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ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS OPTICA Y LUZ FISICA DE LA BUENA M en A José Alberto Verges Hedz .

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Page 1: ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS OPTICA Y LUZ · durante todo el siglo XVIII, posiblemente por la gran fama y autoridad de éste. En el siglo XIX se observan en la luz los fenómenos de interferencia

ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

OPTICA Y LUZ

FISICA DE LA BUENA

M en A José Alberto Verges Hedz.

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La Luz:

*Fuente de espectros luminosos

*Procesos de formación del color

Luz

Pitágoras; señalaba en su

teoría: la Luz es algo que

emana de los cuerpos

luminosos en todas

direcciones, choca contra

los objetos y rebota de

ellos; cuando ésta penetra

en nuestros ojos, produce

la sensación de ver el

objeto desde el cual

rebotó

La luz se puede definir

como la radiación

electromagnética que es

capaz de afectar el

sentido de la vista.

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NATURALEZA DE LA LUZ

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ESPECTROS ELECTROMAGNÉTICOS

Las ondas del espectro electromagnético se miden por tres parámetros: longitud de onda (λ), frecuencia (f) y amplitud.

Ambas magnitudes (frecuencia y longitud de onda) no son independientes sino inversamente proporcionales: a menor distancia entre dos crestas de onda, más cantidad de ondas encajarán en un período de tiempo de un segundo. Si la frecuencia es alta la longitud de onda es corta y viceversa.

La intensidad (I) o amplitud, es la altura de las crestas de las ondas

y en el caso de la luz, determina su brillo o intensidad.

. La orientación de las crestas respecto a la dirección de

propagación determina el ángulo de polarización.

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Al iniciarse el siglo XVIII,

Newton propone que la

luz está compuesta por

partículas luminosas, de

distinto tamaño según el

color, que son emitidas

por los cuerpos luminosos

y que producen la visión

al llegar a nuestros ojos.

•Newton: La teoría corpuscular

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Newton se apoyaba en los siguientes hechos:

La trayectoria seguida por los corpúsculos es rectilínea

Los corpúsculos no atraviesan obstáculos, así se forman lassombras

La reflexión se debe al rebote de los corpúsculos sobre

la superficie reflectora.

Sin embargo no se podía explicar:

Los cuerpos, al emitir corpúsculos, debían perder masa

por qué algunos corpúsculos se reflejaban y

otros se refractaban

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Huygens, en la misma época, propone que la luz es una onda basándose en

las observaciones siguientes:

La masa de los cuerpos que emiten luz no cambia.

La propagación rectilínea y la reflexión se pueden explicar ondulatoriamente

La refracción es un fenómeno típico de las ondas.

No obstante quedaban cosas sin explicar:

No se encontraba una explicación para la

propagación de la luz en el vacío

No se habían observado en la luz los

fenómenos de interferencia y de difracción

que ya se conocían para las ondas.

•Huygens: La teoría ondulatoria

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ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS

En 1860, Maxwell publicó su teoría matemática sobre el

electromagnetismo que predecía la existencia de ondas

electromagnéticas que se propagaban a la misma velocidad que la

luz.

Por ello argumentó que la luz y otras ondas que se conocían como

las de radio consistían en un mismo fenómeno: eran ondas

electromagnéticas que se diferenciaban sólo en su frecuencia.

Hoy consideramos que una onda electromagnética es única,

aunque se compone de dos perturbaciones: un campo eléctrico

vibrando perpendicularmente a un campo magnético.

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La teoría corpuscular de Newton fue aceptada durante todo el siglo XVIII, posiblemente por la gran fama y autoridad de éste.

En el siglo XIX se observan en la luz los fenómenos de interferencia y difracción y se revitaliza la idea de que la luz es una onda.

En el siglo XX se acepta que la luz se comporta como onda y como partícula.

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TEORÍA CUÁNTICA

Formulada por Einstein- Planck

La luz está compuesta por fotones, los cuales son

“paquetes”(“cuantos”) de energía electromagnética.

