Luz y ondas electromagnéticas

Electrónica. Óptica geométrica. Espectro electromagnético. Ley de Maxwell

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E) LA LUZ Y LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

Óptica geométrica: Comprensión de la visión y formación de imágenes en espejos y lentes delgadas. Aplicación al estudio de algunos sistemas ópticos.

Propagación rectilínea de la luz. Formación de imágenes por reflexión y refracción.

La luz es una onda electromagnética que se propaga en línea recta, líneas a las que llamamos rayos. La óptica geométrica estudia el comportamiento de la luz aplicando el concepto de rayo. La formación de sombras y penumbras detrás de un cuerpo opaco nos indica que la luz se propaga en línea recta, sirviendo como ejemplo los eclipses de Sol y Luna.

(dibujos)

En la reflexión, según la ley de Snell, el rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano; y el ángulo de incidencia es igual al de reflexión. Esto se cumple solo en caso de reflexión regular, es decir, sobre una superficie pulida.

En la refracción, según Snell, el rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano; y además: senî/senr=n2/n1. De modo que si el rayo pasa a un medio más refringente el rayo se acerca a la normal. Se puede hablar de la invariante de refracción senîxn1.

Espejos. Formación de imágenes y características. Aplicaciones.

Para construir imágenes reflejadas de un espejo, basta con hallar la intersección de dos de sus rayos reflejados, se conocen tres trayectorias: un rayo paralelo al eje óptico que reflejado pasa por el foco, uno que pasa por el centro de la curvatura del espejo que se refleja en la misma dirección y uno que pasa por el foco y se refleja paralelo al eje óptico.

(dibujos)

La imagen puede ser real o virtual, invertida o derecha y mayor o menor que el objeto. En el caso de los espejos convexos, siempre es virtual, derecha y de menor tamaño.

Lentes delgadas. Formación de imágenes y características.

En las lentes delgadas podemos construir las imágenes conociendo al menos las trayectorias de dos rayos. Hay tres rayos de fácil trayectoria:

  • Uno paralelo al eje que se refracta hacia el foco imagen.

  • Uno que pase por el centro de la lente y que no se refracta.

  • Uno que pase por el foco objeto y se refracte paralelo al eje.

En las lentes convergentes, si el objeto está a mayor distancia de la lente que el doble de la distancia del foco objeto a la lente, la imagen es invertida y menor que el objeto. Si está a una distancia menor que el doble de la distancia del foco objeto a la lente, la imagen es invertida y mayor que el objeto. Si el objeto está sobre el foco objeto, no se forma imagen.

La imagen es real cuando la distancia imagen es positiva, y es virtual cuando ésta es negativa.

(dibujos)

El ojo. Defectos geométricos de la visión; corrección.

A través de la córnea entra la luz al ojo, regulada por el iris en la pupila. El cristalino enfoca la luz en la retina, en la mancha amarilla. Los músculos ciliares acomodan el ojo para enfocar en la retina objetos más cercanos o más lejanos, oscilando nuestra visión entre el punto próximo y el punto remoto, siempre que el ojo no tenga defectos como:

  • Miopía. Los objetos lejanos son enfocados delante de la retina por una mayor curvatura de córnea a un ojo mayor. Se corrige con lentes divergentes.

  • Hipermetropía. Inversamente a la miopía, los objetos cercanos son enfocados detrás de la retina por la poca curvatura de la córnea o el poco volumen del ojo. Se corrige con lentes convergentes.

  • Presbicia. Con la edad, los músculos ciliares se debilitan y el punto próximo se aleja. Se corrige con lentes convergentes.

  • Astigmatismo. Se debe a la falta de esferidad de la córnea u otros órganos. Se corrige con lentes cilíndricas.

Algunos defectos se pueden también corregir mediante lentes de contacto, o modificar la córnea mediante operaciones quirúrgicas.

(dibujo)

Instrumentos ópticos (lupa, cámara fotográfica, proyector, anteojo, microscopio). NO

Las lentes también se usan para ver un objeto con mayor tamaño del real, Ml = s'/s.

Mayor será el aumento si se emplean dos o más lentes. Es el caso del microscopio, usado para aumentar objetos cercanos situados a distancia ligeramente mayor que la focal. El aumento es directamente proporcional a la distancia entre el foco imagen de la primera lente y el foco objeto de la segunda.

Controversia sobre la naturaleza de la luz: análisis de los modelos corpuscular y ondulatorio e influencia de los factores extra-científicos en su aceptación por la comunidad científica.

Modelo corpuscular; caracterización y evidencia experimental en apoyo de este modelo.

Esta teoría data de 1671 y es obra de Isaac Newton. Sostiene que la luz está formada por pequeñas partículas.

Explica la propagación rectilínea de la luz, las sombras, la propagación en el vacío y los fenómenos de reflexión y refracción. Producen la visión al chocar con la retina. Los colores se deben a la existencia de corpúsculos de diferentes masas. La reflexión es debida al choque de estas partículas sobre una superficie pulida, la velocidad no varía y el ángulo de incidencia es igual al reflejado. La reflexión es debida a la existencia de fuerzas entre los corpúsculos y la materia. Así, la velocidad debería ser mayor en el vidrio o en el agua que en el aire.

Modelo ondulatorio; caracterización y evidencia experimental en apoyo de este modelo.

