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Naturaleza la luz




Enviado por gldg86



    1. Espejos
      planos
    2. Espejos en
      ángulo.
    3. Espejos
      esféricos
    4. Refracción
    5. Prisma
    6. La Luz como onda
      electromagnética. Lentes delgadas.
    7. Óptica Física.
      Polarización. Interferencia. Difracción.
      Espectroscopia.
    8. Historia y actualidad de la
      naturaleza de la luz
    9. Fotometría
    10. Bibliografía

    En este capítulo analizaremos conceptos
    ópticos de tipo geométrico, que luego
    profundizaremos, pero que son necesarios para el entendimiento de
    algunos temas que veremos en los capítulos
    siguientes.

    • Cuerpos luminosos o iluminados: son cuerpos
      luminosos aquellos que pueden producir luz propia
      (lámpara, Sol) y son cuerpos iluminados aquellos que
      reciben luz de fuentes
      lumínicas para ser visibles (mesa, silla,
      birome).
    • Cuerpos transparentes, opacos y
      traslúcidos:
      son cuerpos transparentes aquellos que
      cuando la luz pasa a través de ellos
      prácticamente no se altera (agua pura,
      aire); son
      cuerpos opacos aquellos que no permiten el paso de la luz,
      (aunque no hay opacos en absolutos ya que si se reduce a
      laminas adquieren características traslucidas) y son
      cuerpos traslucidos aquellos que si bien permiten el paso de la
      luz no permiten precisar la forma de los objetos a
      través de ellos).
    • Propagación rectilínea de la
      luz:
      el hecho de que la luz se propaga en "línea
      recta" (más adelante veremos más profundamente
      cual es la forma de propagación de la luz) es muy
      fácilmente comprobable, solo vasta con encender una
      linterna y ver como el haz de luz viaja a través de una
      línea recta.

    El postulado general de la óptica
    geométrica es la propagación rectilínea de
    la luz
    , es decir dedica al estudio de la luz como si fueran
    rayos rectilíneos sin tener en cuenta ni su naturaleza ni su
    velocidad.

    La consecuencia del hecho de tomar a la luz en estos
    sentidos no es ni más ni menos que la formación de
    SOMBRAS Y PENUMBRAS y la formación de estas dependen del
    tipo de fuente luminosa:

    1. FUENTE LUMINOSA PUNTUAL: es
      aquella que se supone que es ínfimamente pequeña
      por consiguiente cualquier cuerpo opaco colocado entre la misma
      y una pantalla, además de quedar en sombra parte del
      cuerpo, formará en la pantalla una sombra de igual forma
      al cuerpo (si es una esfera formará un circulo) y
      tamaño proporcional a las distancias existentes entre
      las tres. Si el cuerpo es una esfera podríamos explicar
      esto diciendo que los rayos tangentes a la superficie de la
      esfera forman un cono, llamado cono de sombra, el cual tiene
      base (o sección) en la pantalla; de este modo los rayos
      inferiores a la superficie cónica no pasan y los
      inferiores si lo hacen formándose la
      sombra. 
    2. FUENTE LUMINOSA NO PUNTUAL EXTENSA: es aquella
      que tiene dimensiones geométricas a considerar. Ahora
      gracias a que la fuente no es solo un punto, es un cuerpo con
      dimensiones a tener en cuenta, cuando colocamos por ejemplo una
      esfera entre pantalla y fuente se nos forman dos conos uno que
      tiene por generatrices a los rayos tangentes exteriores y otro
      que tiene por generatrices a los rayos tangentes interiores. De
      este modo se nos forman tres zonas: la sombra propiamente
      dicha, la zona totalmente iluminada que recibe todos los rayos
      de luz y la penumbra o faja angular comprendida entre las dos
      anteriores zonas.

    CÁMARA OSCURA: este es el
    fundamento de la cámara fotográfica. Si en una
    caja cerrada hacemos un orificio pequeño y colocamos un
    cuerpo luminoso por delante dentro de la caja aparecerá
    la imagen del
    mismo invertida. Teniendo en cuenta la propagación
    rectilínea de la luz y siendo el orificio pequeño
    los rayos que llegan a este son oblicuos entonces como la luz
    no dobla sigue su recorrido rectilíneo formando una
    imagen
    invertida como se ve en la figura.

    REFLEXIÓN

    Este es uno de los fenómenos ópticos
    más sencillos. Si nosotros encendiéramos una
    linterna apuntándole a una SUPERFICIE PULIDA
    (espejo) veríamos como el haz de luz producido por
    la linterna rebota y vuelve dirigiéndose por ejemplo hacia
    una pared.

    Entonces tomando una recta de referencia normal (N)
    perpendicular al espejo tenemos un rayo incidente (el proveniente
    de la linterna) y un rayo reflejado (el proveniente del espejo).
    Sobre este fenómeno rigen dos leyes:

    1° Tanto el rayo incidente como el rayo reflejado y
    la recta N pertenecen al mismo plano.

    2° El ángulo de incidencia es igual al
    ángulo de reflexión (). De este modo se deduce
    fácilmente que si el rayo incidente coincide con la recta
    N este rebota sobre sí mismo, ya que ambos ángulos
    tienen 0°.

    ESPEJOS
    PLANOS

    Imágenes de un cuerpo puntual:

    De todos los rayos que parten de A tomaremos en cuenta
    al rayo AB, perpendicular al espejo y reflejado sobre sí
    mismo (según lo explicado anteriormente) y al rayo AC que
    forma con la normal CN un ángulo de incidencia i que
    reflejado (CD) forma un
    ángulo de reflexión r. Si prolongamos los segmentos
    AC y CD veremos
    como estos dos se cortan en un punto A’ llamado imagen de
    A. De este modo un observador parado en J afirmaría que
    los todos rayos parecen porvenir de A’.

    Por lo tanto todos los rayos que parten de un punto
    objeto y se reflejan determinan otros, que prolongados determinan
    la llamada imagen virtual del punto en
    cuestión.

    Cabe destacar que el punto A es simétrico con
    respecto a A’ debido a que el espejo EE’ es mediatriz
    del segmento AA’, de esta manera si hay un incremento el
    segmento AB también lo habrá en el segmento
    A’B. Esta es la explicación de por qué cuando
    nos acercamos a un espejo la imagen del espejo parece
    también acercarse hacia nosotros.

    Imágenes de un cuerpo no
    puntual:

    Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores de las
    mediatrices se puede construir la imagen virtual de AB trazando
    las perpendiculares AM y BM al espejo, prolongando sus medidas y
    uniendo los puntos determinados en el paso anterior obteniendo la
    imagen virtual A’B’.

    Un observador que desconoce principios de
    óptica
    al que imaginaremos transparente en el punto T que mira
    según el sentido de la flecha (hacia el espejo)
    estaría en condiciones de afirmar que el punto A que en
    realidad es A’ se encuentra situado bajo si derecha pero
    él mismo si girara 180° comprobaría que en
    realidad el punto A se encuentra de su lado izquierdo. Esta es la
    razón por la cual si miramos por un espejo vemos las cosas
    invertidas como muestra el
    esquema.

    CAMPO DE UN ESPEJO

    Es la región del espacio visible desde un punto
    dado gracias a un espejo. El mismo queda determinado por los
    rayos reflejados provenientes de los dirigidos a la periferia del
    espejo.

     ESPEJOS EN
    ÁNGULO.

    Si tenemos dos espejos cuyas superficies pulidas se
    encuentran hacia fuera bien podríamos decir que se
    encuentran a 360°. Si colocamos un cuerpo entre medio de
    ellas no se formaría ninguna imagen. Del mismo modo si
    estuviesen a 180° (siguiendo una línea recta) y
    colocase un cuerpo como marca la figura
    se formaría una sola imagen y si estuviesen a 90° se
    formarían tres uno compartido y otros dos uno en cada uno
    de los espejos.