Teoría mecánica ondulatoria: Louis de Broglie

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La teoría actualmente aceptada, es que la luz es un fenómeno único en la naturaleza debido a su carácter dual: partícula (fotón) y onda, masa y energía.

Pueden atravesar sustancias en función de su frecuencia (rayos X, rayos gamma).

.

Nace en la fuente que la produce (el sol, una lámpara, etc.) y se propaga en línea recta hasta encontrar un objeto que la intercepte.

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Newton al pasar un haz de luz

por un prisma de cristal hizo

visible el espectro de colores

que componen la luz,

demostrando que cada color

representaba una frecuencia

de onda diferente. Cada onda

al pasar por el prisma sufría

una desviación, ésta variaba

según su color, siendo la más

pronunciada la

correspondiente al violeta; y

en el lado opuesto la del rojo

ESPECTROS

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ESPECTROAdemás de la luz visible, también llegan a la

superficie de la tierra desde el espacio ondas de radio, una parte del espectro infrarrojo y una parte (afortunadamente) muy pequeña de radiación ultravioleta.

Cada onda particular del espectro visible viene caracterizada por su longitud de onda; si, como generalmente sucede, la radiación es compuesta, el ojo no puede analizar las distintas radiaciones o longitudes de onda que recibe y aprecia tan sólo el "color o tonalidad" resultante.

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El espectro electromagnético está constituido por

todos los posibles niveles de energía que la luz

puede tomar. Hablar de energía es equivalente a

hablar de longitud de onda luego, el espectro

electromagnético abarca, también, todas las

longitudes de onda que la luz pueda tener, desde

miles de kilómetros hasta femtómetros.

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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

El espectro electromagnético se divide en regiones

espectrales, clasificadas según los métodos

necesarios para generar y detectar los diversos

tipos de radiación. Es por eso que estas regiones no

tienen una frontera definida y existen algunos

solapamientos entre ellas.

Ondas de radio y microondas: son de baja

frecuencia y poco energéticas. Se obtienen a partir

de corrientes eléctricas oscilantes. Se emplean en

microondas y sistemas de comunicación.

Luz infrarroja: radiación que percibimos como calor.

Hasta los cuerpos mas fríos emiten radiación

infrarroja.

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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Luz visible: parte de la radiación electromagnética que es visible al

ojo humano. En esta se pueden diferenciar los 7 colores, cada unocon longitudes de onda distintas.

Rayos ultravioleta: son radiaciones de poca energía, pero suincidencia directa en nuestros ojos puede producir importantes daños.Además son responsables de la coloración de nuestra piel y causandaños al exponerse prolongadamente a ellos.

Rayos X: se originan en reacciones atómicas fuera del núcleo, por decaimiento de electrones. Son muy energéticos y se les utiliza para obtener radiografías del cuerpo.

Rayos gamma : se originan en reacciones del núcleo atómico. Tienen alta frecuencia, por lo que son muy penetrantes y altamente energéticos. Pueden destruir células orgánicas. Por lo que se utilizan para destruir células cancerosas

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La luz visible es solamente una pequeña parte

del espectro electromagnético, la longitud de

onda excita la retina del sistema visual humano

produciendo sensaciones de color y brillo.

ESPECTRO VISIBLE

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ESPECTRO VISIBLE

Esta región de las ondas electromagnéticas se llama EspectroVisible y ocupa una banda muy estrecha de este espectro.

Esta región de ondas electromagnéticas, están en el rango delespectro visible, que va de los 380 nm a 780 nm

El ojo tiene su mayor sensibilidad en la longitud de onda de 555 nm que corresponde al color amarillo verdoso y la mínima a los colores rojo y violeta.

RENDIMIENTO DE COLOR • “El color es luz...no existe el color sin luz” • Se dice que un objeto es rojo porque refleja las radiaciones luminosas rojas y absorbe todos los demás colores del espectro.

