Determinación experimental del índice de refracción de un material a partir del ángulo de desviación mínima de un prisma

작년

¡Hola amigos de Steemit!

Reciban un cordial saludo.

La caracterización de materiales es uno de los objetivos principales hacia donde apuntan una gran variedad de análisis físicos y químicos, apoyados en técnicas que cuentan con equipos de alta tecnología, los cuales facilitan el alcance de dichos objetivos.

El índice de refracción es uno de los parámetros de interés en el análisis y caracterización de un material, debido a su relación con sus propiedades ópticas y estructura electrónica.

La correcta medición de este parámetro es esencial en la industria de los hidrocarburos, plásticos y fabricas de lentes, entre otras, y constituye uno de los elementos primordiales que caracterizan el funcionamiento de una fibra óptica.

Dada su importancia, en esta publicación determinaremos experimentalmente con instrumentos básicos el índice de refracción de un material, con el objeto de afianzar y fortalecer nuestros conocimientos de un parámetro de vital interés en la caracterización de un material.

En nuestro desarrollo experimental, mediremos el índice de refracción de un prisma triangular a partir del ángulo de desviación mínima que experimenta un rayo de luz cuando este atraviesa dicho prisma. Si bien nuestro modelo está limitado a la obtención del índice de refracción de un prisma de vidrio, este modelo puede ser utilizado para la obtención del índice de refracción de distintos materiales.

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Figura 1 – Desviación de un rayo de luz a través de un prisma de índice de Refracción “n”
Wikimedia Commons - Domino Público


Fundamentos teóricos

El cambio en dirección y magnitud que experimenta la velocidad de un rayo de luz o cualquier onda electromagnética cuando incide con un determinado ángulo sobre la interfaz o frontera que separa dos medios con densidades distintas es conocido como refracción.

Este fenómeno de refracción es cuantificado a partir del índice de refracción definido por la expresión:

Donde:

c → velocidad de la onda en el vacío = 3.10 8 m/s
v → velocidad de la onda en el medio

La trayectoria y la relación entre las velocidades de los medios constituyentes, está gobernado por la ley de Snell de la refracción, dada por la siguiente expresión:

v1 → velocidad de la onda en el medio 1
v2 → velocidad de la onda en el medio 2
θ1 → ángulo de incidencia
θ2 → ángulo de refracción

La ley de Snell expresada en función de los índices de refracción toma la siguiente forma:

n1 → índice de refracción del medio 1
n2 → índice de refracción del medio 2

La trayectoria del rayo refractado, según lo expresa la ley de Snell, depende de los cambios en los índices de refracción de los medios en los que la onda se propaga.

En la figura 2 se observa el caso de una onda que penetra en un medio con un índice de refracción mayor (n2 > n1). Bajo esta condición, la tendencia del rayo refractado será de acercamiento a la normal del plano (frontera) que limita ambos medios. En caso contrario (n2 < n1), el rayo refractado experimenta una desviación cuya tendencia será de alejamiento a la normal.


Figura 2 – Diagrama esquemático de la reflexión y refracción de un rayo de luz
(Elaborado por @lorenzor en PowerPoint)

Ángulo de desviación mínima "δmin"

En la siguiente imagen se muestra la desviación de un rayo de luz cuando este atraviesa un prisma de vidrio con un ángulo de vértice "ϕ".


Figura 3 – Diagrama esquemático de la trayectoria de un rayo de luz en un prisma
(Elaborado por @lorenzor en PowerPoint)

En este sistema el rayo es refractado en la entrada y salida del prisma, tal y como lo establece la ley del Snell de la refracción.

Según la ley de Snell y un análisis geométrico del sistema, se obtiene las siguientes ecuaciones:

θ3 → ángulo de incidencia en el interior del prisma
θ4 → ángulo de refracción en la salida del prisma


Para una desviación mínima del rayo incidente se debe cumplir que:

Derivando la ecuación (11) respecto al ángulo de incidencia se obtiene:

Combinando (7) y (4) se tiene:

Derivando la expresión (14) respecto a "θ1" obtenemos:

Sustituyendo (15) en (13) se obtiene:

Igualando a cero la expresión (16) y simplificando obtenemos:

Según la ecuación (5) se tiene que:

Igualando (17) y (18) se obtiene:

El resultado mostrado en la expresión (20) nos indica que el rayo incidente sufre una desviación mínima cuando los ángulos de entrada y salida del rayo de luz, medidos respecto a sus normales, son iguales.

Este resultado conduce además, según lo expresado por las ecuaciones (4) y (5), a que:

Se puede concluir de nuestro análisis teórico que el camino seguido por el rayo dentro del prisma, bajo la condición de desviación mínima, debe ser estrictamente horizontal, tal y como se muestra en la siguiente imagen.