    Entonces para averiguar la cantidad de imágenes n
    que se forman en dos espejos en ángulo a es válida la
    expresión:

    De este modo vemos también que mientras
    más chico sea el ángulo serán más las
    imágenes formadas por lo que se
    podría decir que si a es un número muy chico la cantidad de
    imágenes sería un número cercano al
    infinito, razón por la cual en espejos paralelos se forman
    infinitas imágenes que se pierden intensidad y no llegan a
    distinguirse bien.

    ESPEJOS
    ESFÉRICOS
    :

    Algunas definiciones

    • Espejo curvo es el que tiene la superficie curva
      pulida.
    • Espejo esférico es el que tiene la superficie
      pulida semejante a la de un casquete
      esférico.
    • Espejo esférico cóncavo es el que tiene
      la superficie interior pulida.
    • Espejo esférico convexo es el que tiene la
      superficie exterior pulida.

    ESPEJOS CONCAVOS

    Elementos de un espejo esférico:

      

    • Radio de curvatura: es el radio de la
      esfera a la cual pertenece.
    • Vértice del espejo: es el polo del
      casquete.
    • Eje principal: es la recta determinada por el
      vértice y el centro de la curvatura.
    • Eje secundario: es cualquier recta que pasa por el
      centro de la curvatura
    • Abertura del espejo: es el ángulo determinado
      por los dos ejes secundarios que pasan por el borde del espejo
      o suele también determinarse entre un eje secundario que
      pasa por el borde y el principal.

    Marcha de los rayos

    Se verifica lo siguiente en todos los espejos
    exceptuando los espejos esféricos superiores a los 8°
    o 9° ya que para estos no se cumple estrictamente todo lo que
    anunciaremos a continuación:

    Las leyes de
    reflexión se verifican talen como en los planos tomando
    como espejo plano a la tangente en el punto que choca el rayo
    incidente, o sea que el punto de incidencia es un espejo plano
    infinitamente pequeño tangente al punto de incidencia
    mismo.

    Focos

     Si volvemos a usar nuestra linterna
    colocándola a una distancia considerable del espejo
    paralela al eje principal en distintas posiciones veremos como
    todos los rayos chocan contra el espejo y tienden a pasar por un
    mismo punto llamado foco y viceversa (si pasan por el foco
    serán paralelos al eje principal). Si ahora en vez de
    colocar la linterna paralela al eje principal la
    colocáramos paralela a cualquier eje secundario veremos
    como también los rayos chocan y tienden a pasar por otro
    punto distinto al anterior llamado foco secundario. Por
    último podríamos colocar la linterna coincidente
    con el eje principal veremos como el rayo tiende a reflejarse
    sobre sí mismo debido a que coincide con la recta normal
    del espejo tangente.

    Del estudio del triángulo BFC se podría
    decir que el foco se sitúa aproximadamente en la mitad del
    radio de la
    curvatura debido a que . O sea la distancia focal es aproximadamente igual a
    la mitad del radio de la curvatura.

    Si la curvatura fuese mayor a 8° o 9° en vez de
    que todos los rayos pasen por un solo punto (foco) se forma una
    superficie luminosa llamada cáustica por
    reflexión.

    IMÁGENES EN ESPEJOS ESFÉRICOS

    Focos conjugados

    Si consideramos una fuente puntual F frente a un espejo
    esférico y suponemos que los rayos a’ y b’ son
    rayos reflejados de a y b suele decirse que F’ es el foco
    conjugado de F. Esto es recíproco ya que si consideramos
    como fuente luminosa a F’ tendría como foco
    conjugado a F por lo que se puede decir que el foco luminoso con
    su foco conjugado son recíprocos.

    Imágenes de cuerpos no
    puntuales

    Estos tipos de espejos presentan diferentes casos que
    estudiaremos por separado:

     EL OBJETO SE ENCUENTRA DETRÁS DEL CENTRO
    DE LA CURVATURA (ENTRE EL CENTRO Y EL INFINITO)

    Consideraremos a un objeto AB perpendicular al eje
    principal y con el punto b en común para evitar
    complicaciones innecesarias.

    Los rayos a y b se reflejan según a’ y
    b’ determinando el punto A’ y el punto B’ es
    imagen de B por lo tanto A’B’ es imagen de AB resulta
    real, invertida de menor tamaño y situada entre el foco y
    el centro.

    EL OBJETO ESTÁ SITUADO EN EL CENTRO DE LA
    CURVATURA

    Sucede análogamente con los rayos a, b, a’
    y b’ la intersección de los últimos nos da el
    punto A’ imagen de A y B es conjugado con B’ entonces
    tenemos la imagen A’B’ de AB que ahora es real,
    invertida, de igual tamaño y situada también en el
    centro.

    EL OBJETO ESTÁ SITUADO ENTRE EL CENTRO Y EL
    FOCO PRINCIPAL

    Es recíproco al primer caso ya que como muestra la figura
    los rayos determinan una imagen A’B’ de AB real,
    invertida pero de mayor tamaño y situada detrás del
    centro.

      EL OBJETO ESTÁ SOBRE EL
    FOCO

    Los rayos a y b se reflejan pero los rayos reflejados
    son ahora paralelos por lo tanto nunca se cruzan imposibilitando
    la formación de una imagen, o como también se dice
    la imagen está infinitamente alejada.

     EL OBJETO ESTÁ ENTRE EL FOCO Y EL
    ESPEJO

    Considerando los rayos a y b vemos como al llegar al
    espejo tienden a separarse se logra solo si intersección
    si estos se prolongan por lo que la imagen de AB es
    A’B’ que como queda detrás del espejo resulta
    virtual, mayor y de igual sentido que el objeto.

     Fórmula de los focos
    conjugados

    Todas las consideraciones anteriores corresponden a la
    siguiente expresión matemática
    siendo x la distancia objeto-espejo, x’ la distancia imagen
    espejo y f la distancia focal del espejo (aproximadamente la
    mitad del radio de la curvatura).

     ESPEJOS CONVEXOS

    También se cumplen las leyes de reflexión
    pero en este tipo de espejos el foco principal es imaginario
    debido a que los rayos tienden a separarse, y por lo tanto la
    distancia es negativa.

    Marcha de los rayos

    1. Todo rayo paralelo al eje principal de un espejo
      convexo se refleja de modo tal que su prolongación pasa
      por el foco. Por lo tanto si un rayo incidente que pasa por el
      foco se refleja paralelo al eje principal
    2. El rayo que incide en dirección hacia el centro se refleja
      sobre si mismo.

      Imagen en un espejo
    convexo

    Del mismo modo que en los espejos cóncavos
    prolongando los rayos A y B determinamos los puntos virtuales
    A’ y B’ y obtenemos la imagen virtual.

    Esta es la única posibilidad que ofrecen los
    espejos, o sea que lo anterior se cumple siempre en este tipo de
    espejos.

     ABERRACIÓN: hemos
    aclarado que todo lo dicho se verificaba con espejos no
    superiores a 9° o 8°, el porque se explica de la
    siguiente manera:

    Los espejos que como hemos supuesto aquí reflejan
    un solo punto a partir de otro (por ejemplo A’ y A) se
    llaman espejos aplanéticos. Los espejos que
    cumplen perfectamente con el aplanetismo luminoso son los planos.
    En los demás como los que hemos excluido aquí se
    produce un fenómeno llamado ABERRACIÓN que consta
    de la reflexión de un sistema de focos
    conjugados a partir de un punto. La aberración puede
    corregirse utilizando espejos parabólicos ya que estos son
    aplanéticos en diferentes condiciones (colocando la fuente
    luminosa en el foco o "bastante lejos") o utilizando una lente
    que luego veremos su funcionamiento.

    Este tipo de espejos son utilizados en espejos de
    dentistas que son cóncavos y tienden a concentrar los
    rayos luminosos el los lugares a observar (que será el
    foco), lámparas dicroicas, linternas, espejos retrovisores
    que son convexos y permiten la formación de una imagen
    virtual y visible para el conductor, espejos de parques de
    diversiones que son combinaciones de cóncavos y convexos.
    Cabe destacar que los espejos cilíndricos siempre
    "deforman" en forma longitudinal no transversal.

