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LUMINOTÈCNIA IES La Marxadella 2013-2014
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Tema 1. FÍSICA DE LA LUZ
1.1 Naturaleza de la luz
1.2 El espectro electromagnético y el espectro visible
1.3 Propiedades de la luz
1.1 NATURALEZA DE LA LUZ
a) Introducción
La luz está constituida por
radiaciones electromagnéticas y, aunque
en realidad ocupa un intervalo muy
pequeño en el espectro electromagnético
conocido, este intervalo ha sido el más
estudiado a lo largo de los siglos por el
hecho de que el aparato detector forma
parte de la fisiología humana.
La naturaleza de la luz ha sido objeto desde siempre de la atención de filósofos y
científicos. Ya en la antigua Grecia se conocían y se manejaban fenómenos y
características de la luz como la reflexión, la refracción y el carácter rectilíneo de su
propagación.
Los griegos primero y los árabes después sostuvieron que la luz era una
emanación del ojo que se proyectaba sobre los objetos, reflejándose y produciéndose el
fenómeno conocido como visión.
El ojo sería, entonces, el emisor y, a su vez, el receptor de los rayos luminosos.
Partiendo de esta primera teoría sobre la naturaleza de la luz podemos apreciar el
desarrollo histórico y la evolución de las diversas teorías y modelos científicos a medida
que, por un lado, se consolida el concepto de ciencia y, por otra, se obtienen nuevos
datos experimentales que ponen a prueba las idees disponibles.
b) El modelo corpuscular de Newton
Isaac Newton (1642-1727) se interesó vivamente por los fenómenos asociados a
la luz y los colores. A mitad del siglo XVII, propuso una teoría o modelo a propósito de
lo que consideraba que era la luz; La teoría corpuscular o de la emisión, modelo que
tuvo una gran aceptación durante un largo periodo de tiempo.
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Newton afirmaba que el comportamiento de la luz en la reflexión y en la
refracción podía explicarse sencillamente suponiendo que aquella consistía en una
corriente de partículas que emergían, no del ojo, sino de la fuente luminosa y que se
dirigen al objeto a gran velocidad describiendo trayectorias rectilíneas.
De esta manera se pudo
explicar la reflexión luminosa
asimilándola a los fenómenos de
rebote que se producen cuando
partículas elásticas chocan contra
una pared rígida
De manera no tan evidente, Newton consiguió explicar también el fenómeno de la
refracción, afirmando que cerca de la superficie de separación de dos medios
transparentes distintos, los corpúsculos luminosos sufren unas fuerzas atractivas de
corto alcance que provoquen un cambio en la dirección de su propagación y su
velocidad.
Newton también va observar que cuando un haz de luz blanca incide sobre una
burbuja de jabón se forman regiones oscuras intercaladas con regiones iluminadas.
Lo mismo pasa si el haz incide sobre un vidrio esférico cuando se coloca sobre
otra placa plana de vidrio, dejando una estrecha separación entre ellos.
En ambos casos se forma un patrón de luz como el mostrado en la siguiente
imagen; los conocidos como Anillos de Newton.
Newton constató que las diversas anchuras de las regiones, tanto las iluminadas
como las oscuras estaban relacionadas con la curvatura del vidrio.
También pudo observar que cada color de luz obtenía una región iluminada de
anchura diferente.
Anillos de Newton
a) Disposición de la lente y el vidrio
b) Fotografía del resultado al aplicar una fuente luminosa sobre la lente.
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c) El modelo ondulatorio de Huygens
El físico neerlandés Christian Huygens (1629-1695) dedicó sus esfuerzos a
elaborar una teoría ondulatoria a propósito de la naturaleza de la luz, teoría que si en un
principio no fue aceptada por el prestigio de Newton, poco a poco acabaría
imponiéndose.
Huygens determinó que para que fuera posible la propagación de una energía en
forma de onda hacía faltas la existencia de un medio material que hiciera de soporte de
las mismas. Así, el aire era el soporte de las ondas sonoras, el agua el de las ondas
producidas en la superficie de un lago y el éter el de las ondas luminosas
Huygens suponía que todo objeto luminoso produce perturbaciones en el éter,
como un silbido las produce en el aire o una piedra cuando cae en el agua. Se producen
una serie de ondulaciones regulares que se propagan a través del medio en todas las
direcciones del espacio en forma de ondas esféricas.
Además, según Huygens, cuando un punto del medio se ve afectado por una onda
se convierte, al vibrar, en una nueva fuente emisora de ondas (Principio de Huygens).
Estas ideas básicas que definen su modelo ondulatorio para la luz le permitieron
explicar tanto la propagación rectilínea como los fenómenos de la reflexión y la
refracción, que eran comunes a los diferentes tipos de ondas conocidas entonces.
A pesar de la mayor sencillez de sus propuestas y el carácter menos artificioso de
sus suposiciones, el Modelo ondulatorio de Huygens fue mayoritariamente rechazado
por los científicos de su época.
Un siglo después, el físico inglés Thomas Young, utilizando como analogía las
ondas en la superficie del agua, descubrió el fenómeno de las interferencias luminosas.
Según este fenómeno, cuando dos ondas procedentes de una misma fuente se
superponen en una pantalla, aparecen sobre ella zonas de máxima luz y zonas de
oscuridad de manera alternada.
Experimento de Young
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El hecho de que, a diferentes
zonas, luz más luz pudiera dar
oscuridad, fue explicado por
Young en base a la Teoría
ondulatoria de Huygens.
