Estudio De La Luz, Propiedades Y Características

 

La óptica es la parte de la física que se ocupa del estudio de la luz y de sus fenómenos. Podemos encontrar varios autores que definen la luz de diferentes formas. El precursor de estos estudios fue Newton, que definía la luz como un chorro de partículas provenientes de una fuente que producían una sensación de visión al entrar en el ojo. Según Maxwell y Hertz la luz es una onda que no necesita soporte material para propagarse ya que se propaga transversalmente.

La luz es una forma de energía que se origina en los objetos luminosos y que se transmite por el vacío y por los medios transparentes (cuerpos que dejan pasar la luz y se puede ver a través de ellos). Estos cuerpos luminosos emiten una fracción de energía que llega a nuestros ojos, provocando así la visión, que es la sensación que produce la luz cuando llega a nosotros. Este libro concluye que la luz es el nexo de unión entre el mundo de los seres vivos y el inanimado.

Otro autor que nos habla de la luz es Tipler P. A., definiéndola como ondas electromagnéticas con movimiento ondulatorio. También nos explica que la luz tiene doble naturaleza, es decir, según Tipler la luz se comporta como materia en movimiento, tiene naturaleza corpuscular y como onda marcha asociada a la materia.

Propiedades

La luz se transmite de varias formas. Además, cuenta con varias propiedades, una de ellas es la propagación rectilínea, a cada dirección que toma la luz se le denomina rayo luminoso.

Si la luz no fuera en línea recta esas ondas podrían rodear los objetos que se encontrara en su camino y no se generaría sombra. Cuando se proyecta un foco luminoso en un plano se pueden distinguir tres partes: la penumbra, la zona que está iluminada y la sombra. La penumbra es la zona en la que solo llegan algunos rayos de luz. La zona iluminada percibe todos los rayos de luz. La sombra es la parte que no recibe luz. Cuando la sombra es más alargada, mayor es el ángulo que forma el rayo de luz con la superficie en que se proyecta.

Cuando un rayo de luz alcanza una superficie de dos medios distintos, se refleja o rebota. A esta característica de la luz se le denomina reflexión de la luz. El rayo que llega a la superficie se le llama rayo incidente, y al rayo que sale rebotado se le llama rayo reflejado. El ángulo incidente del rayo de luz coincidirá con el ángulo reflejado.

En superficies pulidas como los espejos se refleja total o parcialmente la luz. Y si ésta es una superficie plana la forma de las imágenes será igual en forma y tamaño que el objeto real. Pero cuando la superficie es curva, cóncava o convexa, poseen un amplio campo de visión, pero las imágenes serán de menor tamaño que las reales. El ejemplo más claro lo conocemos con el retrovisor de un coche.

La dispersión de la luz se produce cuando un rayo se refracta en algún medio y quedan sus colores separados, como en el Arco Iris cuando llueve, la luz del sol (blanca) incide en las gotas separando los colores, dado que cada uno tiene una frecuencia distinta. Incluso el que el ojo humano no puede ver, que es el más oscuro y el más cálido, el infrarrojo, éste posee una onda superior al rojo. Por el contrario la que posee una longitud de onda más corta que el violeta se denomina ultravioleta. Las ondas electromagnéticas: ondas transversales típicas, además de las ondas sobre cuerdas.

Frecuencia de onda

“La frecuencia es el número de vibraciones que se realizan en la unidad de tiempo o el número de ciclos por segundo” 

Intensidad de onda.

“La intensidad de cualquier onda es la energía por unidad de área, por unidad de tiempo; en la práctica, es la potencia promedio transportada por la onda a través de un área unitaria perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Suponga que en un tiempo una cantidad de energía atraviesa el área que es perpendicular a la dirección de propagación de la onda”.

Velocidad de onda

“La velocidad es una cantidad vectorial que abarca la rapidez y la dirección del movimiento. Si un objeto experimenta un desplazamiento vectorial en un intervalo de tiempo”.

