fisica3ciclo3 sem 8 - ondas electromagnéticas y la luz

67
Mg. John Cubas Sánchez FÍSICA III Módulo: 2 Unidad: 5 Módulo: 2 Unidad: 5 Semana: 8 Semana: 8

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Problemas de fisica de ondas electromagneticas einewnvennvwenvievneevenvenvkeivenvnevievenivneiveivieveivneiv

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Page 1: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Mg. John Cubas Sánchez

FÍSICA III

Módulo: 2 Unidad: 5Módulo: 2 Unidad: 5 Semana: 8 Semana: 8

Page 2: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

ONDAS ELECTROMAGNÉTICASONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

2 Mg. John Cubas Sánchez

Page 3: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

ORIENTACIONES

• Para la presente unidad se recomienda

revisar los conceptos de campo eléctrico y

campo magnético.

• Revisar Las Leyes de la Inducción

magnética.

• Revisar los conceptos de operaciones

vectoriales: productos, gradientes,

rotacionales y divergencias

3 Mg. John Cubas Sánchez

Page 4: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

CONTENIDOS TEMÁTICOS

• Definición de onda

• Ecuaciones de Maxwell

• Ondas electromagnéticas

• Energía de una onda electromagnética

• Vector de Poynting.

• El espectro electromagnético

• Ejercicios de aplicación

4 Mg. John Cubas Sánchez

Page 5: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Mg. John Cubas Sánchez 5

Es la propagación de una perturbación, producida por la oscilación de una

partícula.

Por su medio de propagación medio de propagación

pueden ser:

Ondas mecánicas: Ondas mecánicas: necesitan un

medio para propagarse.

Ondas electromagnéticas: Ondas electromagnéticas: no

necesitan un medio para

propagarse.

Por su dirección de propagación dirección de propagación

pueden ser:

Ondas longitudinales: Ondas longitudinales: cuando la

dirección de propagación es la

misma que la de oscilación.

Ondas transversales: Ondas transversales: cuando la

dirección de propagación es

perpendicular a la de oscilación.

Page 6: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

1.ONDAS (1dimensión)

Expresión matemática Función oscilante x(x, t)

que verifica una ecuación

Mg. John Cubas Sánchez 6

2

22

2

2 ),(),(

x

txv

t

tx

xx

)()(),( 21 vtxFvtxFtx x

Solución = onda hacia la derecha con velocidad v +

onda hacia la izquierda con velocidad -v

Función de ondaFunción de onda

Ecuación de ondaEcuación de onda

Page 7: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

1.2 Solución general

• Función oscilante

Longitud de onda l : distancia entre dos puntos consecutivos

que vibran en fase.

Frecuencia f : Nº veces que corta al eje.

Periodo T: tiempo en que se realiza una oscilación completa.

Frente de ondas: puntos alcanzados por la onda a un tiempo

fijo

= frecuencia angular

Mg. John Cubas Sánchez 7

xx )(sen),( 0 vtxktx

fT

22

l

2k

Page 8: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

t constante

x

x(x,t) l

x0

x constante

t

x(x,t) T

x0

l

2K

fK

v

2

fT

12

vf l

Mg. John Cubas Sánchez 8

kv

Page 9: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

1.3 Ondas esféricas • Expresión matemática Función oscilante x(x, t)

que verifica una ecuación

Mg. John Cubas Sánchez 9

),(),( 22

2

2

txvt

txx

x

2

2

2

2

2

22

zyx

2

2

222

2

2

2

sen

1sen

sen

11

rrrr

rr

Laplaciano en coordenadas:

Cartesianas:

Esféricas

Page 10: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

1.4 Solución general esférica • Función oscilante

• Si el medio es isótropo sólo depende de r:

• Frente de ondas esférico.

