ondas electromagnÉticas optica y luz · durante todo el siglo xviii, posiblemente por la gran fama...
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ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
OPTICA Y LUZ
FISICA DE LA BUENA
M en A José Alberto Verges Hedz.
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.
NATURALEZA DE LA LUZ
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.
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
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
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
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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”.
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.
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.
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
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.
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.
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).
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.
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
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
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
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
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
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.
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
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)