Aunque las ideas de Young tampoco fueron aceptadas de inmediato, el soporte
matemático efectuado por Augustin Fresnel (1788-1827) catorce años después,
consiguió poner fuera de toda duda la validez de las ideas de Young sobre estos
fenómenos, ideas que se basaban en el modelo ondulatorio propuesto tiempo atrás por
Huygens.
d) La luz como onda electromagnética
El físico escocés James Clerk Maxwell desarrolló en 1865 la Teoría
electromagnética demostrando matemáticamente la existencia de campos
electromagnéticos que, a modo de ondas, podían propagarse tanto por el espacio vacío
como por el interior de algunas sustancias materiales.
Maxwell consiguió integrar los fenómenos ópticos, eléctricos y magnéticos en un
mismo marco teórico. Maxwell elaboró unas leyes sobre el comportamiento eléctrico y
magnético de la materia que pudo trasladar a una sencilla ecuación de ondas.
c = Velocidad de propagación de las ondas
γ, ε = son constantes que representan propiedades
eléctricas y magnéticas del medio por donde avanza la onda
electromagnética.
Cuando Maxwell sustituyó en esta expresión los valores de las constantes,
obtuvo que la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas era de 3·108m/s,
el mismo valor que se había medido para la luz en el aire.
Maxwell interpretó este resultado como una indicación clara de que la luz habría
de ser una onda electromagnética, constatando que la energía lumínica debería
comportarse de forma parecida a como lo hacían el resto de ondas electromagnéticas.
La onda electromagnética se caracteriza por poseer dos campos de propagación
(uno eléctrico y otro magnético) que se disponen perpendiculares entre sí.
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La comprobación experimental de las predicciones matemáticas de Maxwell
vinieran en 1888 de la mano del físico alemán Henrich Hertz, cuando consiguió situar
en el espacio campos electromagnéticos viajeros (antecesores inmediatos de las actuales
ondas de radio).
De esta manera se abrió la era de las telecomunicaciones mientras se revaloraba la
Teoría de Maxwell de los campos electromagnéticos.
La diferencia entre las ondas de radio y las luminosas tan sólo radicaba en su
longitud de onda, desplazándose ambas a la misma velocidad, eso es, a 300 000 km/s
→ 3·108m/s,
Posteriormente una gran variedad de ondas electromagnéticas de diferentes
longitudes de onda fueron descubiertas, producidas y manejadas.
e) Los fotones de Einstein
La Teoría electromagnética de Maxwell consiguió integrar las anteriores teorías
sobre la electricidad, el magnetismo y la óptica, e, inicialmente, parecía que podía
finalizar el debate histórico sobre la naturaleza de la luz.
Pero no tardó mucho tiempo en reabrirse el debate; curiosamente, en el curso del
experimento donde Hertz produjo y recibió por primera vez ondas electromagnéticas, se
observó un fenómeno, denominado efecto fotoeléctrico, que pudo explicar tiempo
después Albert Einstein, científico que volvería a plantear un Modelo corpuscular de la
luz.
El efecto fotoeléctrico
consiste en que algunos metales
como el cesio, emiten electrones
cuando son iluminados por un haz
de luz.
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Otro científico, Max Planck, cuando estudiaba los fenómenos de emisión y
absorción de radiación electromagnética por parte de la materia, forzado por los
resultados de los experimentos, admitió que los intercambios de energía que se
producen entre materia y radiación no se llevaban a término de forma continua, sino
discreta, es decir, como a saltos o paquetes de energía, lo que Planck denominó
cuantos de energía.
El efecto fotoeléctrico es uno entre otros de los fenómenos sobre procesos de
interacción entre la luz y la materia que no tienen explicación si se aplica a la luz un
modelo ondulatorio
En 1905 Einstein dio un paso más y planteó que los cuantos de energía no se
deben considerar solamente cuando un cuerpo absorbe o emite radiación
electromagnética, sino que constituyen la propia radiación.
Estas nuevas ideas supusieron la reformulación de un Modelo corpuscular.
Según el Modelo corpuscular de Einstein la luz estaría formada por una
sucesión de cuantos elementales de energía que, a modo de paquetes de energía,
chocarían contra la superficie del metal, arrancando de sus átomos los electrones más
externos.
Estos nuevos corpúsculos energéticos recibieron el nombre de fotones (fotos en
griego significa luz).
f) La dualidad Onda-Corpúsculo
La interpretación efectuada por Einstein del efecto fotoeléctrico fue indiscutible,
pero también lo parecía la Teoría de Maxwell de las ondas electromagnéticas.
Las dos han sido el producto final de la evolución de dos modelos científicos para
explicar el comportamiento de la luz en un intento de ajustarlos con más fidelidad a los
resultados de los experimentos. Las dos explican la realidad aunque parecen entre ellas
incompatibles.
Ante esta dualidad existía una conciencia clara de que las dos teorías se habían de
mantener; el Modelo ondulatorio de Maxwell interpretaba satisfactoriamente una gran
cantidad de fenómenos del comportamiento luminoso (reflexión, refracción,
descomposición en colores, difracción, interferencias, polarización, ...) y el Modelo
corpuscular d Einstein-Planck resultaba necesario para interpretar un número
creciente de nuevos descubrimientos como el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton, la
radiación del cuerpo negro, la fotografía, ...
En 1928 el físico francés Louis-Victor de Broglie , en su tesis doctoral La
Theorie des Quanta (1928) sugirió que, así como la luz parecía tener una doble
naturaleza por el hecho de cómo se comporta a veces como onda y a veces como
corpúsculo, podría suceder lo mismo con las partículas en movimiento de cualquier
materia.