Figura 4 – Trayectoria del rayo de luz bajo la condición de ángulo de desviación mínima
(Elaborado por @lorenzor en PowerPoint)

De los resultados obtenidos en las expresiones (20) y (21), el ángulo de desviación mínima dado por la ecuación (11) se puede expresar de la forma:

Dado que:

n1 ≈ 1 (Aire)
n2 = n (índice de refracción del prisma)

Podemos expresar la ecuación (22) de la forma:

Despejando el índice de refracción "n" se obtiene:

La ecuación (24) permite obtener de manera simple, el índice de refracción del prisma (material) como una función del ángulo de desviación mínima "δmin" y del ángulo de vértice del prisma "ϕ".

Parte experimental

Materiales y equipos utilizados


Figura 5 – Materiales utilizados
(Fotografía tomada por @lorenzor en el laboratorio)

Metodología

En nuestro desarrollo experimental seleccionamos un prisma de vidrio a través del cual se hace incidir un rayo de luz (laser) en una de las caras.

Para satisfacer la condición de ángulo de desviación mínima, el ángulo de incidencia del rayo de luz es orientado hasta conseguir que el rayo en el interior del prisma sea horizontal, tal como se muestra en la siguiente imagen.


Figura 6 – Visualización de la trayectoria del rayo de luz (laser) a través del prisma
(Fotografía tomada por @lorenzor en el laboratorio)

Para una mayor visualización de la trayectoria del rayo a través del prisma, en la siguiente imagen se muestra dicha trayectoria en ausencia de luz.


Figura 7 – Visualización de la trayectoria del rayo de luz (laser) a través del prisma en ausencia de luz
(Fotografía tomada por @lorenzor en el laboratorio)

En el siguiente video se observa en detalle la trayectoria seguida por el rayo de luz.

Video grabado por @lorenzor en el laboratorio

Datos y resultados experimentales

Ángulo vértice del prisma

Ángulos de entrada y salida del rayo


Figura 8 – Visualización de las medidas experimentales del ángulo de entrada y de salida del rayo de luz
(Fotografía tomada por @lorenzor en el laboratorio y editada en PowerPoint)

Donde:

Error porcentual

De esta forma podemos apreciar que los resultados obtenidos validan la metodología y los principios físicos utilizados en la determinación del índice de refracción de un material.

Si bien en la actualidad existen técnicas y refractómetros modernos que permiten la obtención del índice de refracción con una alta precisión, estos están soportados bajo los principios físicos aquí expuestos.

Gracias por leer mi publicación. Si tienen alguna pregunta, duda o sugerencia, dejen sus comentarios y con mucho gusto les responderé.

Referencias

  • Física para ingeniería y ciencias Vol.2 Tercera Edición / Hans C. Ohanian, John T. Markert
  • Física para Ciencias e Ingeniería. Raymond A. Serway, Robert J. Beichner. 5a edición. Tomo II. McGraw-Hill.
  • Física Universitaria. Sears Zemansky, Young Freedman. 9na edición. Volumen 2. Addison Wesley Longman.
  • Teoría electromagnética. Willian H. Hayt, Jr., John A. Buck. Séptima edición. McGraw Hill.
  • Física para Ciencias e Ingeniería. Fishbane, Gasiorowicz, Thornton. Volumen I. Prentice Hall.
  • Física para la Ciencia y la Tecnología. Tipler Mosca. Volumen 1: Mecánica. Oscilaciones y ondas. Termodinámica. 5a edición. Editorial Reverté.

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Saludos estimado @lorenzor. Excelente la explicación con su demostración, en los procesos de enseñanza y aprendizaje siempre resulta necesario vincular la teoría con la práctica. Y como dices el índice de refracción es un parámetro de interés para el análisis de un material, en el análisis químico encuentra muchas aplicaciones, sobre todo en la industria de los alimentos ya que permite cuantificar la cantidad de una sustancia, sobre todo es muy empleado para determinar el contenido en azucares. Para determinar el índice de refracción he visto que existen equipos manuales muy sencillos y otros digitales que indican tener sistemas de compensación de la temperatura, por lo que pregunto, ¿conoces como influye la temperatura en este parámetro?

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Saludos @emiliomoron. Gracias por tu lectura y apoyo. Es muy interesante tu intervención. Ciertamente el índice de refracción es medido bajo condiciones controladas de temperatura. Su valor es obtenido comúnmente a temperatura de 200 C. Un incremento de temperatura implica una disminución del índice de refracción. En general esta variación se debe a que un incremento de la temperatura conduce a una disminución de la densidad y la permitividad eléctrica del medio, los cuales son parámetros directamente relacionados con el índice de refracción.
Los instrumentos modernos como los refractómetros utilizan sistemas de control de temperatura para la obtención de resultados mas óptimos.

