Teoría de la onda de Huygen

Christiaan Huygens propuso el principio de Huygens. En 1678, cambió la forma en que pensamos sobre la luz y sus propiedades. Probablemente hayas oído hablar de la teoría rectilínea de la luz, que establece que la luz viaja en línea recta. Una de las formas más importantes para examinar varios fenómenos ópticos es el principio de Huygens. El principio es un método de análisis que se puede utilizar para resolver problemas de propagación de ondas en el límite de campo lejano, difracción de campo cercano y reflexión.

Cuando abres una ventana en una habitación, la luz entra por ella y se esparce por el espacio. ¿Sabes por que pasa esto? Esto se debe al hecho de que la luz tiene un carácter ondulatorio y se propaga por la habitación en todas las direcciones. Veamos el Principio de Huygen para comprender mejor esto.

Principio de Huygen

Cada punto en un frente de onda es una fuente de pequeñas ondas esféricas que se expanden a la velocidad de la luz en la dirección de avance. El frente de onda está formado por la suma de estas pequeñas ondas esféricas”.

Esta explicación, sin embargo, no explica por qué ocurrió la refracción en primer lugar. En segundo lugar, no pudo explicar cómo la luz transfiere energía a lo largo de su trayectoria. El Principio de Huygens, también conocido como Principio de Huygens-Fresnel, enfatiza el comportamiento de propagación de ondas de la siguiente manera:

• Las fuentes secundarias generan ondículas que son comparables a las ondículas de la fuente original.
• El nuevo frente de onda está determinado por la tangente común en las ondículas en la dirección de avance en un momento dado.
• El total de las ondas esféricas es el frente de onda.

Frente de onda y onda normal

Considere una fuente puntual de luz ‘S’ en ‘aire’. Las ondas de luz emitidas por esta fuente van en todas direcciones. Si ‘c’ es la velocidad de la luz en el aire, cada onda viajará ‘ct’ en el tiempo t y alcanzará la superficie de una esfera de radio ‘ct’. Con la fuente ‘S’ como su punto focal. Este tipo de superficie se conoce como superficie de onda esférica . 

Un frente de onda es un lugar geométrico de todos los puntos del medio a los que llegan ondas simultáneamente, de modo que todos los puntos están en la misma fase (ver imagen a continuación), por ejemplo, la luz emitida por una bombilla a una distancia limitada. Un frente de onda plano emerge de una lente convexa cuando una fuente puntual de luz se coloca en su punto focal. Además, si el frente de onda esférico es lo suficientemente grande, una pequeña porción de la superficie puede considerarse un frente de onda plano. Por ejemplo, los frentes de onda son causados ​​por la luz solar. Una fuente lineal (como una rendija) produce un frente de onda cilíndrico. Por ejemplo, la luz es emitida por un tubo fluorescente. 

Una onda normal es una perpendicular trazada a la superficie de un frente de onda en la dirección de propagación de la luz. Un frente de onda, en otras palabras, transporta energía luminosa perpendicular a la superficie. 

Tipos de frentes de onda: hay tres tipos de frentes de onda, que son

1. Frente de onda esférico: considere la fuente de luz del punto ‘S’. Las ondas de luz generadas por S pueden moverse en cualquier dirección. Si c es la velocidad de la luz, entonces cada onda llegará a la superficie de una esfera de radio ct y centro S después de un tiempo t. Esta superficie esférica se conoce como frente de onda esférico en el tiempo t y se deriva de una fuente puntual de distancia finita. Por ejemplo, considere la luz emitida por una bombilla a una distancia limitada.
2. Frente de onda plano: el frente de onda esférico es tan enorme a una distancia muy grande de la fuente puntual que una pequeña porción de él puede considerarse un frente de onda plano. Se deriva de una fuente puntual infinitamente distante. Como ejemplo, considere el frente de onda causado por la luz solar.
3. Frente de onda cilíndrico: si la fuente de luz es lineal, es decir, una rendija, entonces obtenemos un frente de onda cilíndrico. Se obtiene de una fuente lineal mantenida a una distancia finita. Por ejemplo, la luz es emitida por un tubo fluorescente.

Construcción de Huygen de un frente de onda esférico

Sea PQ una sección transversal de un frente de onda esférico debido a una fuente puntual (S), en cualquier instante. Esto se puede llamar como frente de onda primario. Ahora considere los puntos A, B, C, D, E en PQ. Actúan como fuentes secundarias y envían pequeñas ondas secundarias según el principio de Huygens.

Si c es la velocidad de la luz en el medio isotrópico, en el tiempo t, cada onda describirá una distancia ‘ct’. Con A, B, C, D, E como centros de círculos, se trazará cada radio ct. Cada círculo representará un frente de onda secundario.

La superficie tangencial común (envolvente) P’Q’ dibujada en estos frentes de onda secundarios representa la (nueva) posición del frente de onda después del tiempo ‘t’. Las ondas secundarias que se mueven hacia atrás no existen.

