Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................... 1 TEORÍA SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ ........................................................................................ 2 LUZ MONOCROMÁTICA ...................................................................................................................... 4 REFLEXIÓN DE LA LUZ.......................................................................................................................... 5 REFRACCIÓN DE LA LUZ....................................................................................................................... 6 DOBLE REFRACCION DE LA LUZ ........................................................................................................... 8 DISPERCION DE LA LUZ ........................................................................................................................ 9 Causas ........................................................................................................................................... 9 POLARIZACIÓN DE LA LUZ ................................................................................................................. 11 Polarización de ondas ............................................................................................................... 11 Formas de polarización ............................................................................................................. 11 Polarización por absorción ........................................................................................................ 12 Polarización por reflexión .......................................................................................................... 13 LESTES CÓNCAVOS Y CONVEXOS ...................................................................................................... 13 Lente convexo ......................................................................................................................... 14 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ...................................................................................................... 15 CARACTERÍSTICAS DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ................................................................. 16 BIBLIOGRAFIAS .................................................................................................................................. 18 INTRODUCCIÓN 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 d e corpúsculos. Huygens fue el primero en afirmar que la luz era una onda: suponía (como que el era un sonido) movimiento que se ondulatorio propaga de en tipo mecánico un supuesto medio elástico que llena todo y que se conocía con el nombre de éter. El hecho real la luz parecía presentar torias. la teoría Maxwell, es que características corpusculares al tiempo que ondula en ondulatoria 1873, contribuyó demostrando que la decisivamente luz no era a otra cosa que una onda electromagnética. 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 300 000 km/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). 1 TEORÍA SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ Los antiguos filósofos ya conocían algunos hechos sobre la propagación de la luz. Así se atribuye a Euclides el descubrimiento de las leyes de la reflexión de la luz (300 ane) Es a mediados del XVII cuando aparecen casi conjuntamente dos teorías acerca de la naturaleza de la luz. Teoría CORPUSCULAR (1666) y teoría ONDULATORIA (1678) TEORIA CORPUSCULAR(NEWTON) Supone que la luz está compuesta por una serie de corpúsculos o partículas emitidos por los manantiales luminosos, los cuales se propagan en línea recta y que pueden atravesar medios transparentes, y pueden ser reflejados por materias opacas. Esta teoría explica: La propagación rectilínea de la luz, la refracción y reflexión. Esta teoría no explica: Anillos de Newton (Irisaciones en las láminas delgadas de los vidrios) Este fenómeno lo explica la teoría ondulatoria y lo veremos más adelante. Tampoco explica los fenómenos de interferencia y difracción. TEORIA ONDULATORIA (HUYGENS) Esta teoría explica las leyes de la reflexión y la refracción , define la luz como un movimiento ondulatorio del mismo tipo que el sonido. Como las