3.1.1 Óptica geométrica.
La parte de la física que estudia la luz
recibe el nombre de óptica. La luz
estaba considerada, hasta la mitad del
siglo XVII como una corriente de
corpúsculos. Huygens fue el primero en
afirmar que la luz era una onda: suponía
que era un movimiento ondulatorio de tipo
mecánico (como el sonido) que se propaga en
un supuesto medio elástico que llena todo y
que se conocía con el nombre de éter.
La óptica
es la ciencia de controlar la luz. La luz es parte de un tipo de energía
llamada “radiación electromagnética” (EM). La luz es la parte de las ondas EM
que podemos ver y forma los colores del arcoíris.
Hablando
más formal, la óptica es el campo de la ciencia y la ingeniería que comprende
los fenómenos físicos y tecnologías asociadas con la generación, transmisión,
manipulación, uso y detección de la luz.
La luz
(viaja a 300 000km/seg) es una onda electromagnética, esto significa que es una
combinación de una onda eléctrica y una onda magnética (y una onda
electromagnética viaja a la velocidad de la luz).
Las ondas
electromagnéticas pueden ser muchas, como se muestra en la siguiente figura:
Espectro
electromagnético.
El
estudio de la óptica se puede dividir
en tres partes:
1. OPTICA
GEOMÉTRICA. Utiliza el método de los
rayos luminosos.
2. OPTICA
FÍSICA. Trata la luz considerada como un
movimiento ondulatorio.
3. OPTICA CUANTICA. Se refiere
a las interacciones entre luz y las partículas atómicas.
Aquí nos limitaremos a las dos primeras
partes y apenas esbozaremos algunos
aspectos de la tercera.
3. 1. 1 Concepto de luz
La luz es una energía
electromagnética radiante que puede ser percibida por el sentido de la
vista. Se trata del rango de radiación del espectro electromagnético. La luz
tiene velocidad finita y se propaga en línea recta.
Por ejemplo:
3. 1. 2 Velocidad de luz
En el vacío es
por definición una constante universal de
valor 299.792.458 m/s (aproximadamente 186.282,397 millas) (suele
aproximarse a 3·108 m/s),
o lo que es lo mismo 9,46·1015 m/año;
la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz.
Se simboliza con la letra c,
proveniente del latín caleritas (en
español celeridad o rapidez), y también es conocida como la
constante de Einstein.
3. 1. 3 Reflexión y refracción
Si un rayo de luz que
se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un
segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo
refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de
luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos
medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo
incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del
medio) en el punto de incidencia (véase figura 1). El ángulo de incidencia es
el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y
refracción se definen de modo análogo.
Las Leyes de reflexión.
Se llama reflexión al rechazo que
experimenta la luz cuando incide sobre una determinada superficie. Toda
superficie que tenga la propiedad de rechazar la luz que incide en ella se
llama superficie reflectora; lo contrario de una superficie
reflectora es una superficie absorbente; estas superficies capturan la
luz que incide sobre ellas transformándola en otras formas de energía,
generalmente energía calorífica.
La reflexión se produce de acuerdo con ciertas leyes
que llamamos leyes de la reflexión. Para enunciarlas, haremos uso de los
conceptos de rayo incidente, normal, rayo reflejado, ángulo de incidencia y
ángulo de reflexión.
El rayo incidente es un rayo luminoso que se dirige hacia la
superficie reflectora.
La normal es una línea perpendicular a la superficie reflectora
trazada en el punto en que ésta es intersectada por el rayo incidente (punto de
incidencia).
El rayo reflejado es el rayo que emerge de la superficie
reflectora.
Los ángulos de incidencia y de reflexión son los formados
por el rayo incidente y el reflejado con la normal.
Si la superficie del segundo medio es rugosa, las
normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones
aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir
de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de
reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen.
3. 1. 4 Fibra óptica
Fibra
óptica, fibra o varilla de vidrio —u otro
material transparente con un índice de refracción alto— que se emplea para
transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se
transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.
El principio en que se
basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión interna total; la luz
que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre la superficie externa
con un ángulo mayor que el ángulo crítico (véase Óptica), de forma que
toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz
puede transmitirse a larga distancia reflejándose miles de veces. Para evitar
pérdidas por dispersión de luz debida a impurezas de la superficie de la fibra,
el núcleo de la fibra óptica está recubierto por una capa de vidrio con un
índice de refracción mucho menor; las reflexiones se producen en la superficie
que separa la fibra de vidrio y el recubrimiento.