    REFRACCIÓN

    Es la desviación de un rayo luminoso cuando pasa
    de un medio transparente a otro medio también transparente
    pero de distinta densidad. Este es
    el fenómeno que sucede cuando por ejemplo metemos una
    cucharita en un vaso de agua y esta
    parecería estar quebrada.

    Para darnos cuenta de manera más ejemplificativa
    de la desviación de los rayos lumínicos
    podríamos colocarnos frente a una pileta vacía en
    la cual no viéramos el tapón de la misma. Si ahora
    comenzamos a llenar de agua la pileta se produce una
    desviación de los rayos luminosos (refracción) que
    permite que veamos el tapón. La única causa de esta
    desviación es el hecho de que el agua tiene
    distinta densidad del
    aire. 

     Si ahora quisiéramos calcular cuanto se va
    a desviar el rayo tendríamos que tener en cuenta el rayo
    incidente con su ángulo de incidencia i con respecto a la
    normal N (perpendicular a la superficie de separación) y
    el rayo refractado con su ángulo de refracción
    también con respecto a N.

    La Ley de Snell
    acerca de la refracción enuncia: (m y n son índices
    de refracción de los medios)

    Ambos rayos refractado e incidente y la recta normal
    pertenecen al mismo plano.

    La relación entre los senos de los ángulos
    de los dos ángulos es un índice de
    refracción del primero para con el segundo en
    símbolos:

    teniendo en cuenta un índice
    particular de dos medios (por
    ej. agua-aire)

    El índice n depende de los medios en
    cuestión siendo mayor al ser más refringente el
    medio. Cuando el rayo coincide con la normal no sufre ninguna
    desviación.

    LAMINA DE CARAS PARALELAS

     Se considera lámina de caras paralelas a
    todo medio refringente limitado por planos paralelos. Por ejemplo
    un vaso octogonal, etc.

    En estas se verifica que todo rayo que incide sobre una
    de las caras de la lámina de caras paralelas emerge de
    ella y no se desvía, solo sufre un desplazamiento que
    depende del ángulo de incidencia:

    Si se analiza trigonométricamente la
    relación entre i y e se obtendrá que los
    ángulos son iguales.

    PRISMA

    Un prisma es un medio transparente limitado por dos
    caras planas concurrentes. La intersección de esas caras
    se llama aristas y el diedro que forman, ángulo de
    refringencia.

    Marcha de los rayos en el prisma

    Si sobre la cara e un prisma incide un rayo incide un
    rayo IT sufrirá, al atravesarlo, la desviación que
    indica TS, es decir, acercándose a la normal N, pues pasa
    de un medio menos refringente a otro más
    refringente.

    Cuando el rayo desaparece de un medio l, vuelve a
    desviarse en dirección SR, pues pasa de un medio menos
    refringente a otro más refringente.

    La trayectoria inicial es IT y la final SR, las cuales
    determinan el ángulo de desviación.

    Se demuestra:

    El ángulo de desviación sufrida por un
    rayo luminoso al atravesar un prisma es igual a la suma del
    ángulo de incidencia i y el ángulo de emergencia e
    menos el ángulo de refringencia A.

    Parte 2: La Luz como onda
    electromagnética. Lentes delgadas.

    LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.

    En la Parte 4 "Historia y actualidad de la
    naturaleza de
    la luz" hemos realizado una recopilación de cómo se
    ha llegado a creer que la luz es una onda electromagnética
    y si lo es eso únicamente, por lo que en este
    capítulo arrancaremos del concepto de que
    la luz es una onda
    electromagnética.

    James Clerk Maxwell, uno de los más grandes
    científicos de la historia, entre muy
    importantes descubrimientos demostró que la luz era una
    parte del espectro electromagnético, es decir que difiere
    con las demás ondas (como
    pueden ser ondas de radio,
    microondas,
    rayos ultravioleta, infrarrojos) solo en su longitud de onda
    (distancia entre cresta y cresta de la onda)

    Luz es entonces la región del espectro
    electromagnético visible al ojo.

    En óptica se usan unidades de longitud de onda
    como:

    micra (10-6 metros), Ángstrom
    (10-10metros), o nanómetro (10-9
    metros).

    Los límites
    del espectro visible no están bien definidos ya que la
    curva de sensibilidad del ojo tiende a acercarse a los límites
    pero nunca lo hace, aunque los límites rondan un valor de entre
    4300 A y 6900 A.

    Energía y cantidad de
    movimiento

    Una de las principales características de las ondas
    electromagnéticas es que pueden llevar energía de
    un lugar a otro. Así la radiación
    visible y no visible que emite el Sol llega a
    la Tierra y el
    algunos casos es convertida a energía
    eléctrica (por ejemplo mediante paneles
    fotovoltaicos). Esto explica perfectamente como las ondas
    electromagnéticas transportan energía. Así
    como conocemos los vectores de
    campo
    eléctrico y magnético las ondas
    electromagnéticas están ligadas a su transporte de
    energía mediante el vector de Poynting S con ese nombre en
    honor a John Henry Poynting quien fue el primero en descubrir
    este fenómeno:

    Vemos como en la onda electromagnética influyen
    los valores
    instantáneos de campo
    eléctrico y magnético. S en sistema MKS se
    mide en watt/m2

    Otra característica importante es la llamada
    presión
    de radiación.
    Digamos que si yo prendo una linterna apuntando hacia un libro esta
    ejerce una presión de
    fuerzas muy chicas contra el libro. Con
    esto podríamos afirmar que la luz tiene cantidad de
    movimiento
    lineal. Estos efectos fueron predecidos por Maxwell y se expresa
    en un tiempo que para
    una cantidad de energía U, una cantidad de movimiento p
    se establecen las siguientes relaciones:

    (absorción total)

    (reflexión total)

    Conociendo esto vale la pena manifestar otras relaciones
    útiles para el cálculo:

     

    Siendo t el tiempo, a el
    área a la que se esta incidiendo y F la fuerza hecha
    por la onda

    Esta presión de radiación fue comprobada
    experimentalmente por Nichols y Hulls 30 años luego su
    predicción teórica.

    Principio de Huygens y la ley de
    refracción

    El principio de Huygens es un antiguo principio
    geométrico que permite averiguar donde está el
    frente de la onda en un momento cualquiera en el fututo si
    conocemos su posición actual.

    Utilizando este principio se deduce que en la
    refracción la velocidad de
    la luz en el medio más denso debe ser menor a la del medio
    menos denso.

    Reflexión total interna

    A medida que aumentamos el ángulo de incidencia
    aumentará el ángulo de refracción hasta
    llegar a 90° (rayo e) superando ese valor es
    apreciable que los rayos no son refractados sino reflejados en un
    fenómeno llamado reflexión total
    interna.

      Superficie esférica
    refractora

       En la figura vemos como al llegar un
    rayo luminoso divergente de un punto O se refracta para luego
    converger en un punto I formando una imagen real del objeto
    luminoso.

    Lo contrario sucede en este otro caso en que la luz sale
    de un punto se refracta pero no converge en un punto sino que
    diverge formando una imagen virtual.

    Lentes delgadas

     Al fijarse en los aparatos que se usan para
    resolver los problemas que
    se presentan en la práctica, entre los que interviene la
    luz, los más importantes son las lentes, ya que se usan
    mucho directamente, y como parte de aparatos más
    complicados. Por ejemplo: para que las personas que padecen
    ametropías ópticas, puedan ver correctamente, para
    observar pequeños objetos claramente, para observar
    objetos lejanos mejor que a simple vista, para fotografiar
    objetos o personas de los que convenga conservar la imagen, para
    proyectar transparencias y películas
    cinematográficas, e inclusive, el ojo presenta varias
    lentes para que puedan desarrollar sus funciones.