Mg. John Cubas Sánchez

10

xx trktx

sen),( 0

rkrk

Page 11: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

2.ECUACIONES DE MAXWELL

• Leyes de Gauss

• Ley de Faraday

Mg. John Cubas Sánchez 11

QAdE

0AdB

dt

dfem B

Addt

BdldE

S

El flujo del vector E a

través de una

superficie cerrada es

igual a Q/

El flujo del vector

B a través de una

superficie cerrada

es nulo

Circulación del

vector E por una

curva cerrada

Superficie

encerrada

por la curva

La fem inducida

en un circuito

cerrado es igual

a la variación del

flujo de B

B = Flujo

magnético

E = Flujo

eléctrico

A.A. FORMA INTEGRAL DE LAS ECUACIONES DE MAXWELLFORMA INTEGRAL DE LAS ECUACIONES DE MAXWELL

Page 12: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

• Ley de Ampere generalizada

Mg. John Cubas Sánchez 12

Addt

DdJldH

S

La circulación del vector H por un circuito cerrado es igual a la corriente

externa + corriente desplazamiento

TBB

H 0

0

dA

dIJ ext

Circulación del vector H

por una curva cerrada Superficie encerrada

por la curva

Corriente de

desplazamiento

dA

dQD libre

En el “alambre

eléctrico”

En el “núcleo

magnético”. Tiene

cargas en movimiento

Page 13: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

2.1 Algunas nociones matemáticas

• Dada una función vectorial:

• Donde se definen las funciones divergencia y

rotacional respectivamente:

Mg. John Cubas Sánchez 13

S

AdFldF )( Vol

dVFAdF )(

zyx FFF

zyx

kji

F

ˆˆˆ

z

F

y

F

x

FF zyx

kFjFiFFFFrF zyxzyx ),,()(

k

zj

yi

x

Page 14: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

• Leyes de Gauss

• Leyes de Faraday y Ampere

Mg. John Cubas Sánchez 14

E

0 B

La divergencia

del vector E = /

NoNo hay fuentes de

campo magnético

(monopolos)

0

t

BE

Jt

EB

BB.. FORMAFORMA DIFERENCIALDIFERENCIAL DEDE LASLAS ECUACIONESECUACIONES DEDE

MAXWELLMAXWELL

Page 15: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

2.2 Ecuaciones de Maxwell en ausencia

de fuentes y corrientes

• En un material

• En el vacío v = c

Mg. John Cubas Sánchez 15

0 E

0 B

0

t

BE

0

t

EB

1v

00

1

c

2

7

0 104A

N

m

F12

0 1085,8

s

mc 8103

Page 16: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

3.ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS (planas)

• Las ecuaciones de Maxwell aplicadas a campo E

y B ortogonales que se propagan en la misma

dirección (ej. x) admite soluciones tipo onda.

Mg. John Cubas Sánchez 16

2

22

2

2 ),(),(

x

txEv

t

txE

2

22

2

2 ),(),(

x

txBv

t

txB

)(sen),( 0 vtxkEtxE

)(sen),( 0 vtxkBtxB

No son

independientes

Satisfacen Maxwell 00 cBE

Page 17: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

• Las ondas electromagnéticas planas son

transversales, con los campos E y B

perpendiculares entre sí y a la dirección de

propagación.

Mg. John Cubas Sánchez 17

Page 18: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

4.ENERGÍA DE UNA OEM • Densidad de energía eléctrica y magnética

– Vacío - Medio

• Densidad de energía de la OEM

Mg. John Cubas Sánchez 18

o

m

oe

Bu

Eu

2

2

2

1

2

1

2

2

2

1

2

1

Bu

Eu

m

e

00 cBE

22

2

1

2

1 BEuuu me

c

BEBEu

22

cBE

Page 19: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

5. VECTOR DE POYNTING • El vector de Poynting apunta en la dirección de

propagación de la OEM

• Definición

Mg. John Cubas Sánchez 19

Campo magnético

Campo eléctrico

Dirección de

propagación

E

B S

BES

itxkSS oˆ)(cos2

ejemplo

Page 20: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

• Está relacionado con la densidad de energía

media de la OEM …

• con la potencia de la OEM …

• y con la intensidad (Potencia/Área)

Mg. John Cubas Sánchez 20

v

S

v

BEu

v

Su

2

0

AEB

uAvdt

dUP

000

2

1

2

1S

BEImedia

Page 21: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

6. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

• El tipo de OEM se

clasifica según su

longitud de onda (o

frecuencia)

Mg. John Cubas Sánchez 21

Page 22: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Hacia 1860, James Clerk Maxwell dedujo que las leyes fundamentales de la

electricidad y el magnetismo podían resumirse de forma matemática en lo que se

conoce como las Leyes de Maxwell.

