Analizador de tensiones en materiales
Objetivo
  • Verificar experimentalmente las propiedades de polarización de la luz visible
  • Armar un polariscopio lineal y utilizarlo para el estudio de tensiones en algunos materiales plásticos.
Introducción
Nube resaltada con un polarizador
Los filtros polarizadores son de gran utilidad para disminuir la intensidad de la luz y eliminar reflejos. Se utilizan en la construcción de algunas gafas de sol polarizadas, muy apreciadas por los pescadores por la eliminación de los reflejos del agua y en filtros fotográficos también para eliminar reflejos y para resaltar el cielo.
Construcción de un polariscopio lineal
Materiales
  • 2 polarizadores lineales. Son muy útiles los que vienen en los bancos de óptica con un soporte.
  • 1 listón de madera
  • Materiales plásticos: reglas, cajas, papel celofán, ...
  • Taladro
  • Sierra
Realización práctica
  • Cortamos un trozo del listón de madera de unos 40 cm, en nuestro caso hemos reciclado uno que habían usado los alumnos de tecnología en uno de sus montajes.
  • Hacemos 2 agujeros en el listón con el taladro separados unos 20 cm con la broca adecuada al grosor de los soportes de los polarizadores.
  • Giramos uno de los polarizadores hasta que no pase luz, es decir, hasta que los polarizadores estén cruzados.
  • Introducimos el material plástico objeto de estudio entre los dos polarizadores y observaremos como ahora pasa luz y como aparecen unos colores en el material plástico que nos indican las tensiones del material.
Polariscopio lineal construido
Precauciones

La precaución que hay que tomar es la correspondiente al manejo de herramientas para cortar el listón y hacer los agujeros.

Explicación científica
Polarización de la luz por una regla

La luz puede ser representada como una onda electromagnética constituida por campos eléctricos y magnéticos fluctuantes y perpendiculares entre sí.

La Luz natural se caracteriza por el hecho de que las vibraciones transversales (vectores E y H) no presentan ni características direccionales ni características rotacionales particulares. Las ondas luminosas vibran con diversas amplitudes en todos los sentidos posibles. La disposición de las vibraciones varía aleatoriamente tan rápidamente que para intervalos de tiempo corto, podemos considerar que los rayos luminosos son simétricos respecto del eje de propagación.

La Luz polarizada se produce cuando las ondas son forzadas a vibrar de manera sistemática en el plano normal a la dirección de propagación.

La forma de la polarización está determinada por el comportamiento del vector E:

  • Polarización lineal: El vector E vibra sobre planos paralelos
  • Polarización circular: El modulo del vector E es constante; El vector E rota de forma continua.
  • Polarización elíptica: el extremo del vector E describe una elipse.

El polariscopio más simple que uno puede realizar incluye un polarizador lineal y un analizador lineal (otro polarizador), entre los cuales uno coloca el objeto a estudiar . La fuente luminosa es a menudo provista de un difusor. En general, los ejes del polarizador y analizador están cruzados en 90º, de modo que las figuras de interferencia aparecen en el fondo en negro. En el polariscopio se utiliza la luz polarizada para ver y medir los efectos debidos a la birrefringencia (dos índices de refracción) de los materiales. Todos los sistemas ordenados (cristalinos), exceptuando los que cristalizan en el sistema regular, que son isótropos a la luz polarizada (o a la luz blanca), presentan el fenómeno de la “birrefringencia”. Además de los sólidos cristalinos, los cristales líquidos son también medios birrefringentes o anisotrópicos a la luz.

Se pueden producir franjas de dos tipos: isoclinas o isócromas.

Características de las isoclinas:

  • Negras
  • Definidas menos nítidamente que las isócromas
  • A presión (tensión) constante, ellas varían cuando rotamos simultáneamente el polarizador y el analizador manteniéndolos cruzados a 90º
  • Con el polarizador y analizador mantenidos fijos, la modificación de la tensión las mantiene invariante

Hemos obtenido estas franjas cuando hemos situado papel celofan transparente estirado.

Características de las isócromas:

  • Coloreadas, con excepción de las franjas de orden cero
  • Definidas más nítidamente que las isoclinas
  • A tensión constante, ellas permanecen fijas cuando rotamos el polarizador y analizador manteniéndolos cruzados a 90º
  • Con el polarizador y analizador manteniéndolos fijos, ellas varían con la tensión

Hemos obtenido estas franjas cuando hemos situado reglas, cajas de plásticos transparente. En estos objetos la birrefringencia se produce por las tensiones que han quedado congeladas en el momento de su fabricación. En el celofán los colores que aparecen se deben a que este material es birrefringente y éstos dependen del espesor o del número de capas de la muestra.

A menudo, toda la información deseada puede ser obtenida a partir de las isócromas. En este caso las isoclinas son indeseables, ya que ellas oscurecen el dibujo de las tensiones. Es posible entonces eliminar las isoclinas utilizando luz polarizada circularmente.

Curiosidades y otras cosas
  • La polarización se encuentra en todas partes en nuestra vida diaria. Es un principio importante que facilita el funcionamiento adecuado de muchas cosas que nos son familiares, desde lentes para el sol hasta relojes digitales y pantallas de computadores.
  • Los pescadores a menudo usan lentes de sol polarizados para tratar de reducir el efecto del brillo del sol en la superficie del agua. Puede realizar el siguiente experimento: Si el lente está vertical, toda la luz solar reflejada en el agua pasa a través de él. Si el lente está horizontal, ninguna luz reflejada lo atraviesa. Porqué es importante la forma en que sostengo el lente?
  • Los medios birrefringentes poseen una o dos direcciones en el espacio en las que no se comportan como tales: a estas direcciones se les llama “ejes ópticos”.
  • La Polarimetría es la Ciencia basada en el uso del polarímetro. Entre otras aplicaciones está la de caracterizar y distinguir estereoisómeros, compuestos con la misma composición y estructura, pero con átomos quirales dentro de la molécula. Otra aplicación importante es su uso en el estudio de algunas cinéticas, por ejemplo la de inversión de la sacarosa.
Bibliografía

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