Fundamentación.
Palabras tales como onda, frecuencia o
período son de uso cotidiano, aunque su significado no se encuentre muy claro,
vale su aclaración a fin de establecer las partes de una onda y sus
características, como así también sus aplicaciones, al asociar casi instintivamente
la frecuencia o la amplitud a las ondas de radio (f.m o a.m)
La forma lúdica ayuda como estrategia
para que se fijen los conceptos en torno a las partes de una onda.
De una u otra forma, resulta
interesante incursionar en que la luz, dado su comportamiento dual, se comporta
como una onda y como una partícula.
Por ejemplo, ocurre que cuando un haz
de luz incide sobre una superficie con un determinado ángulo de un medio a
otro, un medio ópticamente más denso, el rayo incidente se desvía respecto de
la perpendicular en donde pasa de un medio a otro con un ángulo diferente.
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Una parte del haz de luz atraviesa de
un medio a otro es decir, se refracta. Mientras que, otra parte del haz de luz
se proyecta, es decir, se refleja.
Si el ángulo incidente se hace variar,
a partir de cierto ángulo llamado "límite" o "crítico", el
haz de luz solo se refractaría en el otro medio, mientras que en el medio donde
actúa inicialmente "desaparece". Este principio es el que pertenece a
la fibra óptica.
A continuación se procederá a la
lectura de un capítulo del libro “Historia de la luz” de Susana Gallardo. De
fácil lectura y comprensión, sin ser demasiado extenso en su relato.
La
fibra óptica.
Actualmente, la mayor parte de las
líneas telefónicas de larga distancia, así como las urbanas, utilizan la fibra
óptica, que permite la transmisión de gran cantidad de datos a través de largas
distancias, a alta velocidad, sin demasiadas pérdidas de energía, y sin sufrir
perturbaciones provocadas por la atmósfera, como sucede con las ondas de radio.
De hecho, los cables transoceánicos que comunican a Europa con el continente
americano emplean fibras ópticas. El desarrollo tecnológico hace que cada vez
se requiera un mayor ancho de banda para poder transmitir mayor cantidad de
información (voz, música, imágenes e incluso, TV), por ello la fibra óptica se
irá empleando cada vez más para llegar a cada manzana, e incluso, a cada hogar.
La fibra óptica puede transportar mucha
más información que el cable de cobre convencional. En este último, las señales
se ven atenuadas por la resistencia del material a la propagación de las ondas
electromagnéticas. Poseen un diámetro muy pequeño, y se fabrican a partir de un
tipo de vidrio muy flexible. Habitualmente se emplea sílice (cuarzo o dióxido
de silicio, compuesto formado por silicio y oxígeno). El material debe tener
pocas imperfecciones para que la luz no se absorba ni se disperse, y pueda
propagarse mediante reflexiones múltiples. La luz, que es la que transporta los
datos, es emitida por un láser, o por un LED, o diodo emisor de luz.
La historia de la fibra óptica comienza
alrededor de 1870, cuando el físico irlandés John Tyndall (1820 – 1893)
demostró que un chorro de agua podía contener y guiar luz debido a que ésta se
reflejaba en su interior; poco después lo probó con tubos de vidrio y más tarde
con hilos gruesos de cuarzo fundido. Lo importante de este trabajo fue
demostrar que la luz, al incidir en estos materiales a un determinado ángulo,
se refleja dentro de ellos, es decir, queda confinada y puede propagarse a
determinadas distancias.
Este principio fue utilizado en su
época para iluminar chorros de agua en fuentes públicas. En 1952, sobre la base
de los estudios de John Tyndall, el físico de origen indio Narinder Singh
Kapany (nacido en 1927) realizó experimentos que condujeron a la invención de
la fibra óptica que conocemos actualmente.
Uno de los primeros usos fue la
endoscopía, una técnica de exploración visual de una cavidad o conducto del
organismo. En particular se emplea para explorar el tubo digestivo, y consiste
en introducir una fibra óptica a través de la boca y que llega hasta el duodeno
(primera porción del intestino delgado).
La fibra óptica está compuesta por un
núcleo (core) que tiene un índice de refracción ligeramente mayor que el
material que lo circunda (revestimiento o cladding). La relación entre estos
dos índices determina lo que se conoce como “apertura numérica” de la fibra,
que es lo que va a permitir que la luz pueda propagarse dentro del núcleo
mediante reflexiones múltiples.
Para entender el principio de
funcionamiento de la fibra óptica, recordemos que la luz cambia de velocidad
cuando pasa de un medio a otro, por ejemplo, cuando pasa del aire al agua. En
ese cambio, además de modificar la velocidad, sufre efectos de reflexión y de
refracción (cambia la velocidad y la dirección de propagación).
Según la velocidad con que se propague
la luz en un medio determinado, se le asigna un índice de refracción, valor que
resulta de dividir la velocidad de la luz en el vacío por la velocidad de la
luz en dicho medio. Los efectos de reflexión y refracción que se dan en el
límite entre dos medios diferentes dependen de los respectivos índices de
refracción.
Cuando dos medios poseen diferentes
índices de refracción, si el haz de luz incide con un ángulo mayor que un
cierto ángulo límite (que se determina con una ecuación), siempre se refleja en
la superficie de separación entre ambos medios. De esta forma se puede guiar la
luz de forma controlada, como se puede ver en el gráfico 9.
Como se ve en el dibujo, el material
envolvente posee un índice de refracción determinado (n), y el material
interior, el núcleo, posee un índice diferente (n’). De esta manera se logra
guiar la luz a través del interior del cable. La luz se va reflejando contra
las paredes en ángulos muy abiertos, de tal forma que prácticamente avanza por
su centro. De este modo, se pueden guiar las señales luminosas a través de
grandes distancias, sin pérdidas. En la fibra óptica se pueden emitir a la vez
varias señales diferentes con distintas frecuencias, con el fin de poder
distinguirlas.
Experimentación.
Tras la lectura del capítulo
"fibra óptica" resulta interesante listar las posibles aplicaciones
de la fibra óptica, como así también su descubrimiento y las experimentaciones
que se hicieron al respecto.
¿Existirá la posibilidad de llevar a la
práctica la experimentación mencionada en el capítulo?
Visualización del siguiente video.
Dicha experiencia puede ser puesta en
práctica de manera sencilla colocando humo (de un sahumerio, por ejemplo) en el
medio donde se encuentra el aire y unas gotas de leche en el medio donde se
encuentra el agua.
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| Imagen de la propia práctica |
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| Imagen de la propia práctica |
Así también, perforando una botella,
que luego ha de ser repleta de agua, al hacer incidir el haz de luz en el
agujero por donde sale el chorro de agua, se producirá el fenómeno de la fibra
óptica, donde la luz es conducida o guiada en una determinada dirección.
Próximos pasos para continuar
investigando...
Una investigación ambiciosa resulta de buscar la forma de emplear fibra
óptica a fin de diseñar un sistema cerrado de comunicación de datos en la
propia institución escolar.
Un proyecto que requerirá de investigación extracurricular y que, por sobre todas las cosas, necesitará del entusiasmo de los estudiantes y del motor impulsor por parte del docente.
Atentos a los futuros posteos...