ondas se trasmiten en el vacío, supone que las ondas luminosas necesitan para propagarse un medio ideal, el ETER, presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales. Esta teoría tiene una dificultad fundamental que es precisamente la hipótesis del éter. Tenemos que equiparar las vibraciones luminosas a las vibraciones elásticas transversales de los sólidos, y no transmitiendo por tanto vibraciones longitudinales. Existe, pues, una contradicción en la naturaleza del éter, ya que por un lado debe ser un sólido incompresible y por otro no debe oponer resistencia al movimiento de los cuerpos. (Nota: Las ondas transversales solo se propagan en medios sólidos) Esta teoría no fue aceptada debido al gran prestigio de Newton. Tuvo que pasar más de un siglo para que se tomara nuevamente en consideración la "Teoría Ondulatoria". Los experimentos de Young (1801) sobre fenómenos de interferencias luminosas, y los de Fresnel sobre difracción fueron decisivos para que se tomaran en consideración los estudios de Huygens y para la explicación de la teoría ondulatoria. Fue también Fresnel (1815) quien explicó el fenómeno de la polarización transformando el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens, en transversal. Existe, sin embargo, una objeción a esta teoría, puesto que en el éter 2 no se puede propagar la luz por medio de ondas transversales, ya que éstas solo se propagan en medios sólidos. TEORIA ELECTROMAGNETICA (MAXWELL 1865) Descubre que la perturbación del campo electromagnético puede propagarse en el espacio a una velocidad que coincide con la de la luz en el vacío, equiparando por tanto las ondas electromagnéticas con las ondas luminosas. Veinte años después Hertz comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo definitivamente la identidad de ambos fenómenos. Objeciones a ésta teoría: No se da explicación a: o o o Fenómenos por absorción o emisión. Fenómenos fotoeléctricos. Emisión de luz por cuerpos incandescentes. Y por lo tanto es necesario volver a la teoría corpuscular, como hizo Planck en 1900. TEORIA DE LOS CUANTOS (PLANCK 1900) Esta teoría establece que los intercambios de energía entre la materia y la luz, solo son posibles por cantidades finitas. (cuantos) átomos de luz, que posteriormente se denominarán fotones. Esta teoría tropieza con el inconveniente de no poder explicar los fenómenos de tipo ondulatorio: Interferencias, difracción, .... Nos encontramos nuevamente con dos hipótesis contradictorias, la teoría electromagnética y la de los cuantos. MECANICA ONDULATORIA (DE BROGLIE 1924) Auna la teoría electromagnética y la de los cuantos, herederas de la ondulatoria y corpuscular respectivamente, evidenciando la doble naturaleza de la luz. Esta teoría establece así la naturaleza corpuscular de la luz en su interacción con la materia (procesos de emisión y absorción)y la naturaleza electromagnética en su propagación. 3 LUZ MONOCROMÁTICA El color de la luz es uno de los cinco factores que condicionan la iluminación. Según su color, podemos agrupar la luz en tres grandes grupos según sea luz monocromática, luz blanca o luz RGB, pues cada uno de ellos nos aportará ciertas ventajas que deberemos aprovechar según convenga, a la hora de inspeccionar el objeto de estudio. En DCM Sistemes, las referencias y sus equivalentes en color para la luz monocromática, son las siguientes: Icono Color Ultravioleta Ultravioleta Azul Verde Rojo Infrarrojo Blanco RGB Long. de onda 365nm 400nm 470nm 525nm 630nm 850/880nm - Código 365 400 470 525 630 850/880 W00 - RGB La luz monocromática es aquella formada por componentes de un sólo color. Es decir, es aquella que tiene una única longitud de onda correspondiente a cada color. Se utiliza, normalmente, en cámaras monocromáticas. Muy útil 4 para resaltar algunas características concretas, puesto que cada color provee mejor visibilidad en ciertos aspectos y mediante contrastes, ya que todos los colores opuestos se absorben. A este tipo de luz se le pueden añadir filtros para separar los anchos de banda o reducir los efectos de la luz ambiental. La luz ultravioleta e infrarroja, aunque estén situadas fuera del espectro visible, son mu útiles para inspeccionar materiales como los polímeros, donde la luz infrarroja considerablemente es más efectiva. También resulta útil cuando la diferencia