Polarización
Dos polarizadores cruzados no dejan pasar nada. Al meter un tercero entre ellos pasa el 12,5 %, y agregar un filtro aumenta lo que pasa porque un polarizador no solo filtra: reorienta.
01La dirección en que oscila el campo
Que la onda electromagnética sea transversal deja una libertad que las ondas longitudinales no tienen: el campo eléctrico puede oscilar en cualquier dirección del plano perpendicular a la propagación. Esa dirección es la polarización, y el sonido no la tiene porque oscila en la misma dirección en que avanza.
| Estado | Qué hace el campo | Cómo se logra |
|---|---|---|
| Lineal | Oscila siempre en el mismo plano | Un polarizador, o una antena de un solo elemento |
| Circular | Gira describiendo un círculo | Dos componentes iguales desfasadas 90° |
| Elíptica | Gira describiendo una elipse | El caso general: amplitudes o desfasaje cualesquiera |
| No polarizada | Cambia al azar todo el tiempo | Cualquier fuente térmica: el Sol, una lámpara |
La última fila es el estado natural de casi toda la luz: una lámpara emite fotones de átomos que no están coordinados entre sí, y el resultado promedia a todas las direcciones. Polarizarla es filtrar, y por eso siempre cuesta energía.
En comunicaciones satelitales se usa polarización circular porque la orientación relativa entre el satélite y la antena de tierra cambia, y con polarización lineal habría que seguirla. Además una onda circular a derecha y otra a izquierda son independientes: se pueden transmitir dos canales en la misma frecuencia. Y en la ionosfera, la rotación de Faraday gira el plano de una onda lineal de manera impredecible, cosa que a una circular no le afecta.
02La ley de Malus
Un polarizador deja pasar únicamente la componente del campo paralela a su eje. Como la intensidad va con el cuadrado del campo, la fracción que pasa es:
Tres polarizadores con sus ejes orientables. Empezá con el primero y el tercero cruzados a 90°: no pasa nada. Después metele el del medio a 45° y mirá lo que ocurre.
Parece contradictorio que agregar un filtro aumente lo que pasa, y no lo es. El polarizador del medio no filtra solamente: reorienta. Lo que sale de él está polarizado a 45°, y esa dirección sí tiene componente sobre el eje del tercero. Sin él, lo que llega al tercero es perpendicular a su eje y no tiene ninguna. Es la demostración más limpia de que un polarizador proyecta un vector, y no de que simplemente deje pasar «la luz que estaba ahí».
03Polarizar sin polarizador
La reflexión polariza. Cuando la luz incide sobre una superficie transparente con el ángulo de Brewster, lo que se refleja queda polarizado por completo en el plano paralelo a la superficie:
| Fenómeno | Qué hace | Dónde aparece |
|---|---|---|
| Reflexión de Brewster | Polariza lo reflejado | Anteojos polarizados, ventanas láser |
| Dispersión de Rayleigh | Polariza el cielo a 90° del Sol | Filtros de fotografía; orientación de algunos insectos |
| Birrefringencia | Dos índices según la polarización | Láminas de cuarto de onda, calcita |
| Actividad óptica | Gira el plano de polarización | Medir concentración de azúcares |
Un LCD es polarización pura. Atrás hay una lámpara blanca, adelante dos polarizadores cruzados —que por sí solos darían negro— y en el medio una capa de cristal líquido cuyas moléculas giran el plano de polarización. Sin tensión, la capa lo gira 90° y la luz atraviesa los dos polarizadores: píxel encendido. Con tensión, las moléculas se alinean, dejan de girar nada y el segundo polarizador bloquea: píxel apagado. Cada píxel es un experimento de Malus, y por eso la pantalla de una notebook se oscurece al mirarla con anteojos polarizados girados.
04En el laboratorio
Con dos polarizadores, una fuente estable y un fotodiodo con amplificador, medir la intensidad cada diez grados de rotación del segundo. Graficar contra \( \cos^2\theta \) y verificar que da una recta.
Cruzar dos polarizadores hasta extinción y medir. Insertar un tercero entre ellos y recorrerlo de 0 a 90°, midiendo. Ubicar el máximo y comparar con el 12,5 % que predice la teoría.
Reflejar un haz sobre una placa de vidrio variando el ángulo y observar el reflejo a través de un polarizador. Encontrar el ángulo de extinción y obtener de ahí el índice de refracción del vidrio.
05Errores frecuentes
- Creer que un polarizador «deja pasar la luz que ya estaba en su dirección». Proyecta: transmite la componente.
- Esperar que el primero deje pasar más de la mitad. Con luz no polarizada es siempre 50 %, en cualquier orientación.
- Pensar que agregar un filtro no puede aumentar lo que pasa. El del medio lo demuestra.
- Usar Malus con luz no polarizada. Malus vale desde el segundo polarizador en adelante.
- Confundir polarización circular con luz no polarizada. La circular está perfectamente definida; solo rota.
- Olvidar que la polarización es transversal. El sonido no se polariza: oscila en la dirección en que avanza.
06Autoevaluación
¿Cuánta luz pasa por el primer polarizador?
La mitad, si entra no polarizada, sea cual sea su orientación.
¿Qué fracción pasa por tres polarizadores a 0°, 45° y 90°?
Un octavo: \( \tfrac12 \times \cos^2 45° \times \cos^2 45° = 12{,}5\ \% \) de la luz que entró.
¿Por qué el del medio deja pasar luz si los otros dos están cruzados?
Porque reorienta: lo que sale de él está a 45°, y esa dirección sí tiene componente sobre el eje del tercero.
¿Qué es el ángulo de Brewster?
El ángulo de incidencia con el que la luz reflejada queda totalmente polarizada. Su tangente es el cociente de índices.
¿Por qué los satélites usan polarización circular?
Porque no depende de la orientación relativa, y la ionosfera gira el plano de una onda lineal de forma impredecible.
¿Cómo funciona un píxel de LCD?
Dos polarizadores cruzados con cristal líquido en el medio: sin tensión gira la polarización 90° y pasa luz; con tensión no la gira y el segundo polarizador la bloquea.
07Para ampliar
- Eugene Hecht. Óptica. 5.ª ed., Pearson, 2017. El capítulo 8 completo: estados de polarización, Malus, Brewster, birrefringencia y láminas retardadoras.
- Raymond A. Serway y John W. Jewett. Física para ciencias e ingeniería. 10.ª ed., Cengage, 2019. El tratamiento introductorio, con los ejercicios de polarizadores en cascada.
- Ernst Lueder. Liquid Crystal Displays: Addressing Schemes and Electro-Optical Effects. 2.ª ed., Wiley, 2010. Cómo se construye una pantalla a partir de dos polarizadores y una capa de cristal líquido.