Estas ecuaciones relacionan los vectores y con sus fuentes, que son las

cargas en reposo, las corrientes y los campos variables. E

B

Las Leyes de Maxwell juegan en el Electromagnetismo el mismo papel que

las Leyes de Newton en la Mecánica Clásica.

Maxwell demostró que estas ecuaciones podían combinarse para dar lugar a una

ecuación de ondas que debían satisfacer los vectores y cuya velocidad en el

vacío debía ser

E

B

m/s 1031 8

oo

c

Dicha velocidad coincide con la velocidad de la luz en el vacío. Luego la luz

también es una onda electromagnética.

Mg. John Cubas Sánchez 22

Page 23: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

ECUACIONES DE MAXWELLECUACIONES DE MAXWELL En su forma integral:

La primera es la ley de Gauss y nos dice que el flujo a través de una superficie cerrada es

proporcional a la carga encerrada. La segunda, es la ley de Gauss para el magnetismo, implica

la no existencia de monopolos magnéticos, ya que en una superficie cerrada el número de líneas

de campo que entran equivale al número de líneas que salen. La tercera, es la ley de Faraday.

En este caso, en el segundo término tenemos el flujo magnético a través de una superficie no

cerrada. Esta ley relaciona el flujo del campo magnético con el campo eléctrico. La integral de

circulación del campo eléctrico es la variación del flujo magnético. La cuarta, es la ley de

Ampere, generalizada por Maxwell y expresa cómo las líneas de campo magnético rodean una

superficie por la que circula una corriente o hay una variación del flujo eléctrico. La integral de

circulación del campo eléctrico es proporcional a la corriente y a la variación del flujo eléctrico.

so

intqSd·E

(1)

s

Sd·B 0

(2)

C

B Sd·Bdt

d

dt

dld·E

(3)

C S

ooo SdEdt

dIldB

·· (4)

Corriente de

desplazamiento

Mg. John Cubas Sánchez 23

Page 24: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Para deducir la ecuación de las ondas electromagnéticas vamos a escribir las

ecuaciones de Maxwell en su forma diferencial:

El término de la corriente de desplazamiento permite la solución de ondas

electromagnéticas. El segundo par de las ecuaciones de Maxwell conecta las

derivadas espaciales de cada campo con el ritmo de variación de cada uno de ellos.

Es este acoplamiento de los campos eléctricos y magnéticos lo que origina la

propagación de las ondas. Cualitativamente un campo magnético variable con el

tiempo en la ecuación (7), conduce a un campo eléctrico variable con el tiempo,

el cual conduce a su vez a un campo magnético, dependiente del tiempo, en la

ecuación (8).

B

E

o

)t,r(E·

(5) 0 )t,r(B·

(6)

t

)t,r(B)t,r(E

(7)

t

trEtrJtrB ooo

),(),(),(

(8)

Mg. John Cubas Sánchez 24

Page 25: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

La forma estándar de proceder con tales ecuaciones diferenciales acopladas es

tomar la derivada de una de ellas y usar la otra para eliminar una u otra de las

variables independientes. En este caso tomaremos el rotacional de la ley de

Faraday, puesto que esto conecta con el rotacional del campo eléctrico lo que nos

permite eliminarlo usando la ley de Ampere generalizada.

0),(· trE

(9) 0 )t,r(B·

(10)

t

trBtrE

),(),(

(11)

t

trEtrB oo

),(),(

(12)

Para simplificar, vamos a tratar ondas electromagnéticas en el vacío, considerando

el caso en el que no hay corrientes ( =0) ni cargas ( = 0). Con estas hipótesis las

ecuaciones de Maxwell quedan como: J

Mg. John Cubas Sánchez 25

Page 26: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

El término izquierdo de la ecuación (13), puede ser reordenado usando la siguiente

identidad vectorial

A)A·(A 2

Calculando el rotacional de la ley de Faraday

t

BE

(13)

Y usando la propiedad conmutativa en el término de la derecha, podemos escribir

finalmente

t

BEE

)()·( 2

(14)

Sustituyendo las ecuaciones (9) y (12) en la (14), obtenemos

2

22

t

EE oo

(15)

Operando de forma análoga para el campo magnético

2

22

t

BB oo

(16)