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La luz se desplaza a la velocidad de 300.000 Km./s enel vacío

Compuesta por partículas de energía (llamadosfotones) que originan cambios químicos yreacciones eléctricas.

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RENDIMIENTO DE COLOR

“El color es luz...no existe el color sin luz” • Se dice que unobjeto es rojo porque refleja las radiaciones luminosas rojas yabsorbe todos los demás colores del espectro.

Esto es válido si la fuente luminosa produce la suficientecantidad de radiaciones en la zona roja del espectro visible.

Por lo tanto, para que una fuente de luz seaconsiderada como de buen “rendimiento de color”,debe emitir todos los colores del espectro visible. Si faltauno de ellos, este no podrá ser reflejado.

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COMPORTAMIENTO DE LA LUZ

La luz se propaga a partir de la fuente emisora en

todas las direcciones posibles y en forma de ondas

perpendiculares a la dirección del desplazamiento.

Viaja en línea recta dentro de una sustancia de

composición uniforme mientras no haya nada que

la desvíe y mientras no cambie el medio a través del

cual se está propagando.

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REFLEXIÓN Y DIFUSIÓN

Todo cuerpo refleja parte de la luz que incidesobre él. La mayoría de las superficies de losobjetos son ásperas o irregulares, y por ellodispersan la luz que reciben en todas lasdirecciones posibles.

A esto se lo llama “Difusión”.

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ABSORCIÓN Y TRANSMISIÓN

Un rayo luminoso que penetra desde el aire en un medio

transparente: Si el cristal es translúcido el rayo luminoso

lo atravesará para dispersarse a continuación en todas

direcciones. Si el cristal es coloreado (un filtro) la

transmisión será selectiva y solo pasarán a su través

aquellas longitudes de onda que correspondan con el

matiz del cual está coloreado el cristal.

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La transmisión de la luz, al igual que la

reflexión, siempre es selectiva, Los materiales

transparentes y translúcidos de color absorben las longitudes de onda de forma

selectiva y solo transmiten las de su propio

color, el resto las absorben.

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Si los materiales son transparentes la luz pasaratoda con sus respectivas longitudes de Onda

Si los materiales son translúcidos de color,entonces estos absorben las longitudes deonda de forma selectiva y solo transmiten las desu propio color, el resto las absorben.

Un material que no permite el paso de la luz yabsorbe o rebota todas las longitudes de ondaserán opacos

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SOMBRA, UMBRA Y PENUMBRA

En los cuerpos opacos al incidir un haz de luz

se produce:

Sombra: Es una zona donde no llegan rayos

de luz, debido a que el cuerpo opaco no

permite el pasaje de la luz a través de él.

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SOMBRA, UMBRA Y PENUMBRA Con una Fuente luminosa extendida tenemos penumbra

y umbra

La umbra es la región donde la luz no alcanza la pantalla

La penumbra es el área exterior donde sólo parte de la luz alcanza la pantalla.

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REFRACCIÓN

Es un fenómeno que ocurre dentro de la

transmisión cuando la luz atraviesa un material

transparente de forma oblicua (si lo atraviesa en

dirección perpendicular no hay refracción).

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Cuando los rayos luminosos inciden oblicuamente

sobre un medio transparente, o pasan de un medio a

otro de distinta densidad, experimentan un cambio

de dirección que está en función del ángulo deincidencia, de la longitud de onda incidente, y del

índice de refracción de un medio respecto al otro.

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El rayo incidente, el refractado y la recta normal a

la superficie en el punto de incidencia están en el

mismo plano

La relación entre el seno del ángulo de incidencia y

el del ángulo de refracción es la misma que la de

las velocidades de propagación de la onda en los

dos medios

Esta relación se conoce como ley de Snell, y

la constante es el índice de refracción:𝑠𝑒𝑛 (𝑟𝑎𝑦𝑜 𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒)

𝑠𝑒𝑛(𝑟𝑎𝑦𝑜 𝑟𝑒𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜)= ή

Si la onda se propaga más despacio en el segundo

medio, el ángulo de refracción es menor que el de

incidencia.