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La incipiente física cuántica generalizó poco después esta hipótesis (Heisenberg,
Schröndinger y otros) para considerar que toda entidad física individual (las partículas
y también los fotones) presentan una naturaleza dual, lo que significa que su
comportamiento global presenta dos aspectos complementarios: ondulatorio y
corpuscular.
Dependiendo de las condiciones experimentales, predomina uno de estos dos
aspectos sobre el otro.
El concepto de dualidad onda-partícula es una ley general de la mecánica
cuántica que se aplica sin excepción a todas las entidades, incluso, a los fotones.
Para la física actual, los fotones son las entidades individuales (de masa nula) que
componen la luz. Se pone en evidencia su naturaleza corpuscular, por ejemplo, cuando
colisiona un fotón con otro fotón. En cambio, un haz luminoso (un haz de fotones)
manifiesta un comportamiento ondulatorio (onda electromagnética) cuando, por
ejemplo, se difracta, se polariza o produce interferencias luminosas.
En consecuencia, el estado actual del debate se puede expresar diciendo que para
la física moderna la luz presenta naturaleza dual, corpuscular y ondulatoria.
1.2 EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Y EL ESPECTRO
VISIBLE
a) Introducción al espectro electromagnético
La radiación electromagnética consiste en una oscilación de un campo eléctrico y
un campo magnético asociado perpendiculares entre si.
Como todas las ondas, se componen de crestas y valles (convencionalmente las
crestas hacia arriba y los valles hacia abajo).
La distancia entre dos crestas o valles, es un ciclo completo de movimiento
ondulatorio, se denomina longitud de onda (λ). La longitud de onda de las ondas que
forman el espectro visible se suelen medir en nanómetros (nm.) o en Armstrong (Å).
m10 A 1
m10 nm 1
10-o
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La frecuencia (f) de la onda electromagnética está determinada por las veces que
un ciclo se repite por unidad de tiempo; segundos (s), al Sistema Internacional de
medidas (SI) y se mide en ciclos por segundo o Hercios (Hz).
La amplitud (A) de la onda electromagnética (la intensidad energética) está
definida por la distancia que separa el pico de la cresta o el fondo del valle de la línea de
base.
Por último, el período (T) sería el tiempo que tarda la propagación de la onda
electromagnética en cubrir un ciclo.
Si las ondas electromagnéticas se organizan en un diagrama continuo de acuerdo a
sus longitudes de onda obtenemos el denominado espectro electromagnético (EM)
donde las ondas más largas (λ desde metros a kilómetros) se encuentran a un extremo
del espectro (ondas de Radio) mientras que las más cortas (λ de una billonésima de
metros) se encuentran al otro extremo (rayos Gamma).
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Todas estas energías son vibraciones de ondas electromagnéticas que se propagan
a elevadas velocidades (300.000 km/s en el vacío), cada una de ellas con una longitud
de onda y frecuencia características donde siempre se cumple el axioma v = f · λ.
Los diferentes tipos de radiación EM se corresponden con diferentes tipos de
energía por fotón; los rayos Gamma y los fotones de rayos X presentan la mayor
cantidad de energía, mientras que los fotones de las ondas de Radio presentan la menor
cantidad de energía electromagnética. Los fotones de la luz ultravioleta, infrarroja y
visible presentan una energía de valores medios.
mayor frecuencia = mayor energía = energía más nociva
Los fotones son portadores de todas las formas de radiación electromagnética y
viajan a la denominada velocidad de la luz: c = 299 792 458 km/s ≈ 3·108m/s.
Se considera que los fotones no
tienen ninguna masa ni carga eléctrica.
A causa de su naturaleza dual
como partículas y ondas a la vez, los
fotones suelen ser representados como
líneas onduladas.
b) Espectro visible
Se denomina espectro visible a la región del espectro electromagnético que el ojo
humano es capaz de percibir.
A la radiación electromagnética comprendida dentro de este rango de longitudes
de onda se la conoce como luz visible o simplemente luz.
Gracias a la sensación de color, el ojo
llega a distinguir las diferentes partes del
espectro visible
Aunque el espectro de la luz “blanca”
que recibimos del sol es continuo, y por esta
razón no hay vacíos ni intersecciones claras
entre lo que entendemos por colores, podemos
utilizar los rangos de la siguiente tabla como
una aproximación bastante fiable.
Las ondas más cortas vibran a mayores frecuencias, y presentan energías más
elevadas (son potencialmente más peligrosas). La luz roja tiene una frecuencia
aproximada de 430 terahercios (THz), mientras que la frecuencia de la luz azul es de,
aproximadamente, 750 THz. Los fotones rojos tienen aproximadamente 1.8 eV
(electronvoltios) de energía, mientras que cada fotón azul transmite aproximadamente
3.1 eV.
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c) Rayos Gamma
Los rayos gamma (γ) son un tipo de radiación electromagnética originada
intranuclearmente en elementos radioactivos. Se encuentran en el extremo más elevado
del campo electromagnético
Es un tipo de radiación muy penetrante producida también en fenómenos
astrofísicos de gran violencia.
Los rayos Gamma tienen longitudes de onda de, aproximadamente, 100
picómetros (100 pm) o menores, y energías por fotón de, al menos, 10 keV.
Estos tipos de ondas electromagnéticas oscilan en una frecuencia de 3 exahercios
(EHz) o mayor → 1 eHz = 1018
Hz
d) Rayos X
Los rayos X son radiaciones electromagnéticas invisibles, capaces de atravesar
cuerpos opacos y de impresionar películas y sensores fotográficos.
