Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Reflexión interna total y fibra óptica


En el campo de la óptica, dos fenómenos - reflexión y refracción - desempeñan un papel vital en la comprensión de cómo se comporta la luz cuando golpea diferentes medios. Un fenómeno en particular, conocido como reflexión interna total, es de especial importancia y encuentra su aplicación práctica en tecnologías como las fibras ópticas. Esta lección discute el concepto de reflexión interna total en profundidad, explicando sus principios, condiciones y aplicaciones, con énfasis en las fibras ópticas.

Comprensión de reflexión y refracción

Para entender la reflexión interna total, es necesario comprender los conceptos básicos de reflexión y refracción:

Reflexión

La reflexión es el proceso por el cual la luz regresa cuando golpea una superficie. El ejemplo más familiar es la luz reflejada en un espejo. El principio que rige la reflexión es simple:

  • El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión. Se puede expresar como: 
    θi = θr
    Aquí, θi es el ángulo de incidencia, y θr es el ángulo de reflexión.
rayo incidente Rayo reflejado

Refracción

La refracción es el desvío de la luz al pasar de un medio a otro. Este desvío se debe al cambio en la velocidad de la luz en diferentes medios. La ley que describe la refracción se llama ley de Snell:

n1 * sin(θ1) = n2 * sin(θ2)

Aquí, n1 y n2 son los índices de refracción de los dos medios, θ1 es el ángulo de incidencia, y θ2 es el ángulo de refracción.

rayo incidente Rayo refractado

Por ejemplo, cuando la luz entra al agua desde el aire, se desvía hacia la normal, porque el agua tiene un índice de refracción más alto que el aire.

Reflexión interna total

La reflexión interna total ocurre cuando la luz viaja desde un medio con un índice de refracción más alto hacia un medio con un índice de refracción más bajo. Bajo condiciones específicas, en lugar de refractarse, toda la luz se refleja de nuevo al medio original.

Condiciones para la reflexión interna total

Para que ocurra la reflexión interna total, deben cumplirse dos condiciones importantes:

  1. El índice de refracción del medio del que proviene la luz debe ser mayor que el medio al que va.
    Por ejemplo, el viaje de la luz del vidrio (alto índice de refracción) al aire (bajo índice de refracción).
  2. El ángulo de incidencia debe ser mayor que un cierto ángulo crítico.
    El ángulo crítico se puede calcular de la siguiente manera: 
    θc = sin-1 (n2/n1)
    Aquí, θc es el ángulo crítico, n2 es el índice de refracción del medio menos denso, y n1 es el índice de refracción del medio más denso.
Rayo refractado TIR

Si no se cumplen estas condiciones, la luz se refractará y no sufrirá reflexión interna total.

Aplicaciones de la reflexión interna total

La reflexión interna total se utiliza en una variedad de aplicaciones, que tienen un impacto profundo en los avances tecnológicos modernos.

Fibra óptica

Las fibras ópticas son quizás la aplicación más conocida de la reflexión interna total. Son delgadas hebras de vidrio o plástico que pueden transmitir luz a largas distancias con pérdida mínima.

Estructura de la fibra óptica

Una fibra óptica consta de tres partes principales:

  • Núcleo: La parte central de la fibra donde realmente viaja la luz. Tiene un alto índice de refracción.
  • Revestimiento: Rodea el núcleo y tiene un índice de refracción bajo. Refleja la luz de nuevo al núcleo.
  • Revestimiento protector: Capa protectora que protege la fibra de daños físicos.
principal Revestimiento

Principio de funcionamiento

Cuando se introduce luz en un extremo del núcleo, golpea el límite núcleo-revestimiento en un ángulo mayor que el ángulo crítico. Esto resulta en una reflexión interna total, haciendo que la luz rebote a lo largo de la longitud de la fibra hasta que sale por el otro extremo.

La eficiencia y efectividad de las fibras ópticas en transmitir datos se debe a la repetida ocurrencia de reflexión interna total, permitiendo que los datos viajen largas distancias con pérdida de señal mínima.

Aplicaciones de la fibra óptica

La fibra óptica ha revolucionado muchas áreas debido a sus capacidades de transmisión de datos a alta velocidad:

  • Telecomunicaciones: Las fibras ópticas se utilizan en líneas telefónicas y cables de Internet, permitiendo rápidas transferencias de datos en todo el mundo.
  • Medicina: Los endoscopios de fibra óptica permiten a los médicos ver órganos internos con mínima interferencia.
  • Industrial: Se utilizan en sensores y para iluminar lugares de difícil acceso.
  • Almacenamiento de datos: Las fibras ópticas se utilizan en centros de datos para mantener tasas de transferencia de datos masivas.

Otras aplicaciones de la reflexión interna total

Además de las fibras ópticas, la reflexión interna total se utiliza en varias otras tecnologías:

  • Periscopio: Mediante el uso de espejos en ángulos precisos, los periscopios permiten la observación desde una posición oculta o protegida.
  • Binoculares y Telescopios: La reflexión interna total mejora la calidad de imagen al reducir la pérdida de luz.
  • Sensores de lluvia: En vehículos, los sensores de lluvia utilizan la reflexión interna total para detectar gotas de lluvia en el parabrisas.

Conclusión

La reflexión interna total es un concepto integral dentro de la óptica, siendo su aplicación más destacada las fibras ópticas. Comprender este fenómeno proporciona una visión de cómo se comporta la luz en el límite de diferentes medios y abre avenidas para la innovación en tecnología y comunicaciones. La capacidad de usar la reflexión interna total para tecnologías de comunicación representa un avance significativo, impactando la forma en que la información se comparte en todo el mundo.


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Reflexión interna total y fibra óptica

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