por contraste de color no es muy evidente, ya que esta luz se basa en las diferencias en los planos de composición. La luz ultravioleta se utiliza en superficies que reaccionan a este tipo de luz devolviéndonos una luz de longitud de onda mayor a la UV que se llama fluorescencia y que es lo que la cámara capta. REFLEXIÓN DE LA LUZ La reflexión de la luz es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre en un mismo medio después de incidir sobre la superficie de un medio distinto. Se rige por dos principios o leyes de la reflexión: El rayo incidente, el reflejado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo plano El ángulo del rayo incidente iˆ y el de reflexión rˆ son iguales iˆ=rˆ Reflexión El ángulo que forman el rayo incidente y el reflejado con la normal a la superficie de separación (en color rojo) es el mismo. 5 En la reflexión no cambia la velocidad de la luz v, ni su frecuencia f, ni su longitud de onda λ. Atendiendo a las irregularidades que pueden existir en la superficie de reflexión, podemos distinguir dos tipos de reflexiones de la luz: Reflexión especular: Se produce cuando las irregularidades del medio son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la luz incidente y se proyectan varios rayos sobre este. Reflexión difusa: Se produce cuando las irregularidades del medio son de un orden de magnitud comparable al tamaño de la longitud de onda de la luz incidente y se proyectan varios rayos sobre este Reflexión especular y difusa A la izquierda, la reflexión especular en la que los rayos se mantienen paralelos tras producirse la reflexión. A la derecha, la reflexión difusa donde los rayos se entrecruzan unos con otros en todas direcciones. REFRACCIÓN DE LA LUZ La refracción de la luz es el cambio de dirección de los rayos de luz que ocurre tras pasar estos de un medio a otro en el que la luz se propaga con distinta velocidad. Se rige por dos principios o leyes de la refracción: El rayo incidente, el refractado y la normal a la superficie en el punto de incidencia están en el mismo plano 6 La ley de Snell de la refracción, que marca la relación entre el ángulo de incidencia iˆ , el de refracción rˆ , y los índices de refracción absolutos de la luz en los medios 1 y 2, n1 y n2, según: sin(iˆ)sin(rˆ)=n2n1 Refracción La refracción de la luz ocurre cuando esta pasa de un medio transparente con un determinado índice de refracción a otro, también transparente, con uno distinto. Observa, en la imagen de la izquierda, que cuando la velocidad de propagación en el nuevo medio es menor, y por tanto es mayor el índice de refracción, el rayo se acerca a la normal. En la imagen de la derecha vemos el caso contrario, en el que el rayo se aleja de la normal. No confundas el ángulo rˆ en los casos de reflexión y refracción. Hemos optado por darles el mismo nombre ya que lo habitual es que te centres en uno u otro fenómeno. Si vas a resolver un ejercicio en el que tengas que estudiar ambos a la vez, te recomendamos que cambies el nombre a cualquiera de ellos. Ten presente que el rayo reflejado permanece en el medio del rayo incidente. El rayo refractado, en cambio, pasa a uno distinto. Por otro lado, observa que a partir de las relaciones que se establecen entre el índice de refracción absoluto y el relativo podemos escribir: sin(iˆ)sin(rˆ)=n2n1=[1]v1v2=n2,1[1] n=cv 7 Donde v1 y v2 es la velocidad de la luz en los medios 1 y 2 respectivamente y n2,1 es el índice de refracción relativo del medio 2 respecto al 1 DOBLE REFRACCION DE LA LUZ Cada onda se descompone en dos ondas Cuando un rayo de luz atraviesa un cristal anisótropo se descompone en dos rayos cuyas ondas vibran en planos perpendiculares. Uno de los rayos cumple con las leyes físicas de la refracción (rayo ordinario) mientras que el otro no (rayo extraordinario). Ambos tienen valores diferentes del índice de refracción (vibran con direcciones diferentes). Ambos rayos siguen caminos diferentes dentro del cristal, pero a la salida de este se puede considerar que siguen caminos paralelos aunque las direcciones de vibración continuan siendo perpendiculares. 