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Gracias por el apoyo.

Saludos, muy buena presentación. Me salta la duda sobre el angulo minimo, el cual en la figura 8 da la impresión de ser mayor que el angulo tita numero 4, el cual vale 50°. Según la ecuacion

min + 60° = 50° + 50°
min = 40 °

Esta dando menor que 50°.


Seria interesante usar un prisma hueco y rellenarlo con soluciones y ver que comportamiento tiene la luz y hacer los calculos. Ya estariamos haciendo un equipo de medición de indice de refraccion. Hasta lo podria patentar. ☺☺☺☺


SALUDOS DESDE VENEZUELA
SALUTATIONS DU VENEZUELA
Greetings from Venezuela

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Saludos @soy-venezuelien. Gracias por tu tiempo en leer mi publicación y por tu comentario positivo. Creo que es el lugar donde resalto el angulo de desviación mínima lo que te hace ver mayor el ángulo. Efectivamente este ángulo de desviación mínima es menor que el tita numero 4. Si observas la intersección de las lineas punteadas en el interior del prisma notarás que el angulo que describen (ángulo de desviación mínima) es menor que el que describe el rayo de salida con la normal a esa cara (tita numero 4 ). Me parece genial tu idea de patentar el método. Funciona también con un prisma hueco y un material en su interior. También puedes tallar un material en forma de prisma y aplicar el método. Gracias por tu visita y apoyo.

Este post fue compartido en el canal #spanish-curation de la comunidad de curación Curation Collective y obtuvo upvote y resteem por la cuenta de la comunidad @c-squared después de su curación manual.
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Gracias por el apoyo.

Con el transcurrir de los meses he ido aprendiendo un poco sobre física, aunque es bastante extensa o mejor dicho tiene muchas áreas al igual que diferentes aplicaciones. Muy interesante el video donde podemos observar con lujo de detalles cómo se puede determinar el índice de refracción por medio del láser, entiendo muy poco las ecuaciones pero tengo entendido que esto se aplica en muchos desarrollos tecnológicos.

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saludos @anaestrada12. Un placer tenerte de visita. Así es, son diversos los aportes que tiene el índice de refracción en el estudio de materiales. Gracias por tu apoyo.


Colmena-Curie.jpg

¡Felicidades! Esta publicación obtuvo upvote y fue compartido por @la-colmena, un proyecto de Curación Manual para la comunidad hispana de Steemit que cuenta con el respaldo de @curie.

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Si quieres saber más sobre nuestro proyecto, acompáñanos en Discord: La Colmena.


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Gracias por el apoyo.

  ·  작년

De niño y adolscente me encantaba la física y vivía leyendo y haciendo experimentos. La vida me llevó por un camino distinto, pero aún disfruto este tipo de lecturas.... Aunque, como es de suponerse, me pierdo a cada rato ;-)

¡Felicitaciones por tan buen trabajo!

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Saludos @ylich. Me alegra te gustara y motivara el contenido de mi articulo. Espero tenerte de visita en mis próximas publicaciones. Gracias por tu apoyo.

Hola @lorenzor, muy bueno el aporte que presenta, generalmente los saberes relativos a la Luz son profundizados por los Físicos e Ingenieros debido a la naturaleza de su perfil profesional, esto lo digo en virtud de que el el bachillerato apenas si da chance de abarcarlos en tanto que el tiempo se va en el estudio de la Mecánica, Electricidad y Magnetismo y muy poco se dedica a estos conocimientos en particular y es una lástima porque es un parte de la Física muy rica en contenidos, muy interesante y altamente aplicable. En el ámbito universitario, he tenido la oportunidad de asistir a los encuentros de laboratorio de los futuros educadores en Física y me resultó fascinante las diferentes experiencias experimentales relacionadas con los conocimientos que comparte, sin embargo, a pesar de ser educadores creo que podrían ir mucho más allá en cuanto a las aplicaciones y en ese sentido la Física es tan bonita que presta con naturalidad a experimentar y aprender de ella, asimismo pienso que publicaciones como la que nos presenta se convierte en referente necesario en la formación de éstos!! Felicitaciones, saludos cordiales!!

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Saludos @reinaseq. Me alegra tenerte de visita. Es correcto, los contenidos muchas veces de temas como este quedan solo en el esquema del primer día de clase. En ocasiones por falta de tiempo o por falta de equipos. La óptica geométrica y ondulatoria son temas esenciales que no deben faltar en nuestro aprendizaje. Gracias por tu apoyo y comentarios.





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Gracias

Excelente trabajo experimental mi amigo y colega @lorenzor. Muy bueno para ser aplicado en los cursos de laboratorio de Optica en las carreras de Física. Le felicito. Disfruté se su trabajo. Un fraterno saludo.

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