en el agua, en el menor tiempo posible. Ella sabe que puede correr mucho más rápido de lo que puede nadar. Intentar llegar al nadador viajando en línea recta sería ineficiente debido a su lenta velocidad de natación en relación con su velocidad de carrera; en cambio, corre por la playa hasta que está casi frente al nadador, y luego salta al agua.

La distancia que recorre es más larga, pero el tiempo recorrido es más corto debido a sus diferentes velocidades en diferentes medios. Esto es lo que hace la luz cuando se refracta.

Las ondas de agua también pueden refractarse cuando se viaja entre áreas de diferentes profundidades, porque las olas viajarán a diferentes velocidades dependiendo de si están en aguas poco profundas o en aguas profundas.
Índice de refracción

El índice de refracción para un medio dado es un número sin unidad n
donde n \u003d c /v
, donde c
es la velocidad de la luz en el vacío y v
es la velocidad de la luz en el medio. Cuanto más lenta sea la luz en un medio, mayor será el índice de refracción de ese medio. La velocidad de una onda de luz en un medio dependerá de su longitud de onda y, por lo tanto, también lo hará el índice de refracción.

Esto conduce a un fenómeno llamado dispersión
, que puede verse en la luz prismas: cuando la luz blanca, que contiene ondas de luz de muchas longitudes de onda diferentes, entra en un prisma, cada onda de luz componente se refracta en un ángulo diferente dependiendo de su longitud de onda. Esto crea la apariencia de un arco iris.

El índice de refracción en el aire depende de muchos factores, como la presión y la temperatura. Las "olas" vistas que emanan de objetos calientes como el pavimento en el verano ocurren porque la luz se refracta de manera diferente a través del aire más caliente que el aire más frío, causando imágenes distorsionadas.

Además, el aire cerca de una carretera caliente en el verano puede realmente reflejarse luz que se dirige hacia un observador en un ángulo poco profundo, haciendo que parezca como si hubiera un espejo o una superficie de agua reflectante en la carretera.
Ley de Snell

La ley de Snell relaciona los índices de refracción de dos medios , así como el ángulo de incidencia θ _{i
al ángulo de refracción θ r
, a cómo se dobla la luz a medida que pasa de un medio en el otro.
n_i \\ sin (\\ theta_i) \u003d n_r \\ sin (\\ theta_r)}

Esta ecuación puede predecir el ángulo en el que la luz se refractará en un medio dado, si los índices de refracción de ambos medios y Se conocen los ángulos incidentes. Es cierto en cualquier situación que implique la refracción de la luz, con cualquiera de los dos medios.
Reflexión interna total

Si las ondas de luz pasan de un medio con un alto índice de refracción a un medio con un índice más bajo de refracción, hay un ángulo crítico por encima del cual la luz se dobla lo suficiente como para que nada se mueva hacia el otro medio. Esto se llama reflexión interna total.

El ángulo crítico es el ángulo incidente para el cual el rayo saliente tiene un ángulo de refracción de 90 grados. Entonces θ _{i
\u003d sin ^{-1 ( n i /n r
). En ángulos superiores al ángulo crítico, toda la luz experimenta una reflexión interna total.}}

La reflexión interna total explica por qué, desde cierto ángulo, la superficie del agua /aire en una pecera cuando se observa desde abajo se verá como un espejo perfecto . El aire tiene un índice de refracción mucho más bajo que el agua, por lo que las ondas de luz en un ángulo superficial a la superficie desde abajo se reflejarán en la superficie en lugar de refractar a través de ella, creando un espejo.

La reflexión interna total puede también ocurren en ondas de agua y ondas de sonido.
Lentes

La refracción de la luz en un medio puede cambiar cuando la superficie entre medios es curva. De hecho, la luz que proviene de la misma dirección se refractará en diferentes ángulos, dependiendo de en qué parte de la superficie curva golpee.

Las lentes son piezas de material transparente con lados curvos que utilizan la refracción para afectar el camino de la luz. . Una lente convergente es más gruesa en el medio, lo que permite que los rayos de luz que ingresan desde un lado de la lente converjan a un punto focal en el otro lado. Esto es lo que usan las lupas y algunos telescopios.

Una lente cóncava es más delgada en el medio que en los bordes, y los rayos de luz que ingresan desde un lado se refractan hacia afuera y se separan a medida que emergen por el otro. lado.

Ambos tipos de lentes se utilizan en la visión correctiva, ya sea en anteojos o lentes de contacto, según cuál sea el problema en el ojo.
Ejemplos

Nuestros ojos interpretan la luz mediante refracción . La luz entra en la córnea y luego en el cristalino, refractando en un punto preciso en la retina. La imagen luego se transmite al cerebro a través del nervio óptico. Los ojos llorosos provocan visión borrosa debido a las propiedades refractivas de las lágrimas.

Cualquier cosa que contenga fibras ópticas depende de la reflexión interna total. Las fibras tienen un alto índice de refracción y están rodeadas de material con un índice de refracción muy bajo. A medida que la luz viaja a través de la fibra, su ángulo con el exterior de la fibra es lo suficientemente bajo como para evitar que se escape. Esto permite que la fibra transporte luz muy enfocada a una gran distancia. La fibra óptica se usa principalmente en servicios de internet y telefonía.

Los arcoíris son causados por la refracción y el reflejo de la luz solar de las gotas de agua en el aire. Esto puede suceder después de tormentas o en condiciones de niebla, pero también cerca de cascadas y fuentes. Como se mencionó anteriormente, las diferentes longitudes de onda (colores) de luz tienen índices de refracción ligeramente diferentes para un material dado, lo que los hace refractarse en diferentes ángulos. Un observador entonces ve un arco iris de colores, en orden de longitud de onda.

La refracción es la razón por la cual el agua en un estanque parece menos profunda de lo que realmente es. Tan pronto como la luz en el aire ingresa al agua, se dobla en un ángulo menos profundo a la superficie debido a la refracción. Para un observador en el lado "aéreo" de la superficie, parece que todo debajo de la superficie es menos profundo, porque la luz se dobla en ángulos menos profundos.

El ángulo crítico también influye en la forma en que se cortan las piedras preciosas. Una piedra preciosa se puede cortar de tal manera que la luz que ingresa sufre una reflexión interna total cuando golpea las facetas traseras, emergiendo nuevamente por el frente de la piedra para que parezca más brillante. El diamante, con un alto índice de refracción, es particularmente ideal para esto, por lo que es una piedra preciosa popular.