“La dirección del vector velocidad es igual que la del vector desplazamiento. Las unidades de la velocidad (y la rapidez) son las de la distancia dividida entre el tiempo, como m/s o km/h”.

“La velocidad instantánea es la velocidad promedio evaluada para un intervalo de tiempo que tiende a cero. Por tanto, si se somete un objeto a un desplazamiento en un tiempo, la velocidad instantánea para ese objeto es donde la notación significa que se va a evaluar la razón para un intervalo de tiempo que tiende a cero”.

Longitud de onda

“En las ondas sonoras la dirección de vibración es paralela a la dirección de propagación”.

Características

La particularidad de la luz es que se propaga tanto en línea recta como en todas direcciones, además con una velocidad de 300.000 km/seg: por eso un año luz equivale a la distancia que recorre la luz en un año (10 bill de km).

Espectro electromagnético de la luz

En los estudios de Newton reflejados en el libro de Tipler P. A. vemos que fue el primero en darse cuenta que la luz blanca es una mezcla de luz que contiene todos los colores, de aproximadamente igual intensidad. Para este estudio utilizó un prisma de vidrio.

La energía electromagnética es la energía que reside en la interacción de los campos eléctricos y magnéticos.

El espectro de la luz es un conjunto de energías. Dentro de este espectro encontramos la luz visible, es decir, la luz que percibimos con los ojos. Este espectro visible es una franja muy estrecha de energía electromagnética que abarca una longitud de onda desde los 4.000 hasta los 7.000. Los valores que se abarcan inferiores a los anteriores reciben el nombre de rayos infrarrojos y los que se posicionan en una frecuencia superior son los rayos ultravioleta.

Podemos distinguir dos tipos de radiación: las que se encuentran presentes en la naturaleza y las que son artificiales. Dentro de estos dos tipos la radiación se divide en dos categorías:

La radiación ionizante que es de alta frecuencia y puede ocasionar daño a las células. Aquí encontraríamos: Rayos gamma, radiografías, rayos UV (alta energía) microondas y partículas subatómicas ondas de radio.

La radiación no ionizante que es de baja frecuencia y no se considera una causa de cáncer, excepto en el caso de los rayos UV. Aquí encontraríamos: Rayos UV (baja energía), luz visible y rayos infrarrojos.

Sólo las longitudes de onda asociadas a la región visible pueden afectar el ojo humano, produciendo la percepción del color. A estas longitudes de ondas las llamamos “luz”. La región visible del espectro comprende un rango de longitudes de onda que va desde los 350 nm que es el color violeta, hasta los 800 nm que es el color rojo. Las regiones ultravioleta (uv) e infrarroja (IR) caen a ambos lados de la región visible.

Basándonos en Tipler P. A. en el espectro interviene la propagación ondulatoria de campos eléctricos y magnéticos en el espacio con una velocidad de 3x〖10〗^8 m/s en el vacío. Estas ondas electromagnéticas son originarias de la aceleración de las cargas eléctricas y para diferenciar los tipos de ondas electromagnéticas debemos fijarnos en su frecuencia y en su longitud de onda. Tipler P. A. explica que nuestro ojo humano es sensible a la radiación electromagnética de longitud de onda denominada luz visible, es decir, la comprendida entre 4x〖10〗^(-7) m y 7x〖10〗^(-7)aproximadamente.

Finalmente García E. (2007) nos ayuda a complementar el espectro de la luz añadiendo que los objetos aparecen con color cuando tienen la propiedad de absorber luz cierta longitud de onda y reflejar el resto. Además, la luz blanca se produce cuando todas las longitudes de onda del espectro visible se encuentran de igual proporción e intensidad.

Rayos UV: Según Tipler P. A. la luz ultravioleta son longitudes de onda más allá del margen visible y es una radiación electromagnética que se encuentra un poco distante de la parte de longitud de onda más corta del intervalo visible. Los rayos UV más cercanos al intervalo visible son menos peligrosos, y son los que origina el sol. Los rayos UV más cercanos a los rayos gamma son más peligrosos y pueden causar la muerte debido a que ionizan nuestras células y al quitarnos electrones nos producen anomalías.