La aplicación más
sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían
difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de
un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se
utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al
lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen
proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que
se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La
transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar
el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de
reproducción mediante facsímil y fotocomposición, en gráficos de ordenador o
computadora y en muchas otras aplicaciones.
Las fibras ópticas
también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde
termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no
tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a
numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la
deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar
especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable
convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han
desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y
taladrar materiales.
La fibra óptica se emplea
cada vez más en la comunicación, debido a que las ondas de luz tienen una
frecuencia alta y la capacidad de una señal para transportar información aumenta
con la frecuencia. En las redes de comunicaciones se emplean sistemas de láser
con fibra óptica. Hoy funcionan muchas redes de fibra para comunicación a larga
distancia, que proporcionan conexiones transcontinentales y transoceánicas. Una
ventaja de los sistemas de fibra óptica es la gran distancia que puede recorrer
una señal antes de necesitar un repetidor para recuperar su intensidad. En la
actualidad, los repetidores de fibra óptica están separados entre sí unos 100
km, frente a aproximadamente 1,5 km en los sistemas eléctricos. Los
amplificadores de fibra óptica recientemente desarrollados pueden aumentar
todavía más esta distancia.
Otra aplicación cada vez
más extendida de la fibra óptica son las redes de área local. Al contrario que
las comunicaciones de larga distancia, estos sistemas conectan a una serie de
abonados locales con equipos centralizados como ordenadores (computadoras) o
impresoras. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite
fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de
nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la
capacidad de los sistemas de fibra.
3. 1. 5 Espejos
Cuando la luz llega a la
superficie de un cuerpo, ésta se refleja total o parcialmente en todas
direcciones. Si la superficie es lisa como un espejo, los rayos son reflejados
o rechazados en una sola dirección.
o Frente a un espejo plano nuestra imagen es:
o Derecha
o Virtual
o Simétrica
o Inversión lateral.
o Se forman espejos planos angulares cuando se
unen dos espejos planos por uno de sus lados formando un cierto ángulo. Al
colocar un objeto en medio de ellos se observarán un número N de imágenes, éste
dependerá de la medida del ángulo. Para calcular el número de imágenes que se
producirán en dos espejos planos angulares se usa la expresión:
o N = 360° - 1
o α
o Donde N = número de imágenes que se forman.
α
= ángulo que forman entre sí los espejos
o “Para un espejo plano, la distancia al objeto
es igual en magnitud a la distancia a la imagen”.
o p = q.
o Observe que las imágenes formadas por el
espejo plano, son en realidad producto de la reflexión de objetos reales. Las
imágenes en sí mismas no son reales por que la luz no pasa a través de ellas.
o A las imágenes que ante nuestros ojos parecen
estar formadas por rayos de luz, pero que en realidad no existen, se les
denomina imágenes virtuales. En cambio una imagen real, es aquellas formada por
rayos de luz verdaderos.
o Una imagen real, está formada por rayos de
luz reales, que la atraviesan. Las imágenes reales se pueden proyectar en una
pantalla.
.
ESPEJOS ESFÉRICOS
o Los espejos esféricos son casquetes de una
esfera hueca, los cuales reflejan los rayos luminosos que inciden en ellos. Son
cóncavos si la superficie reflectora es la interior; y convexos si la
superficie reflectora es la exterior.
ESPEJOS CÓNCAVOS
ESPEJO CONVEXO
Para construir gráficamente la
imagen de un objeto colocado frente a un espejo esférico, utilizaremos las
propiedades de los rayos fundamentales:
Rayo fundamental: un rayo
paralelo al eje principal al reflejarse pasa por el foco.
Debido a las características de
la imagen que se forma de un espejo esférico convexo, se utilizan en los
espejos retrovisores de los autobuses y en las entradas y salidas de los
estacionamientos, avenidas, y viaductos muy transitados.
3. 1. 6 Lentes
Las lentes con superficies de radios de curvatura pequeños
tienen distancias focales cortas. Una lente con dos superficies convexas
siempre refractará los rayos paralelos al eje óptico de forma que converjan en
un foco situado en el lado de la lente opuesta al objeto. Una superficie de
lente cóncava desvía los rayos incidentes paralelos al eje de forma divergente;
a no ser que la segunda superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que
la primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen provenir de un
punto situado en el mismo lado de la lente que el objeto. Estas lentes sólo
forman imágenes virtuales, reducidas y no invertidas.
