MORELIA, MICHOACÁN 01 de Junio
de 2015
Contenido
Teorías de la naturaleza de la luz 1
¿Qué es la luz? 1
¿Qué es óptica? 2
Teoría corpuscular 2
Teoría ondulatoria 3
Características o hipótesis obtenidas: 3
Teoría Cuántica 4
Reflexión y refracción de la luz 5
Reflexión 5
Leyes de reflexión: 5
Reflexión especular 6
Reflexión difusa 6
Refracción 6
¿Qué es la refracción? 6
¿Por qué ocurre la refracción? 7
Leyes de la refracción 7
Índice de refracción 8
Dispersión y polarización de la luz 9
¿Qué es la dispersión? 9
Polarización de la luz 10
Polarización de ondas planas 10
Luz polarizada 10
Polarización por absorción selectiva 11
Polarización por reflexión 11
Lentes cóncavos y convexos 12
¿Qué es un lente convexo? 12
¿Qué es un lente cóncavo? 13
Fibra óptica y sus aplicaciones 14
Conclusiones 16
Bibliografía 17
Introducción
A lo largo de los años, el ser humano ha buscado comprender como es que
funciona la naturaleza, que se manifiesta con diferentes fenómenos que han
puesto en jaque la inteligencia y el conocimiento previo que se tiene de
los mismos.
Su búsqueda lo ha llevado al punto en donde está, a poder predecir el
clima, huracanes, tormentas tropicales, terremotos, y un sinfín e
inimaginables avances en cuando al conocimiento se refieren, punto en donde
aún con lo que se cuenta, quedan demasiados enigmas por descubrir.
Poco a poco esas variables del entendimiento se han ido despejando y dan
lugar a nuevas interrogantes por supuesto.
La luz y sus propiedades han sido causa de exhaustivo estudio, estudio que
nos demuestra cómo es que las cosas no son tan predecibles o triviales como
se piensan, nos demuestra la capacidad de la velocidad por ejemplo, y con
ello surgen posibilidades hipotéticas, posibilidades alcanzadas y un sin
número de controversias e ideas que posiblemente en un futuro podamos ver,
o nuestros hijos tengan la dicha de observar.
El presente trabajo tiene como fin llegar a esas mentes entusiastas por el
conocimiento, esas mentes que buscan comprender lo que ocurre diariamente a
nuestro alrededor, jóvenes o personas mayores, la edad y el tiempo no
importan, el querer aprender no conoce de edades, sino simplemente la idea
marcada de querer saber.
Teorías de la naturaleza de la luz
¿Qué es la luz?
Se le llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación
electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el
término luz se usa en un sentido más amplio e incluye todo el campo de la
radiación conocido como espectro electromagnético, mientras que la
expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro
visible.
Claro que el concepto de la luz ha ido cambiando a lo largo de la historia,
dejando cavidad a cada uno de las opiniones que han ido surgiendo, y de
ellas se ha ido recolectando información para poder formar un concepto más
sólido que deje satisfecho a más de solo un científico.
Aunque como podemos darnos cuenta, se ha moldeado un poco variando con
algunos sinónimos para cada situación (texto científico) asegurando así el
entendimiento del lector al que va dirigido
Como generalización de este concepto podemos definir a la luz como toda
radiación electromagnética, que puede propagarse a través del vacío,
susceptible de ser percibida por el sentido de la vista, que poseen los
integrantes del reino animal, entre ellos el hombre.
Esta luz es percibida por la córnea, ubicada en el polo anterior del ojo,
que la deja pasar.
El cristalino enfoca la luz, formando una imagen invertida de lo observado
sobre la retina, que se halla en la parte posterior del ojo, más tarde el
nervio óptico transmite mensajes hacia el cerebro, el cual endereza la
imagen.
De esta forma es percibida la luz por el ser humano.
¿Qué es óptica?
Podemos definir a la óptica como la rama de la física encargada del estudio
del comportamiento y las propiedades de la luz. La óptica usualmente
describe el comportamiento de la luz ultravioleta, visible e infrarroja, y
dado que la luz en sí misma es una onda electromagnética, la óptica también
puede estudiar los rayos X, las microondas y las ondas de radio, al exhibir
todas estas propiedades similares a las de la luz.
Una vez analizados los conceptos de luz y óptica, podemos continuar con las
teorías de la luz.