8 Esta simplificación es correcta ya que en una emisión de ondas luminosas hay un número infinito de rayos paralelos y, como se muestra en la figura siguiente, el componente extraordinario de un rayo (3e) se superpone con el componente ordinario (2o) de una onda inmediatamente próxima. El resultado es que a la salida del cristal por cada onda primitiva existen dos que vibran en planos perpendiculares siguiendo un único camino de propagación. DISPERCION DE LA LUZ La dispersión de la luz es el fenómeno por el cual distintas longitudes de onda se refractan con ángulos distintos al atravesar medios materiales. Arco Iris El arcoiris es quizás el ejemplo más conocido de dispersión que se da en la naturaleza de forma natural. En este apartado vamos a desvelar algunas claves para que puedas entender por qué se produce este fenómeno. A continuación vamos a ver: Por qué se produce Cómo medirla, a través del número de Abbe Algunos ejemplos habituales Causas Sabemos que la velocidad de la luz en el vacío es constante e independiente de su longitud de onda. Sin embargo, su velocidad en cualquier otro medio distinto del vacío sí que depende de la longitud de onda que tenga. Esta dependencia se 9 debe a las estructuras moleculares de los materiales y es la responsable de que, en última instancia, el índice de refracción dependa de la longitud de onda. Índice de refracción de distintos medios en función de la longitud de onda. Las curvas azules de la figura representan la variación con la longitud de onda del índice de refracción de distintos cristales. La luz visible se encuentra en el rango aproximado de 400 - 700 nm. La ley de Snell de la refracción determina que el ángulo de refracción dependa de los índices de refracción de los medios según: n1⋅sin(iˆ)=n2⋅sin(rˆ)⇒rˆ=sin−1(n1n2⋅sin(iˆ)) Así, podemos afirmar que: El ángulo de refracción de un rayo de luz al atravesar un medio material depende de su longitud de onda. En el fenómeno de la dispersión de la luz las distintas longitudes de onda que componen un rayo tomarán un ángulo de refracción ligeramente distinto. Observa que para que se produzca dispersión la luz debe estar compuesta por varias longitudes de onda. A este tipo de luz se la denomina luz poli cromática y como ejemplo más claro podemos señalar la luz que proviene del sol. 10 POLARIZACIÓN DE LA LUZ En la polarización, las características transmitidas por una onda se «filtran» en una dirección de desplazamiento entre todas las direcciones aleatorias inicialmente posibles. Este fenómeno presenta particular interés en el caso de la luz, donde la polarización del campo electromagnético que se transmite permite aprovechar con fines específicos la energía asociada. Polarización de ondas En las ondas mecánicas, se llama vector polarización al que define el desplazamiento instantáneo de las partículas del medio sometidas a la oscilación ondulatoria. Este vector puede apuntar, en principio, en cualquier dirección para cada partícula. En las ondas longitudinales, entendidas como aquellas en que las partículas vibran en la dirección de desplazamiento de la onda, el vector polarización es colineal con la dirección de propagación. En las ondas transversales, donde las partículas del medio oscilan en dirección perpendicular a la del movimiento de la onda, el vector polarización está siempre contenido en un plano normal a la dirección de propagación. Estas consideraciones sobre la polarización son extensibles también a las ondas electromagnéticas, como en la luz. El desplazamiento instantáneo de las partículas del medio sometidas a un movimiento de oscilación según una onda mecánica adopta inicialmente cualquier dirección y se expresa por medio del vector de polarización. Formas de polarización Dentro de las ondas transversales, el movimiento del vector polarización tiene lugar en un plano perpendicular a la propagación de la onda. Para precisar con mayor exactitud la naturaleza de este movimiento, se consideran dos situaciones típicas: Cuando el vector polarización se mantiene en un plano que contiene la dirección de propagación, las partículas del medio oscilan en una recta cuya dirección no varía de un punto a otro. En tal caso, se dice que la onda está linealmente polarizada. Si el vector polarización describe una curva compleja dentro del plano perpendicular a la dirección de propagación, la oscilación de las partículas 11 puede apreciarse como una superposición de vibraciones no coloniales. Entonces, se dice que la onda no está polarizada. Un caso interesante de esta situación