Teoría de la propagación

Teoría de la propagación: La propagación se realiza cuando un rayo de luz ingresa al núcleo de la fibra óptica y dentro de él se producen sucesivas reflexiones en la superficie de separación núcleo – revestimiento.

La condición más importante para que la fibra óptica pueda confinar la luz en el núcleo y guiarla es:

n 1 > n 2

Para describir los mecanismos de propagación se usará la óptica geométrica. Se basa en que la luz se considera como rayos angostos, donde la reflexión ocurre en la frontera de dos materiales de índices de refracción diferentes.

En el vacío las ondas electromagnéticas se propagan con la velocidad de la luz 299.792.456 km/seg.

En el aire se puede aproximar a:

c = 300,000 km/seg.

Si se tiene un material con distinto índice de refracción al del aire, su velocidad será ligeramente distinta a la de la luz dependiente de n

Relación que puede escribirse

donde:

c = es la velocidad de la luz (3.000.000.000 m/s) en el aire

v = es la velocidad de la luz en un material especifico.

n = índice de refracción

Cuando un rayo incide en la frontera entre dos medios con diferentes índices de refracción, el rayo incidente será refractado con distinto ángulo, según la ley de refracción de Snell,

De donde

n2sen θ2 = n1sen θ1

n1= índice de refracción del material 1 (adimensional)

n2= índice de refracción del material 2 (adimensional)

θ1= es el ángulo de incidencia (grados)

θ2 = es el ángulo de refracción (grados)

v1 = velocidad en el material 1

v2 = velocidad en el material 2

La representación de la ley de Snell se muestra en la figura que se encuentra a continuación.

En la frontera, el haz incidente se refracta hacia la normal o lejos de ella, dependiendo si n1 es menor o mayor que n2.

Esto implica que si un rayo ingresa de un medio menos denso (índice refractivo más bajo) a otro más denso (índice refractivo mas alto) (n1< n2), el rayo se refracta con un ángulo menor con respecto a la perpendicular de la frontera.

En el caso contrario cuando un rayo incide de un medio más denso hacia otro menos denso, el rayo se refracta con un ángulo mayor con respecto a la perpendicular de la frontera.

Ángulo crítico

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, el ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico, resulta cuando el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, (superficie de separación entre ambos medios). Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados.

Por Snell

n2sen θ2 = n1sen θ1

Si θ2 = 90º

θ1 = θC= ángulo crítico

Entonces para θ1 > θC => reflexión total

Índices de refracción de varios materiales se indican en la siguiente tabla.

MEDIO INDICE DE REFRACCION

Vacío 1.0

Aire 1.0003

Agua 1.33

Alcohol etílico 1.36

Cuarzo fundido 1.46

Fibra de vidrio 1.5-1.9

Diamante 2.0-2.42

Silicio 3.4

Galio Arsenuro 3.6

El ángulo crítico considerando el aire y el vidrio será:

Para el aire n2 =1

Vidrio n1 = 1.5

1.5 sen θ1 = 1

θ1 = 41.8º

Ejemplo

Si el medio 1 es vidrio y el medio 2 alcohol etílico. Para un ángulo de incidencia de 30°, determine el ángulo de refracción.

De la tabla

n1 (vidrio) = 1.5

n2 (alcohol etílico) = 1.36

2 Teoría ondulatoria

Fue idea del físico holandés C. Huygens. La luz se propaga mediante ondas mecánicas emitidas por un foco luminoso. La luz para propagarse necesitaba un medio material de gran elasticidad, impalpable que todo lo llena, incluyendo el vacío, puesto que la luz también se propaga en él. A este medio se le llamó éter.

La energía luminosa no está concentrada en cada partícula, como en la teoría corpuscular sino que está repartida por todo el frente de onda. El frente de onda es perpendicular a las direcciones de propagación. La teoría ondulatoria explica perfectamente los fenómenos luminosos mediante una construcción geométrica llamada principio de Huygens. además según esta teoría, la luz se propaga con mayor velocidad en los medios menos densos. a pesar de esto, la teoría de Huygens fue olvidada durante un siglo debido a la gran autoridad de Newton.

En 1801 el inglés T. Young dio un gran impulso a la teoría ondulatoria explicando el fenómeno de las interferencias y midiendo las longitudes de onda correspondientes a los distintos colores del espectro.

La teoría corpuscular era inadecuada para explicar el hecho de que dos rayos luminosos, al incidir en un punto pudieran originar oscuridad.

COMO SE PROPAGAN LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS?:

Hemos visto en otras lecciones que los electrones se ponen en movimiento ya se a por medio de una batería, ungenerador o bien, un campo magnético.

Por medio de transistores, tubos al vacío, inductanica y capacidad y con circuitos configurados de tal forma que lleven a ejercer un movimiento oscilatorio a los electrones, geenerando así una corriente alterna de alta frecuencia. Como se indicó en la lección anterior, los electrones producen un campo electroestático y otro electromagnético alrededor de los conductores, siendo estos el resultado directo del del movimiento oscilatorio antes mencionado; cuantos más electrones en movimiento hayan, será mayor la fuerza de los campos producidos.

Esto es la forma de producirlos, ahora veamos la forma de propagarlos por el espacio a través del éter alejándolo del conductor para obtener una forma nueva de energía, las ondas electromagnéticas (ondas = movimiento oscilante).

Toca el trabajo de propagarlas a la antena transmisora, misma que lo hace en todas direcciones. Las ondas electromagnéticas también pueden ser dirigidas en diferentes formas, para esto se utilizan antenas especiales, algunos ejemplos de dirigir a voluntad las ondas electromagnéticas lo puedes ver en la figura siguiente,

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