Teoría corpuscular
Es conocida como la teoría corpuscular o de la emisión. A finales del siglo
XVI, con el uso de lentes e instrumentos ópticos, empezaran a
experimentarse los fenómenos luminosos, siendo el holandés Willebrord
Snell, en 1620, quién descubrió experimentalmente la ley de la refracción,
aunque no fue conocida hasta que, en 1638, René Descartes (1596-1650)
publicó su tratado: Óptica.
Descartes fue el primer gran defensor de la teoría corpuscular, diciendo
que la luz se comportaba como un proyectil el cual se propulsaba
a velocidad infinita, sin especificar absolutamente nada característico
sobre su naturaleza.
Como podemos darnos cuenta, la teoría corpuscular estudia la luz como si se
tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones,
capaces de transportar todas las formas de radiación electromagnética.
Teoría ondulatoria
Esta fue establecida por Christiaan Huygens en el año 1678, la cual
describe y explica lo que hoy se considera como leyes de reflexión y
refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante al que
se produce con el sonido.
Propuso el modelo ondulatorio, en el que se defendía que la luz no era más
que una perturbación ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico
pues necesitaba un medio material para propagarse.
Características o hipótesis obtenidas:
1. Todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas
secundarias.
2. De todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del
espacio con velocidad distinta en cada medio.
3. Como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto
sin rozamiento, se supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter,
que hacía de soporte de las ondas.
Transcurrido más de un siglo, las ideas de Huygens fueron rescatadas por
los experimentos del físico francés Auguste Jean Fresnel sobre la
difracción y los del médico inglés Thomas Young sobre los fenómenos de
interferencias luminosas. Young demostró experimentalmente el hecho que se
daba en la teoría corpuscular de que la suma de dos fuentes luminosas
pueden producir menos luminosidad que por separado.
Teoría Cuántica
Max Planck, un reconocido físico alemán, publicó su hipótesis cuántica en
el año 1901. Planck encontró que los problemas con la teoría de la
radiación se basaban en la suposición de que la energía radiada en forma
continua.
Dentro de esta teoría se estableció que la energía electromagnética se
absorbía o emitía en paquetes discretos o "cuantos". El contenido de
energía de estos cuantos (fotones) es proporcional a la frecuencia de la
radiación, con lo cual podemos establecer la ecuación de Planck
escribiéndola de la siguiente forma:
Donde tenemos que:
Ecuación de Max Planck
E = energía del fotón
f = frecuencia del fotón
h = factor de proporcionalidad llamado constante de Planck ()
Sin embargo, en el año 1905, Albert Einstein amplió esta idea propuesta por
Planck y postuló que la energía en un haz de luz no se difunde en forma
continua a través del espacio. Suponiendo que la energía luminosa se
concentrase en pequeños paquetes (fotones) cuyo contenido de energía está
dado por la ecuación de Planck, Einstein fue capaz de predecir el efecto
fotoeléctrico matemáticamente.
En este momento fue cuando la teoría se reconcilió con la observación
experimental. Dado lo anterior, tal parece que la luz es de naturaleza
dual. La teoría ondulatoria se conserva ya que se considera que el fotón
tiene una frecuencia y una energía proporcional a la frecuencia. En la
actualidad se utiliza la teoría ondulatoria cuando se estudia la
propagación de la luz, mientras que la teoría corpuscular es necesaria para
describir la interacción de la luz con la materia.
Como conclusión la teoría cuántica piensa en la luz como energía radiante
transportada por fotones y transmitida por un campo ondulatorio.
Reflexión y refracción de la luz
Una vez analizadas las teorías acerca de la naturaleza de la luz, pasamos
ahora a analizar un poco su comportamiento más tangible y de cerca,
fenómenos vaya.
Reflexión
La reflexión de la luz es un fenómeno dentro del comportamiento de la misma
el cual podemos apreciar, por ejemplo al momento de observar nuestro rostro
de vuelta en un lago. La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que
inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio
que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente. La siguiente
imagen nos ayuda a comprenderlo.
Nota: la recta normal es la línea imaginaria perpendicular a la superficie
de incidencia
Dada la ilustración superior podemos enlistar las siguientes leyes.
Leyes de reflexión:
1a. ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal, se encuentran en
un mismo plano.
2a. ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.
Vemos claramente que una parte de la luz que llega a la superficie,
"traspasa" a la superficie de incidencia (dígase el agua) y la otra parte
es reflejada en otra dirección.
También podemos observar algunas particularidades o casos especiales dentro
del fenómeno que es la reflexión, los cuales son los siguientes.