Reflexión de la luz

La reflexión es un fenómeno que aparece cuando se produce una pequeña desviación de la trayectoria en línea recta de la luz. Este cambio de dirección se produce cuando un rayo de luz viaja por un medio transparente y cambia hacia otro medio diáfano. Una cuestión que podemos destacar es que la velocidad que posee la luz en el vacío tiene una mayor rapidez que cuando viaja en cualquier otro medio.

A partir de esta cuestión que acabamos de destacar debemos hablar del índice de refracción, el cual, es una medida en la que podemos saber la reducción de la velocidad que sufre la luz causada por el cambio del medio sobre el que se propaga

Se define la reflexión de la luz como un fenómeno aparece cuando un rayo de luz que se desplaza en un medio encuentra un límite que se dirige a un segundo medio, una parte o el rayo completo se refleja en el primer medio.

Además expone que existen diversos tipos de reflexión en los cuales influye el tipo de superficie en la que se reflejan. Estos tipos de reflexión son los siguientes:

Reflexión especular o regular

La reflexión especular como un fenomeno se presenta cuando la superficie en la que se refleja tiene la peculiaridad de estar lisa o pulida, es decir, sin tener un carácter rugoso y de esta manera da lugar a una reflexión de la luz hacia una única dirección. Se podría decir que esta superficie pulida, actúa a modo de espejo reflejando la luz.

En esta reflexión hay que hacer un pequeño matiz para aclarar algunos conceptos básicos como pueden ser rayos incidentes y rayos reflejados en los que los rayos incidentes son aquellos que son emitidos desde un punto y los rayos reflejados, su propia palabra lo define, son los rayos que han sufrido el fenómeno de la reflexión y por tanto se reflejan en otro punto)

Reflexión difusa

También expone que si la superficie tiene un carácter rugoso o irregular, el rayo incidente se refleja hacia todas las direcciones debido a que la pared no tiene una estructura uniforme, es decir, al tener la peculiaridad de carecer de una superficie lisa en la que se proyecte, el rayo reflejado se dispersa en todas las direcciones.

Reflexion Interna Total

Este tipo de reflexión se caracteriza por que la luz que se produce se reflejará en la parte interior del medio con un índice de refracción mayor. Esta reflexión se guía por las mismas leyes que se rige la reflexión de la luz, las cuales,  citando a Euclides son:

“Ley 1. El rayo incidente y el reflejado está en un mismo plano.

Ley 2. El ángulo con el que incide un rayo sobre una superficie es igual que el ángulo que forma con ella el rayo reflejado.”

Propagación/ Transmisión de la luz

Existen diversas formas en los que se puede transmitir la luz de un medio a otro medio distinto. Estas formas son las siguientes:

• Dispersión Simple: También se puede denominar “Dispersión por un solo obstáculo” y se puede explicar de la siguiente manera. El campo electromagnético polariza un obstáculo. Debido a esta polarización se crea una nuevo campo electromagnético tanto en el objeto polarizado como alrededor de él.
•  Retrodispersion Coherente: En esta forma de propagación de luz, las ondas se mueven a lo largo de su trayectoria en sentidos opuestos, es decir, estas ondas se interfieren unas a otras y dificultan la construcción de la luz. Dicho de otra manera, podríamos plantear la idea de que una onda puede regresar a su punto de origen tras propagarse a lo largo de la trayectoria en ese medio.

Difracción

El fenómeno de la difracción de la luz, sucede en el borde de los obstáculos que va encontrando la luz cuando se propaga, y se desvía o se dispersa. Es un movimiento ondulatorio característico que se explica por el principio de Huygons, el cual dice; que cada punto en un frente de onda que avanza, se le puede considerar una fuente de nueva onda u onda secundaria, las cuales se combinan.