se produce cuando la onda está polarizada circularmente. En las ondas electromagnéticas, la propagación de la onda no se acompaña de la vibración de las partículas del medio. Una onda de estas características está formada por la propagación de un campo eléctrico y otro magnético que varían con el tiempo en planos mutuamente perpendiculares y normales también a la dirección de propagación. Por convenio, se toma uno cualquiera de los vectores de ambos campos como vector polarización; normalmente se elige el campo eléctrico. En condiciones normales, en estas ondas no existe ningún desplazamiento específico del vector polarización, que presenta un movimiento aleatorio. Por tanto, las ondas electromagnéticas comunes, como la luz en estado natural, no están polarizadas. En la luz natural, el vector campo eléctrico que se desplaza con la onda varía continuamente dentro de un plano perpendicular a la dirección de propagación según direcciones aleatorias. Polarización por absorción Aunque las ondas electromagnéticas en estado natural, como la luz, no están polarizadas, es posible obtener formas concretas de polarización mediante la aplicación de diversos procedimientos. Uno de los más habituales consiste en interponer en la trayectoria del haz electromagnético un elemento polarizador. Los polarizadores más habituales están constituidos por largas cadenas de hidrocarburos (u otras sustancias) que se distinguen porque transmiten la luz de forma que, a la salida de las mismas, queda polarizada en la dirección perpendicular a estas cadenas. En este tipo de polarización, la componente del campo eléctrico (elegido como vector de polarización) paralela a las cadenas de hidrocarburos induce en ellas corrientes eléctricas que provocan la absorción de la energía de esta componente. Como resultado, en la salida sólo se conserva la parte de la energía de la componente perpendicular de dicho campo eléctrico. Este fenómeno se conoce como polarización por absorción. 12 Polarización por reflexión Cuando la luz natural incide sobre una superficie plana de separación entre dos medios, por ejemplo, el aire y el vidrio, experimenta un fenómeno conjugado de reflexión y refracción (o transmisión) parciales. En los casos en que el rayo reflejado en esta superficie y el refractado tengan direcciones perpendiculares entre sí, la luz reflejada se polariza en su totalidad en la dirección perpendicular al plano de incidencia. Este fenómeno fue observado por primera vez por el físico escocés David Brewster (1781-1868).Teniendo en cuenta la ley de Snell (ver t50), se obtiene que: donde n1 es el índice de refracción del primer medio, n2 el del segundo y ap el ángulo de polarización (que coincide con el de incidencia). De ello se deduce que: LESTES CÓNCAVOS Y CONVEXOS Las lentes cóncavos están curvadas hacia dentro. La luz que atraviesa una lente cóncavo se desvía hacia fuera (diverge). A diferencia de las lentes convexos, que producen imágenes reales, las cóncavos sólo producen imágenes virtuales, es decir, imágenes de las que parecen proceder los rayos de luz. En este caso es una imagen más pequeña situada delante del objeto (el trébol). En las gafas o anteojos para miopes, las lentes cóncavos hacen que los ojos formen una imagen nítida en la retina y no delante de ella. Las cóncavas son más delgadas en el medio y más gruesas a los lados, mientras que las convexas son más finas a los lados y gruesas en el centro. A las cóncavas también se les llama divergentes, mientras que a las convexas también se les conoce como convergentes. Las lentes cóncavas ofrecen imágenes virtuales, mientras que las convexas ofrecen imágenes reales. Cóncavo significa “hueco” o “redondeado”, mientras que convexo significa “curvado”. Las lentes cóncavas se utilizan para corregir problemas de la vista corta, mientras que las convexas se usan para corregir problemas de la vista larga. Las lentes cóncavas se utilizan en las gafas para míopes, las mirillas de las puertas, algunos telescopios mientras que las convexas se usan en cámaras, proyectores, telescopios simples, lupaS. 