Al contrario de los rayos Gamma, los rayos X surgen de fenómenos
extranucleares, a nivel de la órbita electrónica, fundamentalmente producidos por
desaceleración de electrones.
Como todas las ondas electromagnéticas de mayor frecuencia que los rayos
visibles violetas, los rayos X son nocivos por su capacidad de penetración y su alta
energía fotoeléctrica que los lleva a interactuar con la materia provocando la ionización
de los átomos, es decir, origina partículas con carga (iones). Por eso se habla de
radiaciones ionizantes.
No existe una marcada diferencia entre la energía más elevada de los rayos X y la
energía más baja de los rayos Gamma. De hecho, se habla de unos o de otros según el
origen de la radiación. Mientras que los rayos gamma se producen a causa de
transiciones nucleares, los rayos X son el resultado de la aceleración de electrones.
Los fotones con energías aproximadas entre 10 keV y unos cuantos cientos de
keV, pueden ser tanto rayos X duros como rayos Gamma (hablaremos de unos o de
otros según cómo se hayan originado).
Los rayos X que llegan a la Tierra desde el espacio son absorbidos por nuestra
atmosfera antes de que puedan llegar a la superficie.
Los rayos X se suelen dividir en rayos X duros y rayos X blandos.
La baja energía de los rayos X blandos presentan una longitud de onda más larga,
mientras que los rayos X duros de elevada energía tienen una longitud de onda más
corta. La división entre los dos tipos de rayos X se considera en una longitud de onda
aproximada de 100 pm, o un nivel de energía aproximado de 10 keV por fotón.
Desde hace mucho tiempo los rayos X son utilizados para poder "ver" a través de
la piel y del tejido muscular, con la finalidad de realizar imágenes de rayos X con
propósitos médicos.
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Una radiografía, consiste en la obtención de una imagen de una zona anatómica y
de los órganos internos de la misma, que es sometida a una mínima cantidad de rayos X,
que son impresionados en una placa fotográfica una vez sobrepasada la zona.
Cada tipo de tejido del organismo deja pasar cantidades distintas de esta
radiación, por eso la placa es más intensamente impresionada (o menos), según el tejido
que atraviesa, permitiéndonos obtener una imagen de los órganos (corazón, pulmones,
riñones, tubo digestivo, etc.) y tejidos (huesos, quistes, masas irregulares de tejido,…)
e) Luz ultravioleta
La luz ultravioleta (UV) presenta una longitud de onda más corta que la de la luz
visible.
El color violeta tiene longitudes de onda más cortas que otros colores de luz, y la
luz ultravioleta aún presenta longitudes de onda más cortas, de forma que es una especie
de luz que va "más allá del violeta".
Se denomina radiación ultravioleta o radiación UV a la radiación
electromagnética con longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre los 10 y
los 380 nm. y oscila entre valores de 800 y 30 000 THz.
Esta radiación va contenida en la luz solar pero se filtra en gran cantidad en la
atmosfera gracias a la capa de ozono (O³)
Según su longitud de onda, se distinguen varios subtipos de rayos ultravioletas,
siendo los rayos UVA (de mayor longitud de onda) los menos nocivos para la salud.
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La luz ultravioleta presenta diversas aplicaciones.
• Como forma de esterilización (pueden eliminar toda clase de bacterias y virus
sin dejar residuos, a diferencia de los productos químicos); rayos UV-C germicidas.
• En lámparas de luz negra (rayos UV-A)
• Como trampas de insectos
Acción destructora de los rayos UV-C sobre los tejidos y su cadena de ADN
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La atmosfera terrestre nos filtra la mayoría de los rayos UV provenientes del
espacio. La radiación UV-C es completamente bloqueada a unos 35 Km. de altitud por
el ozono estratosférico.
La mayoría de los rayos UV-A llegan a la superficie terrestre, pero éstos son poco
perjudiciales, excepto en exposiciones muy largas. Son los rayos UV-B los responsables
de las quemaduras de Sol y del cáncer de piel, aunque una buena parte también son
filtrados por la capa de ozono.
f) Luz infrarroja
Los rayos infrarrojos fueron descubiertos alrededor de 1800 por William
Herschel mientras trabajaba con filtros en un telescopio para observar el Sol.
Herschel detectó que notaba calor incluso cuando los filtros bloqueaban la
entrada de la luz. Entonces colocó un termómetro en las zonas iluminadas por cada uno
de los filtros, y observó que la temperatura aumentaba cuando el color se desplazaba
hacia el rojo, y seguía aumentando si lo ultrapasaba (donde ja no había luz)
De esta forma demostró que existía un tipo de luz que no podían captar nuestros
ojos.
La fuente primaria de irradiación infrarroja es el calor o irradiación térmica.
Cualquier objeto que supere el 0 absoluto (0 K o -273,15ºC) irradia ondas
electromagnéticas comprendidas en la banda infrarroja. Cuanto más caliente se
encuentre un objeto más radiación infrarroja emitirá.
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A la temperatura normal del
cuerpo la mayoría de las personas
irradian intensamente en la banda
infrarroja con una longitud de onda
aproximada de 10 μ.
La luz roja tiene una longitud de onda más larga que la de los otros “colores”. La
“luz” infrarroja presenta una longitud de onda aún mayor que la roja, se trata de una
especie de luz "más allá del color rojo". La radiación infrarroja no se puede ver pero se
puede sentir en forma de calor.