𝑣𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑦𝑜 (𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡𝑒)

𝑣𝑒𝑙 𝑟𝑎𝑦𝑜 (𝑟𝑒𝑓𝑟𝑎𝑐𝑡𝑎𝑑𝑜)= ή

ήisenincidente= ήrsenrefractado

LEY DE SNELL

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El arco iris o arcoíris es un

fenómeno óptico y meteorológico que

produce la aparición de un espectro

de luz continuo en el cielo cuando los rayos

del sol atraviesan pequeñas partículas de

humedad contenidas en la atmósfera

terrestre.

ROY G BIVRed Orange Yellow Green Blue Indigo Violet

(Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Indigo Violeta)

LOS 7 COLORES DEL ARCO IRIS

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CONCEPTOS BÁSICOS DE ILUMINACIÓN

La FOTOMETRÍA es la parte de la óptica cuya

objetivo es determinar las intensidades de las

fuentes luminosas y las iluminaciones de las

superficies. Algunas cosas emiten luz y otras las

reflejan. A los cuerpos productores de luz, como

el sol, un foco, se les nombra cuerpos luminosos. A

los cuerpos que reciben rayos luminosos, como es

el caso de un árbol, una mesa, se les denomina

cuerpos iluminados.

ILUMINACION: Se define con la luz incidiendo

sobre una superficie, es decir, es la relación de

flujo luminoso incidente en una superficie por

unidad de área. Se mide en el SI en Luxes

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La intensidad luminosa es la cantidad de luz producida

e emitida por un cuerpo luminoso. Para cuantificar la

intensidad luminosa de una fuerte de luz, se utiliza en el

SI la candela (cd)

El Flujo luminoso es la cantidad de energía luminosa

que atraviesa en la unidad de tiempo una superficie

normal (perpendicular) a los rayos de luz.

La unidad del flujo luminoso en el SI es el lumen (lm).

Un lumen es el flujo luminoso recibido durante un

segundo por una superficie de 1 m2

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Una bombilla incandescente común de 100 W emite

una potencia radiante total de 1750 lm. Esto es para

luz emitida en todas direcciones.

La iluminación es la cantidad de luz que recibe las

superficies de los cuerpos, su unidad de medida es el

lux (lx).

Un lux es la iluminación producida por una candela.

1 lux= 1 candela/m2

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Como sabemos, los focos incandescentes con

filamento que se utilizaban en los hogares, producen

una iluminación que depende de su potencia medida en

watts.

La equivalencia entre una potencia de un watt en un

foco y la intensidad luminosa producida es

aproximadamente igual a: 1 watt = 1.1 candelas Un foco

de 40 w equivale a 44 candelas , uno de 60 watt a 66 cd.

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Ley de la iluminación o

Ley inversa del cuadrado.Es una consecuencia de la propagación en línea

recta de la luz. Por ejemplo: Al colocar un foco de

40 watts a una distancia de un metro de la superficie

de una mesa, se produce una cierta iluminación

sobre ella.

Si después elevamos el foco a una distancia de 2

metros, observaremos que la iluminación de la

superficie de la mesa se ha reducido a la cuarta

parte de la anterior.

Finalmente, si triplicamos la distancia colocando el

foco a 3 metros de la mesa, la iluminación que

recibe equivale a la novena parte de la inicial

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Ley de la iluminación o

Ley inversa del cuadrado.La iluminación E que recibe una superficie es directamente

proporcional a la intensidad de la fuente luminosa I, e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d que

existe entre la fuente y la superficie

Matemáticamente se expresa así

𝐸 =𝐼

𝑑2

Donde:E= iluminación expresada en lux (lx)

I=Intensidad de la fuente luminosa en candela (cd)

d= distancia entre la fuente luminosa y la superficie medida en

metros (m)