    Las lentes, por su forma, lo mismo que por la manera que
    se comportan al ser atravesadas por los rayos de luz, se
    clasifican en dos grupos, el de las
    lentes convergentes y el de las lentes divergentes.

    Las lentes convergentes, se caracterizan porque son
    más gruesas en el centro que en la orilla, pudiendo
    presentar tres formas diferentes: lente biconvexa (1), lente
    planoconvexa (2), menisco convergente (3).

    Fig. Tipos de lentes
    convergentes.

    Estas lentes se llaman convergentes, porque los rayos de
    luz que llegan a ellas paralelas, se refractan dos veces y
    después se cruzan en un mismo punto, que se llama foco, F
    (4); como las lentes funcionan igual en un sentido que en el
    otro, presentan dos focos, equidistantes de ellas.

    Debido a que los tres tipos de lentes convergentes
    funcionan de igual manera, para representarlos en los esquemas se
    usa una línea recta, terminada por ambos extremos en
    flechas, con sentido hacia fuera, debiendo marcarse
    también claramente sus focos.

    Las lentes divergentes, se caracterizan porque son
    más gruesas en la orilla que en el centro y pueden
    presentar tres formas diferentes: lente bicóncava (6),
    lente plano cóncava (7), y menisco divergente
    (8).

     Estas lentes se llaman divergentes, porque los
    rayos que llegan a ellas paralelos, se refractan dos veces,
    resultando después divergentes, pero sus prolongaciones se
    cruzan en un mismo punto que también se llama foco de la
    lente F (9); como todas estas lentes funcionan igualmente en
    ambos sentidos, presentan dos focos virtuales equidistantes a
    ellas.

    Como las tres formas de lentes divergentes funcionan de
    igual manera, para representarlas en los esquemas, se usa una
    línea recta terminada en sus extremos por flechas, con de
    sentido afuera hacia el centro, debiendo marcarse claramente sus
    focos.

    Características de las lentes:

    Para estudiar gráficamente los fenómenos
    ópticos que se presentan en las lentes, se necesita
    conocer sus características, las cuales se indican
    gráficamente en la figura siguiente,
    características que son comunes a ambos tipos de lentes,
    por lo que el esquema presenta flechas en los dos
    sentidos.

    El plano óptico de la lente, es el plano central
    de ella, siendo lo que se representa con la línea
    LL’, del esquema.

    El centro óptico O, es el punto central de la
    lente.

    El eje principal AB, o simplemente eje, es la recta que
    siendo perpendicular a la lente, pasa por el centro
    óptico.

    Los focos principales F y F’, o simplemente focos,
    son los puntos donde se cruzan los rayos que llegan a la lente
    paralelos al eje principal, o sus prolongaciones.

    Distancia focal f, es la distancia entre el centro
    óptico y el foco, que en las lentes divergentes se
    considera negativa.

    La forma más sencilla de determinar
    gráficamente las imágenes de las lentes y sus
    características, consiste en usar una serie de rayos
    denominados notables. Estos son:

    Cualquier rayo que llegue a una lente convergente,
    paralelo al eje principal, se refracta pasando por el foco del
    otro lado (1). Cualquier rayo que llegue a una lente convergente
    pasando por el foco, se refracta paralelo al eje principal
    (2).

    • Cualquier rayo que llegue a una lente convergente
      pasando por el centro óptico, se refracta sin cambiar de
      dirección (3).

    Para las lentes divergentes, los rayos notables son los
    siguientes:

    • Cualquier rayo que llegue a una lente divergente
      paralelo al eje principal, se refracta en dirección del
      foco del mismo lado de la lente de donde viene la luz
      (4).
    • Cualquier rayo que llegue a una lente divergente en
      dirección del foco del otro lado, se refracta paralelo
      al eje principal (5).
    • Cualquier rayo que llegue a una lente divergente en
      dirección del centro óptico, se refracta sin
      cambiar de dirección (6).

    POTENCIA DE UNA LENTE

    Se ha verificado experimentalmente que una lente es
    tanto más potente cuanto menor es su distancia focal. En
    símbolos:

    (para lentes convergentes)

    Por convención se ha establecido que si la
    distancia focal es de un metro la potencia es de
    una dioptría. Así la potencia se mide
    en dioptrías y la distancia focal en metros. De esta
    fórmula se deduce que para una distancia infinitamente
    grande la potencia es cero y los rayos no sufren
    desviación.

    La fórmula para lentes divergentes es
    análoga pero negativa:

    La formula de los focos conjugados es la misma que en
    espejos.

    Reflexión difusa

    Cuando iluminamos una hoja de papel en un
    cuarto oscuro pareciera que lo hoja difundiría la luz
    haciendo que gran parte de la habitación se ilumine. Esto
    se llama reflexión difusa y sucede a partir de numerosas
    reflexiones y refracciones que ocurren el la hoja.

    Parte 3:
    Óptica Física.
    Polarización. Interferencia. Difracción.
    Espectroscopia.

    COLOR

    Los colores simples
    (los del arco iris) son ondas que difieren en su longitud de
    onda. Esa es la única diferencia entre ellos. El blanco es
    el color que
    contiene a todos ellos, es decir que si descomponemos al blanco
    obtendremos toda la gama de colores simples.
    Podemos descomponer al blanco utilizando un prisma, como el
    índice de refracción depende de la longitud de onda
    los rayos se van desviando de manera distinta y por lo tanto se
    separan.

    INTERFERENCIA

    Cuando dos disturbios de onda se combinan, en tal forma
    que los picos de una onda coinciden con los picos de la otra, las
    dos ondas se refuerzan para producir un disturbio mayor. Este
    proceso se
    conoce como interferencia constructiva. Por otro lado si los
    picos de una onda coinciden con los valles de la otra, entonces
    las ondas tendrán a cancelarse. Este proceso se
    conoce como interferencia destructiva.

    El experimento clásico que demuestra la
    interferencia de la luz fue realizado primero por Thomas Young en
    1801. Young separó la luz al pasarla por dos ranuras
    paralelas angostas. En una pantalla blanca colocada más
    allá de las ranuras se mostró un patrón de
    bandas alternadas claras y oscuras llamadas franjas de
    interferencia. Las franjas claras indican interferencia
    constructiva y las oscuras indican interferencia desctructiva de
    las dos ondas por las ranuras. Mediciones cuidadosas muestran que
    la interferencia constructiva ocurre en un punto dado en la
    pantalla en donde las dos longitudes de trayectoria óptica
    difieren en un número entero de longitudes de onda de la
    luz y la interferencia destructiva ocurre si la diferencia de
    trayectoria es un número entero de media longitud de
    onda.

    Otro ejemplo familiar de intereferencia de la luz se
    logra por los efectos del color en
    películas delgadas, tal como en películas de
    jabón. Estos efectos se deben a la interferencia de las
    ondas de luz que se reflejan de las superficies frontal y
    posterior de la película. Un efecto similar se nota cuando
    una lente de vidrio convexa se
    presiona contra una placa de vidrio plana, tal
    que ser forma una delgada película de aire en forma de
    cuña. Cuando la luz se refleja de la región de
    contacto, se notan una serie de anillos de colores. Este
    fenómeno fue observado primero por Newton, y por
    ello se conocen como anillos de Newton.

    La interferencia de la luz se usa en muchas formas
    prácticas. El estándar fundamental de longitud se
    basa en la longitud de onda de cierta línea espectral del
    gas
    kriptón. Luz desde una lámpara de kriptón se
    usa en conjunto con un interferómetro óptico para
    hacer mediciones precisas de longitud.

    Otros usos de la interferencia es la película
    antirreflexión. Lentes y otras partes ópticas,
    usadas en todos los instrumentos finos, son cubiertos con
    delgadas capas transparentes de material diseñado para
    reducir pérdidas por reflexión, debido a
    interferencia destructiva. La luz que sería de otro modo
    reflejada, es transmitida. En sistemas
    multilentes este proceso puede incrementar la eficiencia de un
    instrumento considerablemente.