La radiación infrarroja (infrared en inglés) presenta longitudes de onda entre 1
mm. y 750 nm. y oscila con frecuencias entre 300 GHz y 400 THz.
El espectro infrarrojo se puede subdividir en:
- infrarrojo lejano (λ entre 1 mm. i 10 µm.)
- infrarrojo medio (λ entre 10 y 2.5 µm.),
- infrarrojo próximo (λ entre 2 500 y 750 nm.).
La porción del IR lejano que incluye las λ 100 y 1 000 µm., es también conocida
en algunos ámbitos como infrarrojo extremo.
Los rayos infrarrojos presentan muchas utilidades:
- Las lentes de visión nocturna
- Controles remotos de TV y de otros aparatos electrónicos
- Células de simpatía de flashes
- Autofocos de cámaras fotográficas y videográficos
La fotografía infrarroja ha sido importante para usos militares y científicos, pero
también artísticos.
Fotografía IR de Cristhian Gufler
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g) Microondas
Se denominan microondas a las ondas electromagnéticas definidas en un rango
de frecuencias determinado; generalmente entre 300 MHz y 300 GHz, que suponen una
λ entre 1 m. y 1 mm.
El rango de las microondas incluye algunas bandas de radiofrecuencia,
concretamente las:
- UHF (ultra-high frequency) con frecuencias comprendidas entre 0.3 y 3 GHz
- SHF (super-high frequency) entre 3 y 30 GHz
- EHF (extremely high frequency) entre 30 y 300 GHz.
Las microondas pueden ser generadas de diversas formas, generalmente divididas
en dos categorías: dispositivos de estado sólido y dispositivos basados en tubos de
vacío.
Los dispositivos de estado sólido para la producción de microondas utilizan
semiconductores de silicio o arseniuro de galio, e incluyen los transistores de efecto de
campo (FET), los transistores de unió bipolar (BJT), los diodos Gunn, los diodos
IMPATT, etc.
Son muchas las aplicaciones de las microondas.
- Hornos microondas (tienen la capacidad de excitar la molécula de agua
utilizándose para calentar alimentos)
- Telecomunicaciones
- Radares
- Protocolos inalámbricos (Bluetooth)
- El cable coaxial para TV o Internet utiliza microondas de baja frecuencia
- Redes de telefonía móvil
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h) Ondas de radiofrecuencia
Como hemos estudiado, las bases teóricas de la propagación de ondas
electromagnéticas fueron descritas por primera vez por J C Maxwell, y fue H R Hertz
el primero en validarlas experimentalmente entre 1986 y 1988.
El uso de esta tecnología por primera vez ha sido atribuido a diferentes personas:
Alexandre Stepanovich Popov realizó demostraciones en San Petersburg; Nikola
Tesla en Sant Louis (Missouri) y Guillermo Marconi en el Reino Unido.
El primer sistema práctico de comunicación mediante ondas de radio fue el
diseñado por Marconi, que en 1901 realizó la primera emisión transatlántica
radioeléctrica.
El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia o
RF, se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético situada,
aproximadamente, entre los 3 Hz y los 300 GHz.
En las transmisiones inalámbricas, el proceso de inyectar o añadir señales de baja
frecuencia o audiofrecuencia (como las del sonido) a una onda electromagnética
portadora de alta frecuencia, es conocida como "modulación de la señal de audio".
Gracias a este procedimiento, una onda de radiofrecuencia que contenga señales
de audio se puede modular en amplitud (Amplitud Modulada – AM) o en frecuencia
(Frecuencia Modulada – FM).
Supongamos que se hacen interferir dos ondas, una de baja frecuencia y otra de
alta frecuencia. Si la diferencia de frecuencias es muy grande, la onda resultante de la
suma de las dos presenta la misma frecuencia que la onda de alta frecuencia, pero su
amplitud va cambiando de la misma forma que presentaba la onda de baja frecuencia.
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Se dice que la onda resultante está modulada en amplitud. Por lo tanto, si la señal
a transmitir es una onda de baja frecuencia, es posible incorporarla en una onda de alta
frecuencia conservando sus características.
A. Onda de radiofrecuencia.
B. Onda de audiofrecuencia.
C. Onda de audiofrecuencia (B),
inyectada modulando la amplitud. Esta
señal permite transportar sonidos a
largas distancias.
D. Onda de audiofrecuencia (B)
modulada en frecuencia, empleada por
las estaciones de radiodifusión para
transportar sonido de alta fidelidad a
distancias menos largas (también se
emplea para transportar la señal de
audio que acompaña a las de vídeo en la
transmisión de TV).
En 1933 Edwin Howard Armstrong inventó otro tipo de posibilidad para emitir
señales de radio: el de frecuencia modulada (FM).
En este sistema, la frecuencia emitida por el oscilador se cambia de acuerdo con el
valor de la amplitud de la onda sonora que se desea transmitir. Cuanto más intensa sea
la onda acústica, mayor será el valor de la frecuencia de la onda emitida.
1.3 PROPIEDADES DE LA LUZ
a) Propagación rectilínea
Si la luz solar penetra en un lugar oscuro a través de un orificio pequeño, las
partículas de polvo iluminadas al paso de la luz ponen claramente de manifiesto que ésta
se propaga en línea recta.
Por esta razón, aun
comprendiendo la naturaleza
ondulatoria de la luz, admitiremos
que ésta se propaga a través de
rayos. Un rayo luminoso es una
línea perpendicular a la superficie
de la onda y que determina la
dirección de propagación de ésta.