13 Las lentes cóncavas tienen una longitud focal negativa, mientras que las convexas la tienen positiva. GREGORIO ZAPATA AGUIRRES Lente convexo LENTES CONCAVOS Y CONVEXOS ROSARIO DE LA ROSA TORRES Un lente convexo o convergente es más grueso en el centro que en sus bordes. El eje principal del lente es una línea imaginaria perpendicular al plano del lente que pasa por su punto medio. Se extiende hacia ambos lados del lente. A cierta distancia del lente a lo largo del eje principal se encuentra el punto focal (F). Los rayos de luz que inciden en un lente convexo paralelos al eje principal se juntan o convergen en este punto. La longitud focal del lente depende tanto de la forma como del índice de refracción del material del que está hecho. Como con los espejos, un importante punto denominado 2F se encuentra alejado a una distancia dos veces mayor que la longitud focal. Si el lente es simétrico, el punto focal (F) y el punto 2F se localizan a las mismas distancias en cualesquiera de los lados del lente. Espectro electromacnetico El denominado Espectro Electromagnético o simplemente espectro es el tipo de rango de todas las radiaciones electromagnéticas que sean posibles. El espectro de 1 objeto es la distribución de una forma característica de la radiación electromagnética de dicho objeto. El Espectro Electromagnético se suele extender desde las bajas frecuencias que son utilizadas para la radio moderna que es el extremo de la onda larga hasta los conocidos rayos gamma que son el extremo de la onda corta, que tienden a cubrir unas longitudes de onda de entre miles de km y también la fracción del tamaño de 1 átomo. Se llega a pensar que el límite de la longitud de la onda corta se encuentra en las cercanías de la longitud de Planck, mientras que en el caso del límite de la 14 longitud de la onda larga suele ser el tamaño del universo mismo, sin embargo, en el principio el espectro tiende a ser infinito y continuo. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Se le llama Espectro Electromagnético a la gran repartición energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. El cual es referido a un objeto que se le llama como Espectro Electromagnético o de una manera más simple espectro a la radiación electromagnética que es la que irradia, el cual consiste en un espectro de emisión o que tiende a absorber que se trata de un espectro de absorción de una sustancia. Dicha radiación sirve para poder llegar a identificar la sustancia de una manera análoga a 1 huella dactilar. Los Espectro Electromagnético se pueden llegar a observar por medio de los llamados espectroscopios que, al mismo tiempo pueden llegar a permitir el poder ver el espectro, y también tienden a permitir realizar las medidas necesarias sobre el mismo, como, por ejemplo, la: Longitud de la Onda Frecuencia Intensidad de la Radiación 15 El Espectro Electromagnético se suele extender desde la radiación de una menor longitud de onda, tales como, por ejemplo: Los Rayos Gamma Los Rayos X Llegando a pasar por la radiación ultravioleta, por la luz visible y también por la radiación infrarroja, hasta llegar a las ondas electromagnéticas de una mayor longitud de onda, como lo suele ser las ondas de radio. CARACTERÍSTICAS DEL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO El Espectro Electromagnético tiende a cubrir 1 región de longitudes de la onda que suelen variar en unas 22 órdenes de magnitud, y que va desde los llamados rayos 16 gamma hasta las ondas de radio. Exclusivamente una mínima parte de él suele ser visible al ojo humano. La radiación que tiende a contribuir de un modo muy importante al balance energético del Planeta Tierra se encuentra formada por las ondas electromagnéticas con unas longitudes de onda entre los más o menos los 100 nm y los 100 µm. El espectro que se encarga de estudiar en relación con la atmósfera se llega a extender de la radiación de la onda corta ( UV ) a la región de las ondas microondas. A continuación mencionaremos algunos de los elementos básicos de las ondas electromagnéticas, y también de las regiones espectrales que tienden a ser fundamentales en la teledetección. 17 BIBLIOGRAFIAS https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/metrologia-y-normalizacion/3-1-introduccion-ala-optica/ http://misistemasolar.com/espectro-electromagnetico/ http://www.educaplus.org/luz/polarizacion.html https://prezi.com/nwwwl_7uzhai/lentes-concavos-y-convexos/ https://www.fisic.ch/contenidos/ondas-y-la-luz/polarizaci%C3%B3n-de-la-luz-1/ https://www.ecured.cu/Dispersi%C3%B3n_de_la_luz 18