    Películas delgadas son también usadas en
    filtros de interferencia, en donde se utiliza interferencia
    constructiva en forma tal que permite que la luz de un color pase
    a través del filtro mientras refleja las otras longitudes
    de onda.

    DIFRACCIÓN

    Si un objeto opaco se coloca entre una fuente puntual de
    luz y una pantalla blanca, un examen cuidadoso muestra que el
    borde de la sombra no es perfectamente agudo, como lo predice la
    ley de propagación rectilínea de la óptica
    geométrica. Más bien se encuentra que una
    pequeña porción de luz se derrama dentro de la zona
    oscura y que franjas desvanecidas aparecen en la zona
    iluminada.

    Otro fenómeno relacionado es el esparcimiento de
    un haz de luz a su paso por un pequeño agujero o
    separación angosta. El nombre dado a estas variantes de la
    óptica geométrica se conoce como difracción.
    La óptica geométrica provee resultados
    útiles en la mayoría de aplicaciones debido a que
    la longitud de onda de la luz visible es pequeña y los
    efectos de difracción no son importantes en circunstancias
    ordinarias.

    Las características esenciales de la
    difracción se explican por el principio de Huygens, que
    establece que cada punto en un frente de onda que avanza, puede
    ser considerado la fuente de una nueva onda u onda secundaria.
    Las ondas secundarias se combinan para producir el nuevo frente
    de onda.

    La difracción es particularmente aparente en la
    retícula de difracción, un dispositivo usado para
    separar luz en sus longitudes de onda componentes. La
    retícula se hace al rayar surcos o estrías cercanas
    espaciadas equidistantemente sobre una superficie de vidrio u
    otro material. Cuando la retícula se ilumina con un haz de
    luz paralelo, la onda incidente es descompuesta por las
    estrías en una serie de ondas secundarias.

    La dirección de la cual procede el nuevo frente
    de onda, está determinado por el requerimiento para que
    las ondas secundarias se refuercen una a otra. Este
    refuerzamiento ocurre cuando la diferencia de trayectoria
    óptica entre ondas, desde estrías adyacentes, son
    un número entero de longitudes de onda. La mayoría
    de instrumentos espectroscopicos utilizan retículas,
    más que prismas para el elemento dispersivo
    básico.

    POLARIZACIÓN

    La naturaleza transversal de las ondas de luz es
    revelado por el fenómeno de la polarización.
    Ciertos cristales naturales, particularmente la turmalina
    mineral, tiene la propiedad
    especial conocida como dicroísmo, en la cual se absorbe
    luz cuya vibración de campo eléctrico está
    en una dirección y transmite luz cuya vibración
    está a ángulo recto a esa
    dirección.

    El producto
    sintético Polaroid es dicróico. Cuando luz
    ordinaria, la cual tiene direcciones aleatorias de
    vibración, pasa por un polarizador hecho de material
    dicróico. La luz emergente sale polarizada, en otras
    palabras tiene su vibración de campo eléctrico
    confinado a una cierta dirección.

    Cuando luz polarizada se envía a través de
    un segundo polarizador, la luz será transmitida o
    absorbida, dependiendo de la orientación relativa de los
    dos polarizadores. Cuando luz natural no polarizada se refleja
    desde una superficie suave, tal como la superficie de un camino
    mojado, se vuelve polarizada. Una lámina dicróica
    orientada apropiadamente, similar a la usada en anteojos Polaroid
    para el sol, reduce el
    brillo reflectivo por la absorción del componente
    polarizado de la luz.

    ESPECTROSCOPIA

    Es el estudio de la composición energética
    de las radiaciones mediante su análisis espectral y es una potente
    herramienta para los químicos en el reconocimiento de
    sustancias.

    PARTE 4: Historia y
    actualidad de la naturaleza de la luz

    Breve recopilación historica:

    ¿Qué es la luz?. Es Isaac Newton
    (1642 – 1727) el que formula la primera hipótesis científica sobre la
    naturaleza de la luz.

    Modelo corpuscular: Conocida como teoría
    corpuscular o de la emisión, es el primer modelo exitoso
    en explicar el comportamiento
    de la luz. En gran parte se debe a la autoridad de
    Newton, ya que en esa misma época el modelo
    ondulatorio trataba de explicar el mismo
    fenómeno.

    A finales del siglo XVI, con el uso de lentes e
    instrumentos ópticos, empezaron a observar, analizar y
    experimentar los fenómenos luminosos, siendo el
    holandés Willebrord Snell, en 1620, quién
    descubrió de manera experimental 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
    que se propulsaba a velocidad infinita. Sin especificar
    absolutamente nada sobre su naturaleza y rechazando que cierta
    materia fuera
    de los objetos al ojo, explicó claramente el
    fenómeno de reflexión, pero tuvo alguna dificultad
    con la refracción.

    En 1672 Newton envió una breve exposición
    de su teoría de los colores a la Royal Society de Londres.
    Su publicación provocó tantas críticas que
    confirmaron su recelo a las publicaciones, por lo que se
    retiró a la soledad de su estudio en Cambridge. En 1704,
    sin embargo, publicó su obra Óptica, en la
    que explicaba detalladamente su teoría. En esta obra
    explicaba que las fuentes
    luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan
    a gran velocidad y en línea recta. Según su
    teoría la variación de intensidad de la fuente
    luminosa era proporcional a la cantidad de corpúsculos que
    emitía en determinado tiempo. La reflexión de la
    luz consistía en la incidencia de dichos
    corpúsculos en forma oblicua sobre una superficie
    espejada, de manera que al llegar a ella variaba de
    dirección pero siempre en el mismo medio. La igualdad del
    ángulo de incidencia con el de reflexión se
    debía a que tanto antes como después de la
    reflexión los corpúsculos conservaban la misma
    velocidad (debido a que permanecían en el mismo medio). La
    refracción la resolvió expresando que los
    corpúsculos que inciden oblicuamente en una superficie de
    separación de dos medios de distinta densidad son
    atraídos por la masa del medio más denso y, por lo
    tanto, aumenta la componente de la velocidad que es la velocidad
    que es perpendicular a la superficie de separación,
    razón por la cual los corpúsculos luminosos se
    acercan a la normal.

    Según lo expresado por Newton en su obra, la
    velocidad de la luz aumentaría en los medios de mayor
    densidad, lo cual contradice los resultados de los experimentos
    realizados años después. Esta explicación,
    contradictoria con los resultados experimentales sobre la
    velocidad de la luz en medios más densos que el
    vacío, obligó al abandono de la teoría
    corpuscular para adoptar el modelo ondulatorio.

    Modelo ondulatorio: Desde otro punto de vista,
    Christian Huygens (astrónomo, matemático y
    físico holandés) en el año 1678, describe y
    explica lo que hoy se considera las leyes de reflexión y
    refracción. Define a la luz como un
    movimiento ondulatorio
    semejante a la
    propagación del sonido, de tipo
    mecánico, que necesita un medio material para propagarse.
    Supuso tres hipótesis:

    1. Todos los puntos de un frente de ondas son centros
      emisores de ondas secundarias.
    2. De todo centro emisor se propagan ondas en todas
      direcciones del espacio con velocidad distinta en cada
      medio.
    3. Como la luz se propaga en el vacío y necesita
      un material perfecto sin rozamiento, supuso que todo el espacio
      estaba ocupado por éter.

    Las ondas mecánica requieren de algún medio
    material que las transporte,
    para las ondas lumínicas se suponía la existencia
    de una materia
    insustancial e invisible a la cual se le llamó
    éter, la que debía estar esparcida por todo el
    espacio. Justamente la existencia del éter fue el
    principal problema de la teoría
    ondulatoria. 