Data de 1678 y es obra de Huygens. Sostiene que la luz se propaga por medio de pequeñas ondas longitudinales similares a las del sonido. Y, como toda onda necesita un medio de propagación, esta teoría supone la existencia de un medio ideal, el éter lumínico que ocupa todo.

Es compatible con la reflexión, la refracción y las interferencias luminosas. Pero en lo referente a la refracción, la velocidad debería ser mayor en el aire que en el vidrio o en el agua, al contrario que en la teoría corpuscular. Pero debido al mayor prestigio de Newton, la teoría ondulatoria fue olvidada hasta que Thomas Young, Fresnel y Foucault demuestran su validez. El primero estudia las interferencias, el segundo la difracción y el tercero demostró que la velocidad de la luz es menor en el agua que en el aire. La contradicción de la existencia de un utópico éter lumínico la superó Maxwell cuando demostró que la luz es una onda electromagnética que no necesita de ningún medio de propagación.

Teoría electromagnética de la luz.

Maxwell obtuvo una ecuación de onda para el campo eléctrico y otro para el magnético, ambos viajan a la misma velocidad, la de la luz, y se propagan en el vacío.

Las ondas electromagnéticas son un campo magnético y otro eléctrico que se propagan en la misma dirección en planos perpendiculares entre sí. Son ondas transversales.

La luz es una onda electromagnética, y la óptica estudia todo lo relacionado a ella.

(ecuaciones)

Ondas electromagnéticas. Espectro electromagnético. Dependencia de la velocidad de la luz con el medio.

Propagación de un campo electromagnético en el vacío. Experiencias de Hertz.

Las ondas electromagnéticas aparecen en consecuencia de la aceleración de una carga. Se propagan en el vacío, pero también sobre medio materiales, variando en esta caso su velocidad. A un campo eléctrico siempre acompaña uno magnético y viceversa.

Hertz, después de que Maxwell obtuviera las ecuaciones de onda de la luz, generó unas ondas electromagnéticas que más tarde serían las ondas de radio. Éstas serían de frecuencia mucho mayor a la de la luz. La experiencia se basó en crear una oscilación de cargas aceleradas, que provocarían el campo electromagnético, con la misma frecuencia con la que oscilan las cargas. Con estas ondas, Hertz verificó las teorías de Maxwell a comprobar que éstas eran análogas a las ondas de la luz.

Ondas electromagnéticas; propiedades.

Maxwell enunció cuatro leyes en relación a los campos eléctrico y magnético.

La primera ley de Maxwell sostiene que si en un campo eléctrico se considera una superficie geométrica cerrada, el flujo que la atraviesa es la carga total existente en su interior.

La segunda ley de Maxwell indica que si en un campo magnético consideramos una superficie geométrica cerrada el flujo que la atraviesa es cero, ya que el que entra es igual al que sale.

La tercera ley de Maxwell decreta que toda variación de flujo que atraviesa un circuito cerrado induce una corriente eléctrica inducida.

La cuarta ley de Maxwell manifiesta que los campos magnéticos son producidos por corrientes eléctricas.

Combinando todas ellas, obtuvo las ecuaciones de ondas para los campos magnético y eléctrico. Dedujo que ambas, combinadas en planos perpendiculares entre sí y propagándose a la velocidad de la luz, conforman las ondas electromagnéticas, que se propagan en el vacío.

(ecuaciones)

Velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas; dependencia con el medio. Índice de refracción.

Después de tantos intentos e hipótesis de Galileo, Roemer, Fizeau y Foucault; se determinó la velocidad de la luz en 3 . 108 m/s en el vacío. En el aire es prácticamente la misma y el agua bastante inferior. Se dejó así de pensar que la velocidad de la luz era infinita.

El índice de refracción de un medio material es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en él. n=c/v. Siempre es mayor que la unidad. Cuando la luz se propaga en el vacío su velocidad es constante, pero en un medio material depende de la longitud de onda, en este caso la frecuencia es constante.

Espectro electromagnético; rangos. Su incidencia en fenómenos cotidianos.

El espectro electromagnético es el conjunto de todas las radiaciones de distinta frecuencia en que puede descomponerse la radiación electromagnética. Todas tienen el mismo origen, solo se diferencian por la frecuencia y longitud de onda.

  • Ondas de radio (104 hz - 1010 hz). Se usan en radio difusión y telecomunicaciones.

  • Microondas (1010 hz - 1012 hz). Producidas por la vibración de moléculas, se usan en hornos y radares.

  • Radiación infrarroja. (3x1012 hz - 3x1014 hz). Producidas por vibraciones de átomos, se usan en industria y medicina.

  • Luz visible (4000  - 7500  ; 4x1014 hz - 7x1014 hz). Son las que nuestra retina percibe, los colores dependen de la longitud de onda.

Rojo 6200  - 7500 

Naranja 5900  - 6200 

Amarillo 5700  - 5900 

Verde 4900  - 5700 

Azul 4300  - 4900 

Violeta 4000  - 4300 

  • Radiación ultravioleta (7x1014 hz - 1017 hz). Producida por saltos electrónicos entre átomos, se emplean en medicina. El Sol los emite.

  • Rayos X (1017 hz - 1019 hz). Su longitud de onda es del tamaño de los átomos. Se usan en industria y medicina, pero su exposición excesiva puede ser nociva.

  • Rayos gamma. (+1019 hz). Su longitud de onda es del tamaño de los núcleos atómicos. Son producidas en las reacciones nucleares. Su gran poder de penetración les hacen ser muy peligrosos.