Mg. John Cubas Sánchez 26

Page 27: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Puesto que mFo / 1089,8 12

ATmo / 104 7

Obtenemos para la velocidad de fase un valor de

c = 2,99x108 m/s

el cual coincide con la velocidad de la luz, c. La conclusión es clara, la luz

misma es una onda electromagnética. Este es un ejemplo de una de las

primeras unificaciones en física de dos ramas de la misma que, en principio,

parecían separadas como son el electromagnetismo y la óptica y por lo

tanto, uno de los mayores triunfos de la física del siglo XIX.

oo

c

1

Estas ecuaciones obedecen a una ecuación de ondas tridimensional para

los campos y con velocidad de fase: E

B

Mg. John Cubas Sánchez 27

Page 28: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Relación entre la propagación de los Relación entre la propagación de los

campos eléctrico y magnéticocampos eléctrico y magnético

0E·k

0B·k

BEk

EμBk oo

Vamos a introducir la expresión de los campos en forma de ondas armónicas

planas

)tkx(o

)tkx(o

e B)t,r(B

e E)t,r(E

Donde es el número de onda, que es un vector que apunta en la dirección de

la onda. Así, podemos reescribir las ecuaciones de Maxwell, en forma de

ecuaciones vectoriales

k

Mg. John Cubas Sánchez 28

Page 29: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Las primeras dos ecuaciones demuestran que los dos campos y son

perpendiculares al vector de onda , puesto que apunta en la dirección de la

onda, esto significa que las ondas electromagnéticas son ondas transversales.

Como, en general un vector en 3D tiene tres grados de libertad, la condición de

que el campo eléctrico debe ser perpendicular a reduce entonces los grados de

libertad a dos. Físicamente esto corresponde a los dos estados de polarización en

los que la luz puede dividirse.

k

k

E

B

Las otras dos ecuaciones relacionan los campos eléctrico y magnético. Es normal

visualizar el campo eléctrico como el que define la onda, y por ejemplo, la

dirección en la que apunta define la polarización de la onda. Es conveniente usar

que para obtener la intensidad de campo magnético. Esta ecuación

demuestra que es perpendicular a , y por lo tanto hemos encontrado la

propiedad fundamental de las ondas electromagnéticas, esto es que , y son

mutuamente perpendiculares.

BEk

k

E

E

B

B

Puesto que y son perpendiculares, en términos de sus módulos, tenemos.

Para ondas en vacío, la velocidad de fase es c y por lo tanto . La última

ecuación no nos da información nueva puesto que con se reduce a la

expresión anterior .

BkE

2/1 coo

k

E

cEB /

Mg. John Cubas Sánchez 29

k

Page 30: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Los campos Eléctrico y Magnético oscilan

localmente con sus direcciones

mutuamente perpendiculares.

La generación de OEM requiere que las dimensiones del medio emisor sean del orden de la

longitud de onda generada.

•Antenas de radio que emiten en AM (amplitud modulada), en onda larga o corta, tienen

dimensiones de decenas a centenares de metros

•Microondas, con longitudes de onda típicas en el rango de los micrones se generan en

cavidades resonantes de algunos centímetros de tamaño

•Del rango del infrarrojo a los rayos X está asociado a emisión de ondas

electromagnéticas por átomos o moléculas

•Rayos están asociados a procesos nucleares.

Mg. John Cubas Sánchez 30

Page 31: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

700 600 500 400

l (nm)

espectro visible

100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024

108 106 104 102 100 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12 10-14 10-16

Longitud de onda l (m)

Frecuencia f (Hz)

ultravioleta Rayos X Rayos gama infrarojo Ondas de radio Onda larga

104 105 106 107 108 109 1011 1010

Radio AM Canales TV Radio FM

Horno microondas banda ciudadana

telefonía móvil

Frecuencia f (Hz)

Mg. John Cubas Sánchez 31

Page 32: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

ondas de radio y TV

microondas

radiación térmica luz

radiación láser

rayos X

rayos gama

Mg. John Cubas Sánchez 32

Page 33: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Las generadas por Hertz con l 1 m. l [1 km; 0,3 m]

f [1 Hz,109 Hz]

Ondas emitidas por los circuitos eléctricos (50 Hz).