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El postulado general de la óptica geométrica es la propagación rectilínea de la
luz, es decir, se dedica al estudio de la luz como si ésta se propagara mediante rayos
rectilíneos sin tener en cuenta su naturaleza ondulatoria.
Podríamos definir el rayo luminoso como una línea perpendicular a la superficie
de la onda que determina la dirección en que ésta se propaga. Según esto, el rayo
luminoso es perpendicular a los vectores que definen los campos eléctrico y magnético.
En un medio homogéneo, las ondas, procedentes de una fuente de dimensiones
muy pequeñas, se propagan constituyendo superficies de ondas esféricas donde los
rayos luminosos están definidos por líneas rectas a partir de la fuente.
La consecuencia directa de considerar a la luz un haz de rayos luminosos es la
formación de zonas iluminadas junto a sombras y penumbras, la formación de las cuales
depende del tipo de fuente luminosa. De esta forma distinguiremos:
• Fuente luminosa puntual
• Fuente luminosa no puntual extensa
• Fuente luminosa puntual: Es aquella que se supone ínfimamente pequeña, por
eso cualquier cuerpo opaco colocado entre ella y una pantalla, formará sobre ésta una
sombra de igual forma al cuerpo, con un tamaño proporcional a las distancias existentes
entre fuente, cuerpo y pantalla.
Los rayos tangentes a la esfera determinan sobre la pantalla una zona de sombras explicada
gracias a considerar a la propagación de la luz como rectilínea.
• Fuente luminosa no puntual extensa: Es aquella que presenta unas
dimensiones geométricas considerables. Como la fuente luminosa no es puntual, cuando
colocamos un cuerpo entre la pantalla y la fuente se nos formaran tres zonas:
- La sombra propiamente dicha,
- la zona totalmente iluminada que recibe todos los rayos de luz
- la penumbra o faja angular comprendida entre las dos zonas anteriores.
La fuente luminosa no puntual origina zonas de sombra y de penumbra
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• Cámara oscura: Este es el fundamento de la cámara fotográfica. Si en una caja
cerrada hacemos un orificio pequeño (estenopo) y colocamos un cuerpo luminoso por
delante, se observará una imagen invertida del mismo dentro de la caja.
Teniendo en consideración la propagación rectilínea de la luz, y siendo el orificio
más pequeño que el haz de rayos que le llegan, la luz, al seguir su recorrido rectilíneo,
forma una imagen invertida (horizontal y verticalmente) tal como se ve en la siguiente
imagen.
En la imagen podemos observar la formación invertida de la imagen en la pared interna de la
caja oscura, como consecuencia de la propagación rectilínea de la luz
Las ondas electromagnéticas siguen una trayectoria rectilínea y su velocidad es
constante en cada medio específico.
Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la
frecuencia. La velocidad varía para cada longitud de onda. La frecuencia y la longitud
de onda se relacionan según la siguiente expresión matemática:
λ = c · T = c/f (donde T es el período)
b) Transmisión
Cuando un haz de luz llega a una superficie, se dan tres efectos sobre el flujo de la
energía electromagnética. Esta energía se disgrega en tres componentes:
1. Transmisión: Parte de esta energía atraviesa el material y se transmite a
la otra cara de la superficie. Esta parte suele indicarse en porcentaje (%T).
2. Reflexión: Parte de la energía es reflejada al anterior medio. (%R).
3. Absorción: El resto de la luz/energía incidente se absorbe en el tejido de
la superficie (%A), siendo irradiada a posteriori en forma de calor.
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El porcentaje de transmisión lumínica depende, entre otros, de los siguientes
factores:
- Densidad del tejido o material de la superficie.
- Espesor del tejido/material y grado de translucidez del mismo.
- Color del tejido/material.
Por otra parte, según las características de transmisión, los cuerpos pueden ser
considerados:
- Transparentes:
- Translúcidos
- Opacos
- Cuerpos Transparentes: Son aquellos que transmiten los rayos incidentes
según una estructura regular (no desvían su trayectoria).
Estos cuerpos transparentes pueden ser cromáticos si transmiten algunas
longitudes de onda y absorben total o parcialmente otros. Los filtros son ejemplos de
cuerpos transparentes cromáticos que transmiten longitudes de onda de su propio color
y absorben las de los colores complementarios.
Si los cuerpos transparentes transmiten todas las longitudes de onda por igual,
además, son considerados cuerpos incoloros.
- Cuerpos translúcidos: Transmiten la luz incidente desordenando los rayos y
dirigiéndolos en todas direcciones. Según su selección a las longitudes de onda también
pueden ser cromáticos o incoloros.
- Cuerpos opacos: Son los que no transmiten ninguna cantidad de la luz que les
llega, siendo únicamente reflejada y/o absorbida.
Según su selectividad a la absorción o reflexión de la luz incidente, los objetos
opacos pueden ser considerados como: blancos, negros, grises o coloreados.
· Cuerpos blancos: Cuando reflejan, con absorción nula, todas las radiaciones del
espectro visible recibidas.
· Cuerpos negros: Absorben todas las radiaciones de luz visible recibidas, sin
transmitir ni reflejar ninguna.
· Cuerpos grises: Reflejan/absorben parcialmente, pero por igual, todas las
radiaciones de luz visible incidentes.
· Cuerpos coloreados: Reflejan de forma diferente las radiaciones de luz visible
en función su longitud de onda. Son reflejadas las longitudes de onda del color
que apreciamos y absorbidas todas las restantes.
c) Absorción
La luz que incide sobre una determinada superficie y que no es ni transmitida ni
reflejada, resulta absorbida y transformada en calor en el interior del objeto.