Reflexión especular
La reflexión especular se observa cuando un rayo de luz incide sobre una
superficie pulida (por ejemplo un espejo) cambia su dirección sin cambiar
el medio por donde se propaga; por tanto decimos que el rayo de luz se
refleja.
Reflejo de una imagen a través de una burbuja de jabón
Reflexión difusa
Cuando un rayo de luz incide sobre una superficie "no pulida", los rayos no
se reflejan en ninguna dirección, es decir se difunden. Esto se puede
producir por ejemplo en la madera.
Refracción
¿Qué es la refracción?
La refracción está definida como el cambio de dirección que experimenta
una onda al pasar de un medio material a otro. Esta solo se produce si la
onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos
medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se
origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda señalada.
Este fenómeno es claramente observable con el típico experimento del lápiz
con el agua, el cual consiste en introducir un lápiz dentro de un vaso de
agua, y éste se observará o dará la impresión de estar roto o quebrado.
Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción,
denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa
frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es pues
aplicable a cualquier tipo de onda.
¿Por qué ocurre la refracción?
Esta se produce cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro con
una densidad óptica diferente, sufriendo un cambio de rapidez y un cambio
de dirección si no incide perpendicularmente en la superficie. Esta ley,
así como la refracción en medios no homogéneos, son consecuencia
del principio de Fermat, que indica que la luz se propaga entre dos puntos
siguiendo la trayectoria de recorrido óptico de menor tiempo.
Leyes de la refracción
Tenemos que en la refracción se cumplen las leyes deducidas por el ya
mencionado científico Christiaan Huygens que rigen todo el movimiento
ondulatorio:
El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el
mismo plano.
Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, entendiendo por tales
los que forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la
perpendicular (llamada Normal) a la superficie de separación trazada en
el punto de incidencia.
Recordemos que velocidad de la luz va a depender del medio por el que
viaje, por lo que esta será más lenta cuanto más denso sea el material y
viceversa.
Por ello, cuando la luz pasa de un medio menos denso (aire) a otro más
denso (cristal), el rayo de luz es refractado acercándose a la normal y por
tanto, el ángulo de refracción será más pequeño que el ángulo de
incidencia.
Del mismo modo, si el rayo de luz pasa de un medio más denso a uno menos
denso, será refractado alejándose de la normal y, por tanto, el ángulo de
incidencia será menor que el de refracción. Así podemos decir que la
refracción es el cambio de dirección de la propagación que experimenta la
luz al pasar de un medio a otro.
Índice de refracción
El índice de refracción se define como una medida que determina la
reducción de la velocidad de la luz al propagarse por un medio homogéneo.
De forma más precisa, el índice de refracción es el cambio de la fase por
unidad de longitud, esto es, el número de onda en el medio,
será veces más grande que el número de onda en el vacío.
Formula que muestra la obtención del
índice de refracción
Dispersión y polarización de la luz
¿Qué es la dispersión?
Dentro del ámbito de la física, se le nombra dispersión al fenómeno de
separación de las ondas de frecuencia diferente o heterogénea al atravesar
un material.
Todos los medios materiales son dispersos, unos lo son más que otros, y la
dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que
se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan
el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o
el aire.
Hablando en términos generales, se puede hablar de dispersión cuando el
estado de un sólido o de un gas contiene otro cuerpo uniformemente
repartido en su masa.
Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa
un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto
más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De
esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz
primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en
un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se
hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de
onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac
Newton: violeta, índigo, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo (Así
como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que
no son directamente visibles por el ojo humano, pero
que impresionan las placas fotográficas).
Es sabido desde la antigüedad que la luz solar, al pasar por cristales
transparentes o joyas de varias clases, produce brillantes colores.
Polarización de la luz
La polarización electromagnética queda definida como la propiedad que
poseen las ondas que les permite oscilar con más de una orientación. Por
lo general con esto se hace referencia a las llamadas ondas transversales.
Comúnmente suele hablarse de las ondas electromagnéticas, aunque también
se puede dar en otras ondas transversales.
Hablando de las ondas del sonido en un gas, donde se trata únicamente de
ondas longitudinales, no se puede observar en este caso polarización.
En una onda electromagnética, tanto el campo eléctrico y el campo
magnético son oscilantes pero en diferentes direcciones; ambas
perpendiculares entre si y perpendicular a la dirección de propagación de
la onda; por convención, el plano de polarización de la luz se refiere a la
polarización del campo eléctrico.
Polarización de ondas planas
Como ejemplo sencillo para visualizar la polarización es el de una onda
plana, que es una buena aproximación de la mayoría de las ondas luminosas.