No existe límite teórico a estas ondas.

Intervalo de variación

l [30 cm, 1 mm]

f [109 Hz, 31011 Hz]

Utilidad en radioastronomía y en la comunicación de vehículos espaciales.

Las frecuencias de los microondas coinciden con la frecuencia natural de

las moléculas de agua. Esta es la base de los hornos microondas.

Mg. John Cubas Sánchez 33

Page 34: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

f [31011 Hz, 41014 Hz]

Detectadas por Sir William Herschel en 1800

Subintervalos

•IR cercano: 780 nm - 3000 nm

•IR intermedio: 3000 nm - 6000 nm

•IR lejano: 6000 nm - 15000 nm

•IR extremo: 15000 nm - 1 mm

Cualquier molécula por encima de cero absoluto radiará en el IR (por agitación térmica).

Los cuerpos calientes radian IR en un espectro continuo (por ejemplo un radiador).

Aproximadamente la mitad de la energía electromagnética del Sol es IR.

El cuerpo humano también radia IR (esta emisión se utiliza para visión nocturna).

Existen misiles que “siguen el calor” y que son guiados por IR.

Mg. John Cubas Sánchez 34

Page 35: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Sensibilidad del ojo humano: 400 nm - 700 nm.

Newton fue el primero en reconocer que la luz blanca es mezcla de todos los colores

del espectro visible.

El color no es una propiedad de la luz en sí misma, sino una manifestación de nuestro

sistema de percepción (La luz no es amarilla, la vemos amarilla, ya que con distintas

mezclas de distintas longitudes de onda podemos obtener la misma respuesta a

nuestro ojo).

Descubiertos por Ritter sobre 1800: f [41014 Hz Hz, 31016 Hz]

Los rayos UV del Sol ionizan los átomos de la atmósfera superior y así se crea la

ionosfera. El ozono absorbe estos rayos en la atmósfera.

Para l < 290 nm los UV son germicidas.

Los seres humanos no ven muy bien los UV porque los absorbe la córnea y el

cristalino.

Mg. John Cubas Sánchez 35

Page 36: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Descubiertos por Röentgen (1845 – 1923):

f [31016 Hz, 51019 Hz]

Se utilizan en medicina para radiodiagnóstico.

Existen microscopios de RX.

Radiaciones electromagnéticas con la longitud de onda más corta.

Son emitidas por partículas que están sujetas a transiciones dentro del núcleo

atómico.

Es muy difícil observar fenómenos ondulatorios en esta parte del espectro

electromagnético.

Mg. John Cubas Sánchez 36

Page 37: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

La luz (del latín lux, lucis) es la clase de energía

electromagnética radiante que puede ser percibida

por el ojo humano. En un sentido más amplio, el

término luz incluye el rango entero de radiación

conocido como el espectro electromagnético.

Mg. John Cubas Sánchez 37

Page 38: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Cuando la luz llega a la superficie de separación de dos medios dieléctricos,

en parte se refleja y en parte se refracta. A continuación analizaremos estos

dos fenómenos.

Mg. John Cubas Sánchez 38

Page 39: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFLEXIÓN DE LA LUZ REFLEXIÓN DE LA LUZ

La reflexión se produce cuando la luz llega a

la superficie de separación y ‘rebota’ en ella,

volviendo al primer medio. La velocidad de

propagación no cambia.

LOS DOS RAYOS ESTÁN EN EL

MISMO PLANO

Mg. John Cubas Sánchez 39

ÁNGULO DE INCIDENCIA = ÁNGULO DE REFLEXIÓN

Page 40: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

TIPOS DE REFLEXIÓN TIPOS DE REFLEXIÓN

Antes y después de la reflexión, la velocidad de propagación no cambia.

Si la superficie es rugosa,

se produce una REFLEXIÓN

DIFUSA: los rayos salen

reflejados en todas

direcciones. La ley de la

reflexión sigue siendo válida,

pero hay distintos ángulos de

incidencia.

Mg. John Cubas Sánchez 40

Si la superficie está

suficientemente bien pulida

(por ejemplo, un espejo) se

produce una REFLEXIÓN

ESPECULAR.