Cuando la luz del sol (luz blanca) choca con un cuerpo, una parte de las
longitudes de onda que la componen son absorbidas y el resto son reflejadas. Los
componentes reflejados son los que determinan la sensación de color que percibimos.
Por eso, esta sensación de color depende directamente del tipo de absorción
efectuada por la superficie del cuerpo (Absorción selectiva)
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La materia es capaz de absorber la luz gracias a una serie de fenómenos que
incluyen vibraciones y rotaciones atómicas, efectos de campo ligados (ligand-fields),
orbitaciones moleculares y transferencia de cargas.
Es normal que una sustancia concreta pueda absorber ciertas cantidades de energía
luminosa. En este sentido, las propiedades de absorción luminosa de los distintos
materiales dependerán, por un lado, de las cualidades inherentes de esos materiales y,
por otro, de las longitudes de onda que componen la luz incidente.
Un objeto nos parece rojo
porque refleja la luz roja y absorbe el
resto de componentes espectrales de
la luz blanca.
d) Reflexión
Como ya hemos visto anteriormente, la luz se propaga con trayectoria rectilínea y
velocidad constante en cada medio. Cuando incide sobre un cuerpo, se comporta de
muchas diversas formas, pudiendo encontrarnos con casos de reflexión, refracción,
absorción, transmisión, interferencia, difracción y polarización.
Respecto a la Reflexión podemos hablar de diversos tipos:
- Reflexión especular
- Reflexión difusa
- Reflexión semiespecular o mixta
- Reflexión acromática y Reflexión cromática
- Reflexión Especular Este tipo de reflexión ocurre cuando los rayos de luz inciden sobre una superficie
perfectamente pulida. En este caso el haz de luz cambia de dirección siguiendo un
camino que viene determinado por las Leyes de Snell para la reflexión:
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1ª Ley. El rayo Incidente, la
Normal y el rayo Reflejado se
encuentran en el mismo plano.
2ª Ley.- El ángulo de
Incidencia (ángulo formado por el
rayo Incidente y la Normal) y el
ángulo de Reflexión, son iguales.
- Reflexión Semiespecular o mixta.
Ocurre cuando el haz de luz incide sobre una superficie lisa mate. La luz es
reflejada en ángulos ligeramente diferentes pero en la misma dirección general, dando
lugar a una reflexión intermedia que comprende un porcentaje de reflexión especular y
otro de reflexión difusa.
- Reflexión Difusa.
Cualquier superficie puede ser considerada como formada por infinidad de
microsuperficies pulidas con diferente inclinación. La luz que llega a cada una de estas
superficies será reflejada siguiendo las Leyes de Snell.
- Reflexión Acromática/Cromática Según las cualidades de las superficies podemos considerar dos tipos:
Acromáticas: se reflejan por igual todas las longitudes de onda, siendo:
· negras. Cuando el porcentaje de reflexión es 0 %.
· grises. Cuando el porcentaje de reflexión se encuentra en un nivel intermedio
(18 % para el gris medio).
· blancas. Cuando el porcentaje de reflexión es 100 %.
Cromáticas: no se reflejan por igual todas las longitudes de onda, por eso hay un
predominio de determinadas λ que dan como resultado una radiación cromática (con
estímulo de color).
d) Refracción
Cuando un haz de luz pasa de un medio de propagación a otro, experimenta un
cambio de velocidad al que acompaña, si no entra perpendicularmente, un cambio de
dirección en su trayectoria que se denomina Refracción.
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Esquema de reflexión especular y transmisión con refracción al pasar la luz de un medio con
un índice de refracción n1 a otro medio con un índice de refracción diferente n2
Estos cambios de trayectoria se rigen, como pasaba con la reflexión por unas leyes
determinadas; las Leyes de Snell para la refracción.
1ª Ley de la refracción: El rayo Incidente, la Normal y el rayo Refractado se
encuentran en el mismo plano.
2ª Ley de la refracción: Los senos de los ángulos de incidencia y de refracción
son proporcionales a las velocidades de propagación de la luz en los respectivos medios
según la siguiente expresión:
donde: Θi = ángulo incidente
Θr = ángulo refractado
V1 = Velocidad de propagación en el primer medio
V2 = Velocidad de propagación en el segundo medio
n1 = Índice de refracción del primer medio
n2 = Índice de refracción del segundo medio
Otras formas de expresar la
2ª Ley de la Refracción de Snell
Se denomina Índice de refracción de un medio a la relación entre la velocidad de
propagación de la luz en el vacío y la velocidad de propagación que presenta en un
medio concreto. Se expresa de la siguiente forma: n = c/v donde n es el índice de refracción de un medio específico, c es la velocidad de la
luz en el vacío y v es la velocidad de la luz en el medio concreto.
1
2
2
1
n
n
v
v
sin
sin
r
i
221i
21
i
n · sin n · sin
v
sin
v
sin
r
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La mayor o menor desviación, con respecto a la normal, que sufre el rayo
incidente cuando se transmite de un medio a otro diferente depende de:
- La densidad relativa de los dos medios. A mayor diferencia de densidad, mayor
grado de desviación.
- Del ángulo de incidencia. El ángulo de refracción será mayor cuanto mayor sea
el ángulo de incidencia (siempre que no se supere el ángulo límite).
- De la longitud de onda del rayo incidente. A menor λ del rayo incidente mayor
grado de desviación.
