La luz: naturaleza y propagación, conceptos fundamentales de física

PROCESOS Y MEDIOS DE COMUNICACIÓN

TEMA 1: LA LUZ NATURALEZA Y PROPAGACIÓN

TEMA 1 La Luz: Naturaleza y Propagación Procesos y medios de comunicación Miguel Enol Martínez Herrojo

MIGUEL ENOL MARTÍNEZ HERROJO 1TEMA 1: LA LUZ NATURALEZA Y PROPAGACIÓN PROCESOS Y MEDIOS DE COMUNICACIÓN TEMA 1 La Luz, naturaleza y propagación. Espectro visible. Especialidad continua y discontinua. Reflexión, tipos de reflexión. Refracción, leyes de Snell, grados de desplazamiento. Absorción, interferencia, difracción y polarización de la luz. Magnitudes características. Autora: Elena García Esquema:

1. Introducción.
2. La luz.
3. Naturaleza y propagación.
   1. .- Naturaleza de la luz.
   2. .- Propagación rectilínea de la luz.
4. Espectro visible.
5. Espectralidad continua y discontinua.
6. .- Reflexión, tipos de reflexión.
   1. .- Reflexión.
   2. .- Leyes de Snell para la reflexión.
   3. .- Tipos de reflexión.
7. .- Refracción, Leyes de Snell, grados de desplazamiento.
   1. Refracción.
   2. Leyes de Snell para la refracción
   3. Grados de desplazamiento
8. .- Absorción, interferencia, difracción y polarización de la luz.
   1. Absorción de la luz.
   2. Interferencia de la luz.
      1. .- Interferencia constructiva.
      2. .- Interferencia destructiva.
   3. Difracción de la luz.
   4. Polarización de la luz.
9. .- Magnitudes características.
   1. Energía luminosa (Qv).
   2. Potencia luminosa o flujo luminoso (Pv).
   3. Intensidad luminosa (I).
   4. Luminancia (L).
   5. Iluminación o iluminancia (E).
      1. a Ley de Lambert o Ley del cuadrado inverso.
   6. Exitancia luminosa (Mv).
   7. Rendimiento luminoso ( ).
   8. Cantidad de luz (Q).
   9. Color.
   10. Intensidad.
   11. Calidad.
10. .- Conclusiones.
11. .- Referencias bibliográficas y documentales.

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1. INTRODUCCIÓN.

La luz es una forma de onda electromagnética, por lo que posee las propiedades físicas de ésta: es irradiada a partir de una fuente luminosa (sol, lámpara artificial, etc.), es capaz de salvar el vacío, se desplaza en forma de ondas de forma rectilínea a una velocidad de 300.000 km/seg.

La característica que permite distinguir la luz de otros tipos de energía electromagnéticas es la longitud de onda. Dependiendo del valor de la longitud de onda se puede manifestar en forma de rayos cósmicos, rayos gamma, rayos X, rayos ultravioletas, luz (espectro visible), rayos infrarrojos, ondas de radar, ondas de radio.

2 .- LA LUZ.

La luz se puede definir como una de las formas de energía electromagnética que se encuentran en la Naturaleza. Al tener una longitud de onda muy corta, sus unidades de medida deben ser especiales, siendo la más frecuente el Angstrom (A), que es la diezmillonésima parte de un milímetro.

La luz es una energía radiante, es una forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o rayos X, se puede propagar tanto en el vacío como en medios materiales, su velocidad de propagación es de 300.000 km por segundo en el vacío, aunque esta velocidad disminuye, en función de la densidad del medio en el que se está realizando la propagación.

La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas en un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por 4 el ojo humano. Las diferentes frecuencias, van desde aproximadamente 4.10 vibraciones 4 por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7,5-10 vibraciones por segundo en la luz violeta.

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3. NATURALEZA Y PROPAGACIÓN.

3.1 Naturaleza de la luz.

Hasta mediados del siglo XVII se creía que la luz estaba formada por corpúsculos que eran emitidos por los focos luminosos, tales como el Sol o la llama de una vela, que viajaban en línea recta y que atravesaban los objetos transparentes pero no los opacos, excitando el sentido de la vista al penetrar en el ojo. Gran parte de la popularidad de esta teoría residía en el prestigio científico de algunos de sus proponentes como Isaac Newton que había formulado leyes ópticas compatibles con esta descripción corpuscular de la luz, éste se apoyaba en que la trayectoria seguida por los corpúsculos es rectilínea y por ello la luz se propaga en línea recta.

En 1660 Huygens demostró que las leyes de la óptica podían explicarse basándose en la suposición de que la luz tenía naturaleza ondulatoria. Huygens se apoyaba en el hecho de que la propagación rectilínea y la reflexión se pueden explicar ondulatoriamente.

En 1827 los experimentos de Young y Fresnel sobre interferencias, y otras experiencias posteriores de Foucault sobre medidas de velocidad de la luz en el seno de líquidos, mostraron que la teoría corpuscular era poco apropiada para explicar determinados fenómenos ópticos.

En 1873 se produjo un avance sustancial en la comprensión de la naturaleza de la luz, cuando los estudios teóricos de Maxwell sobre los campos eléctrico y magnético le permitieron aunar ambos en una única teoría denominada electromagnetismo, en la que se deducía de manera natural la existencia de ondas electromagnéticas desplazándose a la velocidad de la luz, de donde se deducía que la naturaleza de esta debía ser electromagnética. La teoría se demostró cierta en los experimentos realizados por Hertz en 1888 y, hacia finales del siglo XIX, se creía que el conocimiento acerca de la naturaleza de la luz era completo.