Page 41: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFLEXIÓN REFLEXIÓN DE LA LUZ DE LA LUZ

REFLEXIÓN ESPECULAR Y DIFUSA. En esta imagen, se proyecta luz sobre

una pantalla blanca que tiene un espejo. La pantalla envía más luz a la cámara

que el propio espejo.

Mg. John Cubas Sánchez 41

Page 42: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFRACCIÓN REFRACCIÓN DE LA LUZ DE LA LUZ

La refracción se produce cuando la luz llega a la superficie de

separación y entra en el segundo medio. Al cambiar de medio se

produce un cambio de velocidad y el haz de luz se desvía de su

trayectoria original

¿Qué relación hay entre los ángulos de incidencia y refracción?

Mg. John Cubas Sánchez 42

Page 43: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFRACCIÓN DE LA LUZ REFRACCIÓN DE LA LUZ Haciendo incidir un rayo de luz desde aire hacia agua se obtienen los

siguientes resultados ....

Mg. John Cubas Sánchez 43

LEY DE SNELL:LEY DE SNELL:

)()( 21 rsennisenn

Donde:Donde:

v

cn

n = Índice de refracción o de = Índice de refracción o de

refringencia:refringencia:

Page 44: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFRACCIÓN DE LA LUZ REFRACCIÓN DE LA LUZ

n1 < n2

i > r

i’ > r’

Mg. John Cubas Sánchez 44

Profundidad aparenteProfundidad aparente )()( 21 rsennisenn

'rr

Page 45: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

EJEMPLOEJEMPLO

La velocidad de la luz en dos medios cristalinos son respectivamente 2,8x108 m/s

y 2,1x108 m/s; si un rayo de luz incide con un ángulo de 30º desde el medio más

denso, determine el ángulo de refracción.

Desarrollo;Desarrollo;

De la Ley de Snell:

)()( 21 rsennisenn

)()(21

rsenv

cisen

v

c

88 108,2

)(

101,2

º30

rsensen

67,03

2

14

)(

rsen

)67,0(arcsenr

º81,41r

45 Mg. John Cubas Sánchez

Page 46: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFLEXIÓN Y REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN DE REFRACCIÓN DE LA LUZLA LUZ

¿De qué forma varía el porcentaje de

energía reflejada?

¿De qué depende el coeficiente de

reflexión?

Problema complejo:

* polarización

* índices de refracción

* ángulo de incidencia

* ......

Analicemos primero la dependencia

con el ángulo i.

Supondremos que n1 > n2

Mg. John Cubas Sánchez 46

Page 47: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

En incidencia normal la mayor

parte del haz se refracta,

pasando al segundo medio.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Coeficiente de refracción

mayor que el de reflexión

Mg. John Cubas Sánchez 47

Page 48: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Inicialmente., a medida que

aumentamos el ángulo de

incidencia, la fracción de luz

que pasa al segundo medio

aumenta.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

El coeficiente de refracción

aumenta y el de reflexión

disminuye

Mg. John Cubas Sánchez 48

Page 49: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Siguiendo la tendencia

inicial., a medida que

aumentamos el ángulo de

incidencia, la fracción de luz

que pasa al segundo medio

aumenta.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

El coeficiente de refracción

continua aumentando y el de

reflexión disminuyendo

Mg. John Cubas Sánchez 49

Page 50: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

A partir de un valor del

ángulo de incidencia, la

tendencia se invierte.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

El coeficiente de refracción ha

pasado por un máximo y el

coeficiente de REFLEXIÓN

POR UN MÍNIMO (que puede

ser cero, según sea la

polarización de la luz)

Mg. John Cubas Sánchez 50

Page 51: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Aumentando aún más el

ángulo de incidencia, la

fracción de energía que se

refleja tiende a aumentar.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Los coeficientes de refracción

y reflexión llegan a igualarse

Mg. John Cubas Sánchez 51

Page 52: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Para ángulos mayores, la

mayor parte de la energía se

refleja en la superficie de

separación de los dos

medios.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

El coeficiente de reflexión se

hace mayor que el de

refracción

Mg. John Cubas Sánchez 52

Page 53: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Para ángulos mayores,

continúa la tendencia y

prácticamente toda la energía

se refleja.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

El coeficiente de reflexión se

hace continua creciendo, a

expensas del de refracción

Mg. John Cubas Sánchez 53

Page 54: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Para un cierto ángulo (ÁNGULO