    En aquella época, la teoría de Huygens no
    fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como se ha
    mencionado, dado al prestigio que alcanzó Newton.
    Pasó más de un siglo para que fuera tomada en
    cuenta gracias a los experimentos del
    médico inglés
    Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias
    luminosas, y los del físico francés Auguste J.
    Fresnel sobre la difracción, que fueron decisivos para que
    se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre
    la luz, la propuesta realizada por Huygens en el siglo
    XVII.

    Thomas Young demostró experimentalmente un hecho
    paradójico que no se podía explicar desde la
    teoría corpuscular: la suma de dos fuentes luminosas
    pueden producir menos luminosidad que por separado. Su
    experiencia consistía en  practicar dos
    minúsculas ranuras muy próximas entre sí
    sobre una tela negra en la que se hace incidir luz de un
    pequeño y distante foco apareciendo sobre la pantalla
    (colocada a determinada distancia de la tela)  en forma de
    líneas alternativamente brillantes y oscuros.
    ¿Cómo explicar el efecto de ambas ranuras, que por
    separado darían un campo iluminado, combinadas producen
    sombra en ciertas zonas? Young logró explicar la
    alternancia de las franjas asociando las ondas de luz al comportamiento
    de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas
    hallándose en concordancia de fase, la vibración
    resultante será intensa y se verá una zona clara.
    Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle
    de la otra, la vibración resultante será nula,
    viéndose una zona oscura. Deducción simple imputada
    a una interferencia y se desarrolla la idea de la luz como
    estado
    vibratorio de una materia insustancial e invisible, el
    éter, al cual se le resucita. (ver
    interferencia
    )

    Ahora bien, la colaboración de Auguste Fresnel
    para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo
    dada por el aporte matemático que le dio rigor a las ideas
    propuestas por Young y la explicación que presentó
    sobre el fenómeno de la polarización al transformar
    el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens y
    ratificado por Young, quien creía que las vibraciones
    luminosas se efectuaban en dirección paralela a la
    propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero
    aquí, y pese a las sagaces explicaciones que incluso rayan
    en las adivinanzas dadas por Fresnel, inmediatamente queda
    presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que
    no es posible que se pueda propagar en el éter la luz por
    medio de ondas transversales, debido a que éstas
    sólo se propagan en medios sólidos.

    En su trabajo, Fresnel explica una multiplicidad de
    fenómenos manifestados por la luz polarizada. Observa que
    dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren,
    pero no lo hacen si están polarizados entre sí
    cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo
    invita a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo
    perpendicularmente en dirección a la propagación y
    establece que ese algo no puede ser más que la propia
    vibración luminosa. La conclusión se impone: las
    vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo
    propusiera, sino perpendiculares a la dirección de
    propagación, transversales.

    Las distintas investigaciones y
    estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en la
    época engendraron aspiraciones de mayores conocimientos
    sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la
    velocidad de la luz con mayor exactitud que la permitida por las
    observaciones astronómicas (En 1670 el astrónomo
    danés Olaf Roemer pudo calcular la velocidad de la luz
    observando el eclipse de una de las lunas de Jupiter). Hippolyte
    Fizeau (1819- 1896) concretó el proyecto en 1849
    con un clásico experimento. Hizo pasar la luz reflejada
    por dos espejos entre los intersticios de una rueda girando
    rápidamente, determinó la velocidad que
    podría tener la luz en su trayectoria, que estimó
    aproximadamente en 300.000 km./s. Después de Fizeau, lo
    siguió León Foucault (1819
    – 1868) al medir la velocidad de propagación de la
    luz a través del agua. Este experimento fue de gran
    interés, ya que sirvió de criterio
    para analizar la veracidad beligerante entre la teoría
    corpuscular y la ondulatoria. La primera teoría
    requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en
    el aire; lo contrario exigía, la segunda. En sus
    experimentos logró comprobar que la velocidad de la luz
    cuando transcurre por el agua es inferior a la que desarrolla
    cuando transita por el aire. La teoría ondulatoria
    adquiere cierta preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el
    camino hacia la gran síntesis
    realizada por Maxwell.

    Velocidad de la Luz: en 1670, por primera vez en
    la historia, el astrónomo danés Olaf Roemer
    (1644-1710) pudo calcular la velocidad de la luz. Se hallaba
    estudiando los eclipses de una de las lunas de Júpiter,
    cuyo período había determinado tiempo atrás.
    Estaba en condiciones de calcular cuales serían los
    próximos eclipses. Se dispuso a observar uno de ellos, y
    con sorpresa vio que a pesar de que llegaba el instante tan
    cuidadosamente calculado por él, el eclipse no se
    producía. El satélite demoró 996 seg. en
    desaparecer. Presupuso que la demora era producida debido a que
    la luz debía recorrer una distancia suplementaria de
    299.000.000 Km., que es el diámetro de la órbita
    terrestre. Su observación anterior correspondía a
    una estación distinta del año y la posición
    de la Tierra no era
    la misma. 

    Suponiendo que la luz se propagara a velocidad constante
    y en línea recta se puede calcular la velocidad de
    propagación dividiendo el espacio recorrido por el tiempo
    tardado: Vluz = 299.000.000 Km : 996 seg. = 300.200
    Km/seg.

    Observaciones posteriores llevaron a la
    conclusión que el atraso en cuestión era de 1.002
    seg., lo cual da por resultado que la velocidad de la luz
    sería de 298.300 Km/seg.

    En 1849, el físico francés Fizeau,
    logró medir la velocidad de la luz mediante una
    experiencia hecha en la Tierra.
    Para calcular la velocidad con la que la luz realizaba el
    recorrido total, colocó una rueda dentada delante del haz
    luminoso, de modo que los dientes bloquearan la luz y los
    espacios intermedios la dejaran pasar. La velocidad de
    rotación de la rueda, muy elevada, se regulaba de modo que
    la luz que pasaba entre dos dientes tuviera justo el tiempo de
    llegar hasta la ventana y volver, antes de ser ocultada por el
    siguiente diente. Conociendo la distancia recorrida por el haz
    luminoso y la velocidad de rotación de la rueda, Fizeau
    obtuvo una medida de la velocidad de la luz 

    La rueda tiene igual cantidad de dientes y espacios
    entre ellos, X dientes y X espacios, por lo tanto su
    perímetro será 2X. Da n vueltas por segundo (que es
    la frecuencia con que gira), o sea que,  por cada segundo
    pasan 2 xn dientes y espacios. El tiempo es inversamente
    proporcional a la frecuencia, de allí que: t =
    (2xn) 1.

    Cuando no llega mas luz al observador es evidente que
    los tiempos de ida y de vuelta son iguales. Aplicando las
    ecuaciones
    de
    MRU
    tenemos: V = 2d / t  = 2d /
    (2xn) – 1 = 2 d . 2 xn = 4 d
    xn

    Fizeau colocó el espejo a 8.633 m del observador,
    la rueda tenía 760 dientes y giraba a 12,6 revoluciones
    por segundo.

    Si aplicamos la fórmula obtenida,
    resultará: v = 313.274 Km./seg.

    León Foucault
    Fizeau (casi simultáneamente), hallaron en 1850 un
    método
    que permite medir la velocidad de la luz en espacios reducidos.
    La idea consiste en enviar un haz de luz sobre un espejo
    giratorio haciéndole atravesar una lámina de vidrio
    semitransparente y semirreflectora, un espejo fijo devuelve el
    rayo y atraviesa luego lámina observándose la
    mancha luminosa en una pantalla. Con este método se
    obtuvo que:  v = 295.680 Km./seg.

    En general todas las mediciones de que se tiene conocimiento
    obtuvieron resultados entre 298.000 Km/seg y 313.300 Km/seg sin
    embargo se toma como velocidad de la luz la de 300.000 Km/seg por
    ser un término medio entre los valores
    obtenidos y por ser una cifra exacta que facilitan los
    cálculos.