Si la distancia del objeto es mayor que la distancia
focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida. Si el objeto
está lo bastante alejado, la imagen será más pequeña que el objeto. Si la
distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente, la imagen
será virtual, mayor que el objeto y no invertida. En ese caso, el observador
estará utilizando la lente como una lupa o microscopio simple. El ángulo que
forma en el ojo esta imagen virtual aumentada (es decir, su dimensión angular aparente)
es mayor que el ángulo que formaría el objeto si se encontrara a la distancia
normal de visión. La relación de estos dos ángulos es la potencia de aumento de
la lente. Una lente con una distancia focal más corta crearía una imagen
virtual que formaría un ángulo mayor, por lo que su potencia de aumento sería
mayor. La potencia de aumento de un sistema óptico indica cuánto parece acercar
el objeto al ojo, y es diferente del aumento lateral de una cámara o
telescopio, por ejemplo, donde la relación entre las dimensiones reales de la
imagen real y las del objeto aumenta según aumenta la distancia focal (véase
Fotografía).
La cantidad de luz que puede admitir una lente
aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional
al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la
superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la
imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y una distancia focal
de 20 cm sería cuatro veces menos luminosa que la formada por una lente
del mismo diámetro con una distancia focal de 10 cm. La relación entre la
distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal,
llamada también número f. Su inversa se conoce como abertura relativa.
Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad,
independientemente de sus diámetros y distancias focales.
3. 1. 7 El telescopio
Un telescopio es
básicamente un instrumento óptico que recoge cierta cantidad de luz y la
concentra en un punto. La cantidad de luz captada por el instrumento depende
Existen dos grandes divisiones entre los telescopios, según el tipo de
objetivo que utilizan: los reflectores y los refractores. Los reflectores se
constituyen de un espejo principal (espejo primario u objetivo), el cual no es
plano como los espejos convencionales, sino que fue provisto de cierta
curvatura (parabólica) que le permite concentrar la luz en un punto. Los
telescopios refractores poseen como objetivo una lente (o serie de lentes) que
de forma análoga al funcionamiento de una lupa, concentran la luz en el plano
focal. En astronomía se utilizan ambos tipos de telescopios, cada uno con sus
ventajas y desventajas sobre el otro.
TEMA 3.2. Estudio y aplicaciones de emisión láser
El láser es una de las aplicaciones más útiles que se apoyan en la
física cuántica y en el estudio del átomo.
n
La luz intensa, enfocada con mucha precisión y
de naturaleza coherente, que emiten estos dispositivos es el punto de partida
de muchos avances científicos. En medicina, los oftalmólogos debidamente
capacitados pueden fijar la retina del ojo por medio de puntos de soldadura
aplicados con un instrumento láser.
n
La combinación de la luz láser con las fibras
ópticas está engendrando una revolución en el ámbito de la electrónica y las
comunicaciones. Se han desarrollado poderosos láser incluido para hacer pequeñas
perforaciones en diamantes.
n
El principio que sustenta del rayo láser es
relativamente fácil de comprender. Se trata de una simple aplicación de la
teoría cuántica para los niveles de energía atómicos. Básicamente, hay tres
formas en las que los fotones pueden interactuar con la materia: 1. absorción,
2. emisión espontánea. 3. emisión estimulada.
n
a) un electrón, originalmente en su estado
original E1, es lanzado hacia un nivel más alto E2 debido
a la absorción de un fotón. b) la emisión espontánea ocurre y se emite un
fotón, hf = E2-E1.
n
c) La emisión estimulada ocurre cuando un fotón
incidente de energía hf origina la emisión de un segundo fotón de la misma
energía.
n
La emisión estimulada proporciona la
clave del funcionamiento y la eficacia de los rayos láser. En realidad la
palabra láser es una abreviatura de “light amplification by stimulated emisión
of radiación” (amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación)
n
Como los rayos láser son de una naturaleza
coherente e intensa, se utiliza para medir distancias como de la Tierra a la
Luna. Además de la operación de retina antes mencionado, se utiliza también
en intervenciones quirúrgicas de la piel, hígado y corazón por medio de un
bisturí electrónico.
n
El rayo láser también tiene aplicación en el
funcionamiento de aparatos electrónicos como reproductores de música de discos
compactos, DVD, etc.
n
Además los rayos láser pueden provenir de
materiales sólidos como rubíes y otros cristales, gases como helio-neón y
argón. Y los líquidos como los de ácido clorhídrico.
No hay comentarios:
Publicar un comentario