LÍMITE) toda la energía se refleja en

la superficie, no se transmite luz al

segundo medio.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

El coeficiente de reflexión es

máximo (=1) y el de refracción,

mínimo (=0)

Mg. John Cubas Sánchez 54

)º90()( 21 sennisenn L

1

2)(n

nisen L

Ejemplo:

Aire:

Vidrio:

12 n5,11 n

º81,41Li

Page 55: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Para ángulos de incidencia

superiores al ángulo límite,

continúa produciéndose

reflexión total.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mg. John Cubas Sánchez 55

refracciónexisteNo

21 nn

Page 56: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Para ángulos de incidencia

superiores al ángulo límite,

continúa produciéndose

reflexión total.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Mg. John Cubas Sánchez 56

Page 57: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

La determinación del ángulo límite

es uno de los métodos más rápidos

(y precisos) para determinar el

índice de refracción de una

sustancia. En la figura puede

observarse un REFRACTÓMETRO

DE ABBE.

Mg. John Cubas Sánchez 57

Page 58: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

REFLEXIÓN REFLEXIÓN REFLEXIÓN REFLEXIÓN TOTAL DE LA LUZ TOTAL DE LA LUZ TOTAL DE LA LUZ TOTAL DE LA LUZ

Otra de las aplicaciones de la

reflexión total de la luz es la que se

utiliza en la FIBRA ÓPTICA

Mg. John Cubas Sánchez 58

Page 59: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Una fibra óptica está formada por un cable transparente llamado CORE que

tiene un recubrimiento con un material de MENOR ÍNDICE de refracción,

llamado CLADDING

Mg. John Cubas Sánchez 59

Page 60: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

FIBRAS FIBRAS ÓPTICAS ÓPTICAS

Cuando un rayo de luz incide con un ángulo muy grande, la energía se

transmite de forma poco eficiente, debido a que una parte importante pasa al

recubrimiento.

Mg. John Cubas Sánchez 60

Page 61: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

FIBRAS FIBRAS ÓPTICAS ÓPTICAS Pero los rayos que inciden con un ángulo pequeño (relacionado con la

APERTURA NUMÉRICA de la fibra), llegaran al cladding con un ángulo

superior al ángulo límite y se reflejarán sin pérdidas energéticas, saliendo por

el otro extremo.

Mg. John Cubas Sánchez 61

Page 62: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

DIFUSIÓN DE LA LUZDIFUSIÓN DE LA LUZ

Cuando la luz se propaga por un medio material, interacciona con él. Los

dos fenómenos más importantes son la absorción y la difusión. De

momento nos centraremos en el estudio de la difusión de la luz. La

absorción será objeto de estudio detallado en otra etapa de la física.

Mg. John Cubas Sánchez 62

Page 63: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

DISFUSIÓN DE LA LUZDISFUSIÓN DE LA LUZ Los haces luminosos son invisibles, aquí vemos la fuente luminosa y la

reflexión sobre una pantalla, pero nada entre la fuente y el blanco.

Mg. John Cubas Sánchez 63

Page 64: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

DIFUSIÓN DE LA LUZDIFUSIÓN DE LA LUZ Si se introducen partículas finas en el aire, el haz luminoso se muestra

claramente, como resultado de la difusión de la luz en los ‘centros

difusores’.

Mg. John Cubas Sánchez 64

Page 65: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

DIFUSIÓN DE LA LUZDIFUSIÓN DE LA LUZ

¿De qué parámetros depende la difusión de la luz?

* Tamaño de las partículas

* Longitud de onda de la luz (mayor en el azul)

Mg. John Cubas Sánchez 65

Page 66: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

Mg. John Cubas Sánchez 66

CONCLUSIONES Y/O ACTIVIDADES DE INVESTIGACIÓN

SUGERIDAS

• La leyes de Maxwell detallan

matemáticamente las ecuaciones de

movimiento de las ondas electromagnéticas.

• La luz tiene comportamiento dual como onda

electromagnética y como partícula.

Page 67: FISICA3CICLO3 SEM 8 - Ondas Electromagnéticas y La Luz

GRACIAS

67 Mg. John Cubas Sánchez