En un punto determinado la onda del campo eléctrico puede tener dos
componentes vectoriales perpendiculares (transversales) a la dirección de
propagación. Las dos componentes vectoriales transversales varían su
amplitud con el tiempo, y la suma de ambas va trazando una figura
geométrica. Si dicha figura es una recta, la polarización se denomina
lineal; si es un círculo, la polarización es circular; y si es una elipse,
la polarización es elíptica.
Si la onda electromagnética es una onda armónica simple, como en el caso de
una luz monocromática, en que la amplitud del vector de campo eléctrico
varía de manera sinusoidal, los dos componentes tienen exactamente la misma
frecuencia.
Luz polarizada
Existen varios métodos para obtener luz polarizada donde destacan la
absorción selectiva y la reflexión.
Polarización por absorción selectiva
Algunos materiales tienen como característica el absorber selectivamente
una de las componentes transversales del campo eléctrico de una onda.
Esta propiedad se denomina dicroísmo.
Polarización por reflexión
Al reflejarse un haz de luz no polarizado sobre una superficie, la luz
reflejada sufre una polarización parcial de forma que el componente del
campo eléctrico perpendicular al plano de incidencia (plano que contiene la
dirección del rayo de incidencia y el vector normal a la superficie de
incidencia) tiene mayor amplitud que el componente contenido en el plano de
incidencia.
Cuando la luz incide sobre una superficie no absorbente con un determinado
ángulo, el componente del campo eléctrico paralelo al plano de incidencia
no es reflejado. Este ángulo, conocido como ángulo de Brewster, en honor
del físico británico David Brewster, se alcanza cuando el rayo reflejado es
perpendicular al rayo refractado. La tangente del ángulo de Brewster es
igual a la relación entre los índices de refracción del segundo y el primer
medio
Ilustración que muestra Grosso modo la polarización de la luz
Lentes cóncavos y convexos
¿Qué es un lente convexo?
Se llaman convexas aquellas lentes que son más gruesas en el centro que en
los bordes.
Hay tres tipos principales: biconvexas, con dos superficies convexas
(protuberantes); planoconvexas, una superficie plana y otra convexa; y
cóncavoconvexas (menisco convergente), una superficie ligeramente cóncava y
otra convexa.
Pese a esta diferencia de formas, todas las lentes convexas afectan a
la luz del mismo modo: por regla general (aunque no siempre) refractan los
rayos en convergencia, produciendo imágenes reales.
Ilustración que muestra el funcionamiento de una lente convexa,
¿Qué es un lente cóncavo?
Se llaman cóncavas aquellas lentes que son más delgadas en el centro que en
los bordes. Igual que en las convexas, hay también tres tipos principales
de lentes cóncavas: bicóncavas, con ambas superficies cóncavas (ahondadas);
planocóncavas, con una superficie plana y otra cóncava; y convexo cóncavas
(menisco divergente), con una superficie ligeramente convexa y
otra cóncava.
Y también, como en las convexas, todas las formas de lentes cóncavas
afectan a la luz del mismo modo.
Pero, a diferencia de las convexas, las lentes cóncavas refractan los rayos
en divergencia, por lo que producen imágenes virtuales. Además, la imagen
que dan es siempre disminuida y directa.
Ilustración que muestra el funcionamiento de una
lente cóncava.
Fibra óptica y sus aplicaciones
Durante los últimos años, la fibra óptica ha sido objeto de representación
y hace alusión a una revolución en cuanto a los materiales y a las bondades
que estos nos brindan.
La aplicación de las fibras ópticas en las comunicaciones ha dado como
resultado una explosión de las capacidades de la información, puesto que la
fibra óptica tiene un ancho de banda mayor que el alambre de cobre, lo que
en otras palabras nos dice que se puede transmitir una cantidad mayor de
información durante un periodo de tiempo fijo. Este incremento en ya
mencionadas capacidades, amplia los horizontes y los limites convencionales
trayéndonos entre otras cosas televisión interactiva y selecciones de canal
por cable, por solo citar algunos ejemplos.
Vemos cómo es que la fibra óptica cambia radicalmente las cosas como las
conocemos, mas sin embargo, con toda la complejidad que parece encerrar
este hecho, es difícil digerir la idea de que esta habilidad para
transmitir información depende principalmente de un solo fenómeno físico
llamado: "la reflexión interna total".
La reflexión interna total nos habla del resultado del paso de la luz a
través de un medio para encontrarse con un segundo medio de menor densidad
óptica, una fibra óptica consiste en dos medios de este tipo.