La difracción se refiere a la desviación de la propagación en línea recta que ocurre cuando una onda pasa al otro lado de una obstrucción parcial. Usualmente corresponde al doblamiento o dispersión de las ondas alrededor de las orillas de una abertura y de obstáculos. La forma más simple de la difracción de la luz es la del campo lejano o difracción Fraunhofer. Se observa en una pantalla que está lejana de la abertura u obstáculo que obstruye un flujo incidente de ondas planas. La difracción pone un límite en el tamaño de los detalles que se pueden observar ópticamente’.

Refracción

De acuerdo con García, es un fenómeno que sucede cuando un rayo de luz desvía su trayectoria al atravesar una superficie de separación “entre medios diferentes según la ley de refracción”. Sucede esto porque la luz se propaga a diferente velocidad en cada uno de ellos. Es decir, es el cambio de dirección que sufre un rayo de luz al pasar de un medio transparente a otro que tiene una densidad diferente.

Los grados de desplazamiento:

• Es la desviación del rayo incidente respecto del normal cuando éste se ha refractado. Depende tanto de la densidad de las sustancias, del ángulo sobre el que se incide y la longitud de onda del rayo incidente.
• Cuando la luz pasa de un medio de propagación a otro, sufre un cambio de velocidad que acompaña, si no entra perpendicularmente, un cambio de dirección en su trayectoria, debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes materiales”.

En resumen, la refracción es la desviación de los rayos de luz cuando pasan de un medio a otro, ya que cuando los rayos van por un mismo medio (aire), van rectos, sin embargo, cuando cambia de medio (líquido), se empiezan a desviar.

¿En qué punto se produce esta desviación de los rayos de luz? 

Este punto es el que se conoce como punto focal, es decir, la distancia que existe entre el centro óptico de la lente y el foco.

Descomposición de la luz blanca

La luz blanca como aquella que viene directamente del Sol, la cual se puede descomponer en franjas de colores a la que llamamos arcoíris. La luz blanca se forma por una gama de longitudes de onda, donde cada una se corresponde con un color, que va desde el rojo hasta el violeta.

Cuando esta luz atraviesa algún objeto, obliga a las distintas ondas que forman la luz blanca a moverse a distintas velocidades, obteniendo como resultado el espectro visible de la luz blanca o arcoíris.

Esta descomposición se empieza a estudiar en el S.XVIII, debido al filósofo, astrónomo y matemático Isaac Newton, quien en 1666 empezó a realizar experimentos sobre los colores, haciendo pasar por un prisma un rayo de luz. Newton designó espectro a la ordenación de colores desde el violeta hasta el rojo. A través de la realización de distintos experimentos concluyó su idea de que la luz blanca está formada por colores, donde cada color está asociado con una longitud de onda específica.

Por tanto, si un rayo de sol o de luz blanca atraviesa un vidrio, se observa como esta luz se descompone y se separa en luces de distintos colores; como el rojo, amarillo, naranja, azul, violeta y verde.

Podemos concluir que la luz blanca se forma con todos los colores nombrados, al penetrar los colores en el vidrio, cada color tiene una desviación diferente, por esto el haz de luz que penetra en el vidrio se muestra en forma multicolor.

El proceso de que la luz blanca se separe en distintos colores lo llamamos, descomposición de la luz.

Conclusión

Como resumen de este trabajo, hemos aprendido la importancia de la luz debido a que es la encargada de detectar objetos, así como la existencia de objetos que no permiten que la luz pase a través de ellos.

Técnicamente, podemos definir la luz como toda radiación electromagnética capaz de ser percibida por nuestro sentido de la vista, mientras que la luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible. Dentro de sus características destacamos que es una onda electromagnética de alta frecuencia compuesta por partículas sin masa, que contienen energía, siendo una manifestación de esta. Un fenómeno que sucede cuando un haz de luz choca con la superficie partiendo del haz luminoso vuelve a propagarse por el mismo medio, pero en otra dirección. Cuando la superficie es lisa, lo llamaremos reflexión especular, en cambio si la superficie es irregular, reflexión difusa.

Para finalizar definimos la luz blanca como la composición de diferentes colores, desplazándose cada uno de ellos desplazándose a diferentes velocidades, longitudes de onda y usando diferentes cantidades de energía.