Sin embargo, la teoría electromagnética clásica no podía explicar la emisión de electrones por un conductor cuando incide luz sobre su superficie, fenómeno conocido como efecto fotoeléctrico. Este efecto consiste en la emisión espontánea de electrones (o la generación de una diferencia de potencial eléctrico) en algunos sólidos (metálicos o semiconductores) irradiados por luz. Fue descubierto y descrito experimentalmente por Heinrich Hertz en 1887 y suponía un importante desafío a la teoría electromagnética de la luz. En 1905, el joven físico Albert Einstein presentó una explicación del efecto fotoeléctrico basándose en una idea propuesta anteriormente por Planck para la emisión espontánea de radiación lumínica por cuerpos cálidos y postuló que la energía de un haz luminoso se hallaba concentrada en pequeños paquetes, que denominó cuantos de energía y que en el caso de la luz se denominan fotones. El mecanismo del efecto fotoeléctrico consistiría en la transferencia de energía de un fotón a un electrón. Cada fotón tiene una energía proporcional a la frecuencia de vibración del campo electromagnético que lo conforma.

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Posteriormente, los experimentos de Millikan demostraron que la energía cinética de los fotoelectrones coincidía exactamente con la dada por la fórmula de Einstein.

El punto de vista actual es aceptar el hecho de que la luz posee una doble naturaleza que explica de forma diferente los fenómenos de la propagación de la luz (naturaleza ondulatoria) y de la interacción de la luz y la materia (naturaleza corpuscular). Esta dualidad onda/partícula, postulada inicialmente únicamente para la luz, se aplica en la actualidad de manera generalizada para todas las partículas materiales y constituye uno de los principios básicos de la mecánica cuántica.

3.2 Propagación rectilínea de la luz.

La luz se propaga con una trayectoria rectilínea y con una velocidad constante en cada medio. Cuando incide en un objeto se comporta de muy diversas maneras, según esto podemos encontrarnos los siguientes casos: reflexión, refracción, dispersión, difracción, transmisión, absorción y polarización.

La luz se propaga a partir de las fuentes en todas las direcciones posibles. Se propaga a través de la atmósfera, y aún donde no hay atmósfera; y se sigue propagando indefinidamente mientras no se encuentre con un obstáculo que le impida el paso. Además, la luz viaja en línea recta mientras no haya nada que la desvíe y mientras no cambie el medio a través del cual se está propagando.

La luz emitida por las fuentes luminosas es capaz de viajar a través de la materia o en ausencia de ella, aunque no todos los medios permiten que la luz pase a su través. En un medio que además de ser transparente sea homogéneo, es decir, que mantenga propiedades idénticas en cualquier punto del mismo, la luz se propaga en línea recta. La velocidad con que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro.

Debido a esta propagación rectilínea de la luz, detrás de los cuerpos opacos iluminados queda un espacio oscuro perfectamente delimitado que se denomina sombra. Las sombras forman parte inseparable de cualquier dispositivo de iluminación, y en función del tipo de fuente luminosa la sombra que proyectarán será de una forma o de otra. Cuando la luz se desplaza por un medio constante y llega a otro diferente, la luz puede ser absorbida, reflejada o transmitida.

4 .- ESPECTRO VISIBLE.

El espectro electromagnético es un conjunto de energías, entre las que se encuentra la luz visible al ojo humano, que es lo que podría definirse como espectro visible. La luz tal como la conocen nuestros ojos, es decir, el espectro visible, es una franja muy estrecha de energía electromagnética que abarca desde los 4000 A a los 7000 A. Los valores de

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frecuencia inferior a los comprendidos en el espectro visible, se conocen como rayos infrarrojos, y los superiores como ultravioletas.

Existe una relación entre la frecuencia y la longitud de onda de cualquier radiación electromagnética, que viene dada en función de la velocidad de propagación de la luz en el medio material, esta es:

Donde: A =longitud de onda de la radiación en metros. f = frecuencia de la radiación en Hz. e = velocidad de propagación de la luz en el medio material, para el vacío tiene un valor de 8 3.10 m/seg.

Dentro de este espectro visible cada longitud de onda produce un estímulo diferente dentro del ojo, y cada uno de estos estímulos es reconocido como un color diferente.

Nuestros ojos pueden ver la luz de longitudes de onda entre 380 (violeta) y 780 nm. (rojo). Por debajo y por encima de este espectro están las llamadas radiaciones invisibles: la ultravioleta, por debajo de la violeta y la infrarroja, por encima del rojo.

Los objetos aparecen coloreados cuando poseen la propiedad de absorber luz de cierta longitud de onda y reflejan el resto.

Hay dos tipos de objetos visibles: aquellos que por sí mismos emiten luz y los que la reflejan. El color de estos depende del espectro de la luz que incide y de la absorción del objeto, la cual determina qué ondas son reflejadas.

La luz blanca se produce cuando todas las longitudes de onda del espectro visible están presentes en proporciones e intensidades iguales.

5 .- ESPECTRALIDAD CONTINUA Y DISCONTINUA.

Con el análisis del espectro de la energía radiante se puede conocer la temperatura, composición y velocidad radial de los objetos celestes. El calor informa de la temperatura. Los rayos espectrales oscuros o brillantes de los elementos y el desplazamiento del espectro, hacia el IR o el UV, de la velocidad según el efecto Doppler.

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