Ángulo límite: Cuando la velocidad del primer medio es menor que la del
segundo v1 < v2, existe un ángulo de incidencia en el que el rayo refractado emerge
tangente a la superficie de separación entre los dos medios (lo que se conoce como
emergencia de fregamiento. Este ángulo incidente recibe el nombre de ángulo límite o
ángulo crítico.
Para el ángulo límite, la onda refractada forma 90º con la normal. Las ondas que
inciden con un ángulo mayor que el ángulo límite no pasan al segundo medio, sino que
son reflejadas totalmente por la superficie de separación que actúa como un espejo
(fenómeno que se conoce como Reflexión total).
e) Dispersión
Como hemos ya estudiado, la velocidad de propagación de la luz en un medio
también está en función de su longitud de onda.
Cuando la luz blanca pasa de un medio a otro experimenta distintas desviaciones
para cada longitud de onda. Este fenómeno se conoce con el nombre de Dispersión de
la luz.
La dispersión de la luz es también la causa que provoca en las lentes el defecto
conocido como aberración cromática.
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La aberración cromática aparece por el diferente poder de desviación de la lente (diferente
refracción) para cada longitud de onda (color)
En 1666, Newton observó que cuando se hacía pasar un rayo de luz solar a través
de un prisma triangular de vidrio, la luz se descomponía en un conjunto de valores a los
que denominó espectro de la luz blanca.
f) Interferencias luminosas
Con el término general de
Interferencias luminosas se designan
las variaciones de amplitud y, por lo
tanto, de intensidad luminosa,
producidas cuando dos trenes de ondas
se superponen en diversos puntos del
espacio.
Después de la interferencia cada
tren de ondas continúa su marcha, sin
haber sufrido ninguna modificación.
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Para que los fenómenos de interferencias luminosas puedan ser observados, los
trenes de ondas tienen que cumplir ciertas condiciones:
a) La coherencia espacial. Al ser emitidas por sus respectivos focos
luminosos, las ondas deben conservar una diferencia de fases constante.
b) La coherencia temporal. Que está asegurada si se emiten luces
monocromáticas, es decir, de la misma longitud de onda.
g) Difracción
Un jesuita italiano, Francesco Grimaldi, físico y astrónomo, descubrió en 1651
un importante fenómeno óptico al que denominó difracción de la luz. De hecho
Newton y Huygens ya conocían el fenómeno pero no supieron darle una correcta
interpretación. Según Grimaldi, la difracción se presenta siempre que la luz emitida por
una fuente luminosa se fracciona cuando se le interpone un cuerpo opaco. (difracción =
división en fracciones).
La difracción es el fenómeno que se produce cuando las ondas (electromagnéticas
o mecánicas) llegan a un obstáculo u apertura de dimensiones considerables a su propia
longitud de onda, y que se manifiesta en forma de perturbaciones en la propagación de
la onda, bien sea rodeando el obstáculo o produciendo una divergencia a partir de la
apertura.
En un sentido amplio podríamos decir que la difracción se define como toda
desviación de los rayos luminosos que no contemplan la reflexión o la refracción.
Diferentes difracciones de una misma apertura respecto a diferentes longitudes de onda
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La difracción consiste, esencialmente, en desviaciones muy pequeñas de la
propagación rectilínea de la luz cuando ésta incide con obstáculos u orificios, hecho que
produce alternativamente una serie de sombras y de zonas de luz, las cuales dependen
de las características geométricas del orificio o del obstáculo y de la longitud de onda de
la luz.
El experimento de
Young nos demuestra la
existencia, al mismo tiempo,
de la difracción y de las
interferencias luminosas.
h) Polarización
La polarización es una propiedad de las ondas transversales, por eso, de cualquier
onda electromagnética. Aunque presentan una única dirección de propagación
(propagación rectilínea) cada onda electromagnética se va moviendo durante su
propagación (va vibrando en todas las direcciones), es lo que se denomina luz
polarizada al azar o luz no polarizada
Una lámina de polarización está formada por largas cadenas de moléculas que
contienen átomos de Yodo que permiten la circulación de los electrones a su través. Si
interponemos una lámina de polarización en el camino de la luz, el campo eléctrico Ē
que llega vibrando en cualquier dirección, se descompone en dos componentes, uno que
vibra “verticalmente” siguiendo la dirección de las cadenas moleculares de la lámina y
otro que vibra transversalmente.
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Los componentes que siguen las cadenas moleculares de la lámina de
polarización, ponen en movimiento los electrones de sus moléculas quedando absorbida
su energía, mientras que el componente transversal no es absorbido, prosiguiendo su
camino vibrando en un único plano horizontal, obtenemos así una luz polarizada
linealmente o, simplemente, luz polarizada.
Este método de polarización es conocido como Polarización por absorción
selectiva
Cuando la luz natural incide sobre una superficie que separa dos medios isótropos
(respecto a la óptica, transparentes), una parte de la luz incidente se refleja y otra parte
se refracta, transmitiéndose al otro medio.
Para un ángulo de incidencia θp, que es denominado ángulo de polarización o
ángulo de Brewster, sólo se refleja aquella luz que posee un vector eléctrico
perpendicular al plano de incidencia, quedando la luz reflejada totalmente polarizada.
Este método de polarización es el denominado Polarización por reflexión.
David Brewster, físico escoces
dictaminó la Ley que lleva su nombre (Ley
de Brewster) para calcular fácilmente el
ángulo de polarización entre dos medios
transparentes:
1
2p
n
n tg