¿El índice de refracción de un objeto cambia cuando se carga?

La óptica es la rama de la física que se ocupa de la interacción de la luz y la materia. Esta interacción se puede observar a diario en diferentes escenarios. Por ejemplo, cuando se coloca un lápiz dentro de una taza que contiene agua, el lápiz parece estar roto por encima y por debajo de la capa de agua. Cuando la luz blanca incide en un prisma de vidrio, se dispersa y produce un hermoso espectro de siete colores. Esto se debe al hecho de que la luz que viaja a través del aire tiene algunas diferencias con la luz que viaja a través del agua. Las diferencias entre ambos haces de luz surgen debido a la interacción de la luz con la materia que interviene, es decir, agua y aire, en este caso.

La naturaleza de la luz

La luz visible es una onda electromagnética. Una onda electromagnética es una onda que viaja a través de campos electromagnéticos. Los campos electromagnéticos solo se ven afectados por partículas cargadas. Por ejemplo, cuando un electrón (una partícula cargada) se mueve a través de un cable, cambia el campo electromagnético local, lo que da como resultado la producción de ondas electromagnéticas.

Vector de luz visible con diferencia de longitud de onda entre los colores de los espectros que dan diferentes propiedades el ojo humano puede ver el espectro de color blanco que se compone de todos los colores del arco iris (udaix) s

El espectro electromagnético de la luz visible. (Crédito de la foto: udaix / Shutterstock)

Todas las ondas tienen algunas propiedades mensurables asociadas a ellas, a saber. frecuencia, longitud de onda y amplitud. La luz visible es una onda electromagnética que se encuentra en el rango de longitud de onda de 400 nm a 700 nm (equivalente a un rango de frecuencia de 430 THz a 750 THz).

Índice de refracción

La refracción se repite con bastante frecuencia en contexto a la luz. La refracción es en realidad un fenómeno asociado con las ondas en general. Es el cambio en la dirección de propagación de una onda (flexión) cuando ingresa a un nuevo medio debido a un cambio en su velocidad de propagación.

El índice de refracción o índice de refracción (n) de un objeto se define como la relación entre la velocidad de la onda de luz en el vacío y la velocidad de la luz en ese objeto. Matemáticamente,

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dónde,

c = velocidad de la luz en el vacío

v = velocidad de la luz en el objeto

Interacción de la luz con la materia

Un átomo es el bloque de construcción de la materia. Muchos átomos se combinan (enlazan) entre sí para formar moléculas. La materia a granel es una agregación de millones de moléculas. El átomo consta de un núcleo cargado positivamente, electrones cargados negativamente y partículas neutras llamadas neutrones.

Dado que el núcleo y los electrones están cargados, interactúan con campos electromagnéticos. Esta interacción se puede medir cuando se emplean instrumentos adecuados para medirla. La presencia de cargas es responsable de las propiedades ópticas de las sustancias.

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La espectroscopia es el estudio de la interacción entre la materia y las ondas electromagnéticas. (Crédito de la foto: VectorMine / Shutterstock)

Cuando un rayo de luz visible incide sobre un material, excita (eleva la energía) los electrones del material (uno puede preguntarse por qué la luz visible no excita el núcleo. La respuesta es que la energía de la luz visible no es suficiente para elevar la energía de los núcleos, pero solo de los electrones). El haz incidente tiene alguna frecuencia (f) asociada. Cuando golpea los electrones, estos absorben la energía y comienzan a oscilar a la misma frecuencia que la de la luz incidente. Dado que los electrones son partículas cargadas, sus oscilaciones dan lugar a ondas electromagnéticas secundarias que se alejan del electrón en todas las direcciones. Estas ondas electromagnéticas tienen su longitud de onda en el espectro visible. Por lo tanto, el electrón también comienza a comportarse como una fuente de luz.

Dado que el material consta de millones de átomos que tienen millones de electrones, el efecto neto es que se produce una superposición de todas las ondas, cuyo resultado es una onda resultante que tiene una velocidad de fase más lenta (v) que la onda incidente (c ).

Índice de refracción y cargas

Todas las cargas producen y campo eléctrico. La adición, remoción o movimiento de cargas cambia el campo eléctrico.

El índice de refracción de un material cuando se somete a un campo eléctrico, n (E), viene dado por la siguiente ecuación general:

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Para la mayoría de las sustancias, los términos de orden superior (producto de E mayor que 2) son insignificantes. Por tanto, la ecuación se simplifica a:

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dónde,

n (0) = índice de refracción en ausencia de un campo eléctrico externo

a1, a2 = constantes dependientes del material (dependientes de la estructura electrónica y la simetría)

Índice de refracción de una sustancia cargada

Hasta ahora, la discusión se limitó a materiales que permanecieron neutrales. Cuando se introducen cargas adicionales, se desarrolla un campo eléctrico, E. Este campo eléctrico interactúa con el material y afecta su polarización. Esto se traduce en un cambio de posición y orientación de los dipolos. Este cambio afecta sus propiedades ópticas.

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El campo eléctrico debido a la carga externa reorienta los dipolos dentro del material, lo que resulta en polarización (Crédito de la foto: DKN0049 / Shutterstock)

El cambio en las propiedades ópticas debido a los campos eléctricos se denomina efecto electroóptico.

Hay dos tipos de efectos electroópticos: efecto electroóptico lineal (efecto Pockels) y efecto electroóptico no lineal (efecto Kerr).

Efecto Pockels

El cambio en el índice de refracción (, ¿Cambia el índice de refracción de un objeto cuando se carga ?, Science ABC, Science ABC

) depende de la primera potencia exponencial de la intensidad del campo eléctrico (el cambio en el índice de refracción es una función lineal de la intensidad del campo eléctrico). Matemáticamente, está representado por la ecuación:

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Efecto Kerr

El cambio en el índice de refracción (, ¿Cambia el índice de refracción de un objeto cuando se carga ?, Science ABC, Science ABC

) depende solo de la segunda potencia exponencial de la intensidad del campo eléctrico (el cambio en el índice de refracción es una función cuadrática de la intensidad del campo eléctrico). Matemáticamente, está representado por la ecuación:

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La respuesta

Por lo tanto, la adición de carga cambia el índice de refracción porque se desarrolla un nuevo campo eléctrico que interactúa con las cargas del material. Esta interacción da como resultado un cambio de propiedades ópticas del material.