Construcción de Huygen de un frente de onda plano

Sea PQ un frente de onda plano perpendicular al plano del papel debido a una fuente puntual (S), en cualquier instante ya una distancia muy grande. A esto se le puede llamar frente de onda primario. Ahora considere los puntos A, B, C, D en PQ. Actúan como fuentes secundarias de Huygens y envían ondas secundarias según el principio de Huygens.

Si ‘c’ es la velocidad de la luz en el medio isótropo, en el tiempo ‘t’, cada onda describirá una distancia ‘ct’. Con A, B, C, D como centros, se trazarán esferas cada una de radio ‘ct, cada esfera representará un frente de onda secundario. La superficie tangencial común (envolvente) ieP’Q’ dibujada en estos frentes de onda secundarios representa la nueva posición para el frente de onda después del tiempo ‘t’.

Las ondas secundarias que se mueven hacia atrás no existen y, por lo tanto, se muestran con líneas de puntos.

Ventajas del principio de Huygen 

• Podría explicar las leyes de refracción, interferencia, reflexión, difracción, etc.
• La teoría ondulatoria predijo que la velocidad de la luz en un medio ópticamente más denso es menor que en un medio ópticamente más raro, como lo demostró experimentalmente Focault.

Desventajas del principio de Huygen 

• No podía explicar la propagación rectilínea de la luz. La propagación rectilínea de la luz describe que la luz viaja en línea recta.
• No podía explicar el fenómeno de la polarización de la luz y fenómenos como el efecto Raman, el efecto Compton y el efecto fotoeléctrico. Posteriormente se modificó que la luz es una onda transversal.
• Huygens asumió la presencia de un medio hipotético [Éter]. Las propiedades del éter hipotético fueron estudiadas más a fondo por Michelson y Morley con su aparato basado en los principios de interferencia de los haces de luz. El experimento concluyó que no hay arrastre de éter cuando la tierra se mueve a través de él. Este y otros experimentos demostraron que el éter no existe.

Ejemplos de preguntas

Pregunta 1: Indique tres supuestos de la teoría ondulatoria de la luz de Huygens.

Responder: 

Los supuestos de la teoría de ondas de Huygens son los siguientes:

1. La luz se propaga en forma de ondas longitudinales.
2. Los diferentes colores de la luz se deben a las diferentes longitudes de onda de las ondas de luz.
3. Sentimos sensación cuando las ondas de luz entran en nuestros ojos.

Pregunta 2: Indique las ventajas y desventajas de la teoría ondulatoria de la luz de Huygens

Responder:

Méritos:

• Esta teoría podría explicar las leyes de reflexión, refracción, difracción, interferencia, etc.
• Según esta teoría, la velocidad de la luz en un medio más denso es menor que en un medio más raro. [Esta conclusión está en perfecto acuerdo con los resultados experimentales.]

Deméritos:

• Su teoría no podía explicar la propagación rectilínea de la luz.
• Huygens asumió la presencia del medio hipotético, el éter.
• Experimentalmente se demostró que el éter no existe.
• Esta teoría no logra explicar la polarización del fenómeno de la luz como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y el efecto Raman.

Pregunta 3: Defina frente de onda y onda normal.

Responder:

Frente de onda: Lugar geométrico que contiene todos los puntos del medio a los que llegan las ondas al mismo tiempo, de modo que todos los puntos están en la misma fase. 

 Onda normal: Una onda normal es una perpendicular dibujada a la superficie de un frente de onda en cualquier punto a lo largo del frente de onda en la dirección de propagación de la luz. 

Pregunta 4: ¿Cuál es la diferencia entre frente de onda plano y esférico?

Responder:

La diferencia entre el frente de onda plano y el esférico son:

Frente de onda plano	Frente de onda esférico
Se obtiene de una fuente puntual de luz mantenida a una distancia infinita.	Se obtiene de una fuente puntual de luz mantenida a una distancia finita.
Los rayos de luz son paralelos entre sí.	Los rayos de luz son de naturaleza convergente o divergente.
tiene forma de avion	es de forma esferica
El radio de curvatura es infinito.	El radio de curvatura es finito.
Ejemplo : frente de onda debido a la luz solar.	Ejemplo : luz emitida por una bombilla a una distancia finita.

Pregunta 5: Explique cómo se producen los frentes de onda cilíndricos y dé un ejemplo.

Responder:

Frente de onda cilíndrico: en un frente de onda cilíndrico, todos los puntos son equidistantes de la fuente lineal y se encuentran en la superficie del cilindro. 

• Si la fuente de luz es lineal, es decir, una rendija, entonces obtenemos un frente de onda cilíndrico.
• Se obtiene de una fuente lineal mantenida a una distancia finita.

Ejemplo: Una pequeña rendija rectangular. Un frente de onda cilíndrico se produce cuando la luz se transmite a través de una fina rendija rectangular. .