    Modelo electromagnético: los
    físicos sabían desde principios del
    siglo XIX que la luz se propaga como una onda transversal (una
    onda en la que las vibraciones son perpendiculares a la
    dirección de avance del frente de ondas). Sin embargo,
    suponían que las ondas de luz requerían
    algún medio material para transmitirse, por lo que
    postulaban la existencia de una sustancia difusa, llamada
    éter, que constituía el medio no observable.
    Maxwell apareció con una teoría que hacía
    innecesaria esa suposición, pero el concepto de
    éter no se abandonó inmediatamente, porque encajaba
    con el concepto newtoniano de un marco absoluto de referencia
    espaciotemporal.


    James Clerk Maxwell
    (1831-1879),
    físico inglés,
    dio en 1865 a los descubrimientos sobre la relación entre
    campos eléctricos y magnéticos había
    realizado el genial autodidacta Michael Faraday, un andamiaje
    matemático y logró reunir los fenómenos
    ópticos y electromagnéticos hasta entonces
    identificados dentro del marco de una teoría de reconocida
    hermosura y de acabada estructura. En
    la descripción que hace de su propuesta,
    Maxwell propugna que cada cambio del
    campo eléctrico engendra en su proximidad un campo
    magnético, e inversamente cada variación del
    campo
    magnético origina uno eléctrico.

    Dado que las acciones
    eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a
    punto, se podrán concebir los cambios periódicos –
    cambios en dirección e intensidad – de un campo
    eléctrico como una propagación de ondas. Tales
    ondas eléctricas están necesariamente
    acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente
    ligadas a ellas (variación de campos inducidos). Los dos
    campos, eléctrico y magnético,
    periódicamente variables,
    están constantemente perpendiculares entre sí y a
    la dirección común de su propagación. Son,
    pues, ondas transversales semejantes a las de la luz. Por otra
    parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se
    puede deducir de las investigaciones
    de Weber y
    Kohlrausch, con la misma velocidad que la luz. De esta doble
    analogía, y haciendo gala de una espectacular volada
    especulativa Maxwell termina concluyendo que la luz consiste en
    una perturbación electromagnética que se propaga en
    el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son
    fenómenos idénticos.

    Veinte años más tarde, Heinrich Hertz
    (1857-1894) comprueba que las ondas hertzianas de origen
    electromagnético tienen las mismas propiedades que las
    ondas luminosas, estableciendo con ello, definitivamente, la
    identidad de
    ambos fenómenos.

    Hertz, en 1888, logró producir ondas por medios
    exclusivamente eléctricos y, a su vez, demostrar que estas
    ondas poseen todas las características de la luz visible,
    con la única diferencia de que las longitudes de sus ondas
    son manifiestamente mayores. Ello, deja en evidencia que las
    ondas eléctricas se dejan refractar, reflejar y polarizar,
    y que su velocidad de propagación es igual a la de la luz.
    La propuesta de Maxwell quedaba confirmada: ¡la existencia
    de las ondas electromagnéticas era una realidad
    inequívoca! Establecido lo anterior, sobre la factibilidad de
    transmitir oscilaciones eléctricas sin
    inalámbricas, se abrían las compuertas para que se
    produjera el desarrollo de
    una multiplicidad de inventivas que han jugado un rol
    significativo en la evolución de la naturaleza humana
    contemporánea.

    Pero las investigaciones de Maxwell y Hertz no
    sólo se limitaron al ámbito de las utilizaciones
    prácticas, sino que también trajeron con ellas
    importantes consecuencias teóricas. Todas las radiaciones
    se revelaron de la misma índole física,
    diferenciándose solamente en la longitud de onda en la
    cual se producen. Su escala comienza
    con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, se
    llegan a la de los rayos ultravioletas, los rayos X, los
    radiactivos, y los rayos cósmicos.

    Sin embargo, la teoría electromagnética
    de
    Maxwell
    , pese a su belleza, deja sin
    explicación fenómenos como el fotoeléctrico,
    y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. En
    consecuencia, pasado el entusiasmo inicial, fue necesario para
    los físicos, como los hizo Planck (a regañadientes)
    en 1900, retomar la teoría corpuscular. La salida al
    dilema que presentaban las diferentes teorías
    sobre la naturaleza de la luz, empezó a tomar forma en
    1895 en la mente de un estudiante de dieciséis
    años, Albert
    Einstein, que en el año 1905, en un ensayo
    publicado en el prestigioso periódico
    alemán Anales de la física, abre el camino para
    eliminar la dicotomía que existía sobre las
    consideraciones que se hacían sobre la luz al introducir
    el principio que más tarde se haría famoso como
    relatividad. 

    La luz es, de acuerdo a la visión actual, una
    oscilación electromagnética que se propaga en el
    vacío cuya longitud de onda es muy pequeña, unos
    6.500 Å para la luz roja y unos 4.500 Å para la luz
    azul. (1Å = un Angstrom, corresponde a una décima de
    milimicra, esto es, una diez millonésima de
    milímetro).

    Por otra parte, la luz es una parte insignificante del
    espectro electromagnético. Más allá del rojo
    está la radiación infrarroja; con longitudes de
    ondas aún más largas la zona del infrarrojo lejano,
    las microondas de
    radio, y luego toda la gama de las ondas de radio, desde las
    ondas de centímetros de longitud, metros y
    decámetros, hasta las ondas largas de
    radiocomunicación, con longitudes de cientos de metros y
    más. Por ejemplo, el dial de amplitud modulada, la llamada
    onda media, va desde 550 y 1.600 kilociclos por segundo, que
    corresponde a una longitud de onda de 545 a 188 metros,
    respectivamente.

    Ondas

    Radio AM

    Onda Corta

    Radio FM

    Microondas

    Infrarrojos

    Ultravioleta

    Rayos x

    Rayos Gamma

    En física, se identifica a las ondas por lo que
    se llama longitud de onda, distancia entre dos máximos y
    por su frecuencia, número de oscilaciones por segundo, que
    se cuenta en un punto, y se mide en ciclos por segundo
    (oscilaciones por segundo). El producto de
    ambas cantidades es igual a la velocidad de propagación de
    la onda.

    En el otro extremos del espectro electromagnético
    se encuentra la radiación ultravioleta, luego los rayos
    x y a longitudes de onda muy diminutas los
    rayos.

    La atmósfera terrestre
    es transparente sólo en la región óptica,
    algo en el infrarrojo y en la zona de ondas de radio. Por ello,
    es que la mayor información que hemos obtenido sobre
    el universo ha
    sido a través de la ventana óptica, aunque en las
    últimas décadas la radioastronomía ha venido
    jugando un rol sustancial en la entrega de conocimientos sobre el
    cosmos, proporcionando datos cruciales.
    Observaciones en el ultravioleta, rayos X, como
    así también de parte del infrarrojo, hay que
    efectuarlas con instrumentos ubicados fuera de la atmósfera de la
    Tierra. Sin
    embargo, es posible también obtener resultados en el
    infrarrojo con instrumentación alojada en observatorios
    terrestres empotrados a gran altura sobre el nivel del mar o con
    tecnología
    puesta en aviones o globos que se eleven por sobre la baja
    atmósfera, que contiene la mayor parte del vapor de agua,
    que es la principal causa de la absorción
    atmosférica en el infrarrojo.

    Dilema actual: Hoy en día no se sabe
    fehacientemente cual es la naturaleza de la luz. Ambos modelos tanto
    el electromagnético como el cuántico, que plantea
    la existencia de los fotones de Einstein, coexisten en un marco
    de incertidumbre. El modelo más fuerte es el
    cuántico ya que la mecánica cuántica después de
    las leyes del movimiento de Newton es la mejor teoría
    experimentalmente probada. Pero la existencia de
    partículas con energía pero sin masa llama mucho la
    atención. Para entender mejor el tema
    podríamos hacer una sencilla analogía: si nosotros
    viviéramos en la prehistoria e
    intentáramos analizar científicamente al viento nos
    encontraríamos en un gran problema. Al no tener
    ningún conocimiento
    previo y tampoco disponer de instrumentos tales como microscopios
    llegaríamos a una conclusión bastante incoherente.
    No nos quedaría más que definir al viento como algo
    con energía y sin masa, porque al no poder verlo y
    si sentirlo (es decir ver que ejerce fuerzas) no
    tendríamos otra opción. Quizás hoy en
    día no tengamos los instrumentos para ver qué son
    verdaderamente los fotones.