Estructura básica de una fibra óptica
Índice de refracción
mayor (núcleo) que el del recubrimiento
Viendo la ilustración anterior podemos observar que el núcleo de la fibra
se utiliza como el medio de transmisión, mientras que la cubierta sirve
únicamente para contener la señal transmitida. Por lo tanto, esto nos
indica que el núcleo debe tener un índice de refracción mayor que el índice
del recubrimiento.
Cada uno de los rayos interiores (pensemos en varios haz de luz dentro de
un medio) posee un ángulo de incidencia fijo con la frontera
núcleo/recubrimiento.
Mientras los haz de luz tengan este ángulo de incidencia igual o mayor que
el ángulo crítico de la fibra, la señal quedará confinada en la fibra.
El uso de la fibra óptica en sistemas de comunicación tiene muchas
ventajas, entre las más destacadas se encuentran la inmunidad a la
interferencia electromagnética, una protección de datos superior, mayor
velocidad de transmisión y un considerable aumento en la amplitud de la
banda de la señal.
Los sensores también han aprovechado para "dar el salto" en sus
funcionalidades, pudiendo hablar de sensores que trabajan con fluidos hasta
otros que incluso funcionan con aire, todos ellos aprovechando las bondades
de este material.
En medicina, la fibra óptica ha venido para quedarse, tanto en lo que se
refiere al área de diagnóstico diferencial hasta el mismo tratamiento.
Existen ya dispositivos que permiten inspeccionar con precisión y de manera
visual los órganos internos utilizando fibras ópticas (hablamos de un
endoscopio), este dispositivo en especial utiliza dos fibras ópticas una
para iluminar el área de interés y la otra para transmitir la imagen que
está siendo analizada, al ser conectado este dispositivo a un monitor
permite a los médicos ver lo que anteriormente requería una cirugía.
Esto anteriormente mencionado es en el área de el diagnostico, ahora bien,
en el área de tratamiento tenemos la solución a las arterias obstruidas,
las cuales ya pueden ser despejadas mediante un sistema llamado LASTAC
(angioplastia translimitar reforzada por láser), el cual consiste en
insertar un láser que viaja a través de una fibra óptica el cual evapora la
placa y despeja la arteria obstruida.
Conclusiones
Nos damos cuenta que la ciencia nunca descansa, y esta avanza día con día a
pasos agigantados en donde nos corresponde como el futuro del país (porque
es responsabilidad de todos y cada uno de nosotros) aprovechar estos
descubrimientos, estos avances, de tal forma que podamos ayudar a
mejorarlos aún más y con esto, poder tener un amplio conocimiento de lo que
nos rodea, saber porque las cosas ocurren, y además, poder brindar
oportunidades y soluciones que a la sociedad puedan servir.
Dejo en ti como lector de estas páginas, la responsabilidad de compartir lo
anteriormente aprendido con las personas de tu entorno, con tus hijos, tus
amigos, tus vecinos, con las personas que quieres, para ayudarlos a
comprender un poco más la complejidad de la inteligencia humana, lo que la
lucha por alcanzar una idea o finalizar un proyecto que traiga consigo una
recompensa futura para la humanidad puede lograr.
La importancia que tienen estos conocimientos sobre nuestra vida cotidiana
es de suma importancia, nos ayudan a corregir algunas discapacidades (por
ejemplo en el caso de las lentes la miopía y el astigmatismo) o analizar
posibilidades para extender y mejorar la calidad de vida de las personas
(el uso del microscopio y el telescopio en la medicina como herramienta
para el combate contra las enfermedades y la comprensión del cosmos
respectivamente).
Mi objetivo y tarea contigo es esa, despertar un poco la curiosidad de
querer saber y no dejarte únicamente con esto, sino que te haga sentir esa
necesidad de buscar más, de cultivar esas ideas que, estoy seguro que
tienes, esas ideas que cruzan tu mente en un momento aleatorio y que, de
llevarse a cabo, contribuiría seguramente a demostrar una vez más que
nuestros universo es tan bello e infinito como lo que aún podemos aprender
y crear.
Bibliografía
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http://es.wikibooks.org/wiki/Física/Óptica/Naturaleza_de_la_luz
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Hewitt, P. G. (2011). Fundamentos de fisica conceptual. México: Pearson .
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http://es.wikipedia.org/wiki/Luz
Wikipedia. (13 de Abril de 2015). Obtenido de
http://es.wikipedia.org/wiki/Óptica
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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MORELIA
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DEPARTAMENTO DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN
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