    PARTE 4:
    Fotometría

    La luz, al igual que las ondas de radio, los rayos X o
    los gamma es una forma de energía. Si la energía se
    mide en joules (J) en el Sistema Internacional, para
    qué necesitamos nuevas unidades. La razón es
    más simple de lo que parece. No toda la luz emitida por
    una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni
    toda la energía que consume, por ejemplo, una bombilla se
    convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y
    para ello definiremos nuevas magnitudes: el flujo luminoso, la
    intensidad luminosa, la iluminancia, la luminancia, el
    rendimiento o eficiencia
    luminosa y la http://edison.upc.es/curs/llum/fotometria/
    – Cant_luz

    cantidad de luz.

    Flujo luminoso

    Para hacernos una primera idea consideraremos dos
    bombillas, una de 25 W y otra de 60 W. Está
    claro que la de 60 W dará una luz más intensa. Pues
    bien, esta es la idea: ¿cuál luce más? o
    dicho de otra forma ¿cuánto luce cada
    bombilla?

    Para ver el gráfico seleccione la
    opción "Descargar" del menú superior

    Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos sólo
    a la potencia consumida por la bombilla de la cual solo una parte
    se convierte en luz visible, el llamado flujo luminoso.
    Podríamos medirlo en watts (W), pero parece más
    sencillo definir una nueva unidad, el lumen, que tome como
    referencia la radiación visible. Empíricamente se
    demuestra que a una radiación de 555 nm de 1 W de potencia
    emitida por un cuerpo negro
    le corresponden 683 lumen.

    Se define el flujo luminoso como la potencia (W)
    emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo
    humano es sensible. Su símbolo es  y su unidad es el lumen (lm). A la
    relación entre watts y lúmenes se le llama
    equivalente luminoso de la energía y equivale
    a:

    1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

    Flujo luminoso

    Símbolo: 

    Unidad:  lumen
    (lm)

    Intensidad luminosa

    El flujo
    luminoso
    nos da una idea de la cantidad de luz
    que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas
    las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un
    proyector es fácil ver que sólo ilumina en una
    dirección. Parece claro que necesitamos conocer
    cómo se distribuye el flujo en cada dirección del
    espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

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    Diferencia entre flujo e
    intensidad luminosa.

    Se conoce como intensidad luminosa al
    flujo
    luminoso
    emitido por unidad de ángulo sólido
    en una dirección concreta. Su símbolo es I y
    su unidad la candela (cd).

    Intensidad luminosa
     

    Símbolo: I

    Unidad: candela (cd)

    Iluminancia

    Quizás haya jugado alguna vez a iluminar con una
    linterna objetos situados a diferentes distancias. Si  se
    pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente
    iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina
    una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta
    sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de
    iluminancia.

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    Concepto de
    iluminancia.

    Se define iluminancia como el flujo
    luminoso
    recibido por una superficie. Su
    símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un 
    lm/m2.

    Iluminancia

    Símbolo: E

    Unidad: lux (lx)

    Existe también otra unidad, el foot-candle
    (fc), utilizada en países de habla inglesa cuya
    relación con el lux es:

     1 fc  10 lx

     1 lx  0.1 fc

    En el ejemplo de la linterna ya pudimos ver que la
    iluminancia depende de la distancia del foco al objeto iluminado.
    Es algo similar a lo que ocurre cuando hacemos interactuar dos
    imanes, cuando alejamos los imanes la fuerza
    disminuye considerablemente. Lo que ocurre con la iluminancia se
    conoce por la ley inversa de los cuadrados 
    que relaciona la intensidad
    luminosa
    (I) y la distancia a la fuente. Esta
    ley solo es válida si la dirección del rayo de luz
    incidente es perpendicular a la superficie.

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    ¿Qué ocurre si el rayo no es
    perpendicular? En este caso hay que descomponer la iluminancia
    recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la
    superficie.

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    A la componente horizontal de la iluminancia
    (EH) se le conoce como la ley
    del coseno
    . Es fácil ver que
    si   = 0 nos queda la ley inversa de los
    cuadrados. Si expresamos EH y EV en
    función
    de la distancia del foco a la superficie (h) nos
    queda:

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    En general, si un punto está iluminado por
    más de una lámpara su iluminancia total es la suma
    de las iluminancias recibidas:

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    Luminancia

    Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan
    sobre propiedades de las fuentes de luz (flujo
    luminoso
    o intensidad
    luminosa
    ) o sobre la luz que llega a una
    superficie (iluminancia).
    Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo que a fin de
    cuentas es la que
    vemos. De esto trata la luminancia. Tanto en el caso que veamos
    un foco luminoso como en el que veamos luz reflejada procedente
    de un cuerpo la definición es la misma.

    Se llama luminancia a la relación entre
    la intensidad
    luminosa
      y la superficie aparente
    vista por el ojo en una dirección determinada. Su
    símbolo es L y su unidad es la cd/m2.
    También es posible encontrar otras unidades como el stilb
    (1 sb = 1 cd/m2) o el nit
    (1 nt = 1 cd/cm2).

     Luminancia

    Símbolo: L

    Unidad: 
    cd/m2

    Es importante destacar que sólo vemos
    luminancias, no iluminancias.

    Rendimiento luminoso o eficiencia
    luminosa

    Ya mencionamos al hablar del flujo
    luminoso
    que no toda la energía
    eléctrica consumida por una lámpara (bombilla,
    fluorescente, etc.) se transformaba en luz visible. Parte se
    pierde por calor, parte
    en forma de radiación no visible (infrarrojo o
    ultravioleta), etc.

    Para ver el gráfico seleccione la
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    Para hacernos una idea de la porción de
    energía útil definimos el rendimiento
    luminoso
    como el cociente entre el flujo luminoso producido y
    la potencia eléctrica consumida, que viene con las
    características de las lámparas (25 W, 60 W…).
    Mientras mayor sea mejor será la lámpara y menos
    gastará.  La unidad es el lumen por watt
    (lm/W).

    Rendimiento luminoso

     Símbolo: 

    Unidad:  lm / W

    Cantidad de luz

    Esta magnitud sólo tiene importancia para conocer
    el flujo
    luminoso
    que es capaz de dar un flash
    fotográfico o para comparar diferentes lámparas
    según la luz que emiten durante un cierto periodo de
    tiempo. Su símbolo es Q y su unidad es el lumen por
    segundo (lm·s).

    Cantidad de luz
      Q = ·t

     Símbolo:
    Q

    Unidad: 
    lm·s 

    Todos estos conceptos son válidos para la
    iluminación de interiores, en los cuales
    las propiedades de físicas de la fuente luminosa (forma,
    longitud) son despreciables. Para la iluminación de calles, estadios deportivos,
    industrias, se
    utilizan gráficos y diagramas (a
    veces realizados por programas de
    computadoras)
    que si tienen en cuenta los aspectos antes citados.

    Bibliografía:

    Artículos extraídos de Internet acerca de
    Fotometría, Naturaleza de la Luz, óptica
    física y Lentes Delgadas

    Parte de óptica geométrica extraída
    del libro "Física de Tercer Año escuelas de
    educación
    técnica" Carlos R. Miguel.

    Parte de la Luz como onda electromagnética
    extraída del libro "Física para estudiantes de
    Ciencias e
    Ingeniería" Parte dos de
    Hallyday-Resnick.

     

     

    Autor:

    Guido de Giovanni

    alumno de escuela
    técnica

    Profesor a cargo de la corrección: Ing. Jorge
    Ivaldi

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