UNIDAD EDUCATIVA “ALBERTO ENRIQUEZ” TRABAJO DE FISICA NOMBRE: Nina Maigua Suárez CURSO: 6° BGU “C” TEMAS: 1. Ondas Concepto de onda Tipos de ondas Características de las ondas 2. Fenómenos ondulatorios Reflexión de las ondas Refracción de las ondas Difracción de las ondas Interferencia de las ondas 3. El sonido: Una onda longitudinal ¿Cómo se produce el sonido? Velocidad de propagación Cualidades del sonido Efecto Doppler Contaminación acústica Aplicaciones de ondas sonoras 4. La luz: Una onda transversal Naturaleza de la luz Propagación de la luz Reflexión de la luz Refracción de la luz Dispersión de la luz. Espectro El espectro electromagnético
1.- ONDAS CONCEPTO DE ONDAS Una onda es una perturbación que se propaga. Las ondas materiales (todas menos las electromagnéticas) requieren un medio elástico para propagarse. El medio elástico se deforma y recupera vibrando al paso de la onda. La perturbación comunica una agitación a la primera partícula del medio en que impacta (este es el foco de las ondas) y en esa partícula se inicia la onda. La perturbación se transmite en todas las direcciones por las que se extiende el medio con una velocidad constante (siempre que el medio sea isótropo) Una onda transporta energía pero no transporta materia: las partículas vibran alrededor de la posición de equilibrio pero no viajan con la perturbación. Veamos algún ejemplo: La onda que transmite un látigo lleva una energía que se descarga en su punta al golpear. Las partículas del látigo vibran, pero no se desplazan con la onda. Un corcho en la superficie del agua vibra verticalmente al paso de las olas pero no se traslada horizontalmente, eso indica que las partículas de agua vibran pero no se trasladan. TIPOS DE ONDAS •
•
Ondas mecánicas: las ondas mecánicas necesitan un medio elástico (sólido, líquido o gaseoso) para propagarse. Las partículas del medio oscilan alrededor de un punto fijo, por lo que no existe transporte neto de materia a través del medio. Como en el caso de una alfombra o un látigo cuyo extremo se sacude, la alfombra no se desplaza, sin embargo una onda se propaga a través de ella. La velocidad puede ser afectada por algunas características del medio como: la homogeneidad, la elasticidad, la densidad y la temperatura. Dentro de las ondas mecánicas tenemos las ondas elásticas, las ondas sonoras y las ondas de gravedad. Ondas electromagnéticas: las ondas electromagnéticas se propagan por el espacio sin necesidad de un medio, por lo tanto puede propagarse en el vacío. Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico, en relación con un campo magnético asociado. Las ondas electromagnéticas viajan aproximadamente a una velocidad de 300 000 km por segundo, de acuerdo a la velocidad puede ser
agrupado en rango de frecuencia. Este ordenamiento es conocido como Espectro Electromagnético, objeto que mide la frecuencia de las ondas. • Ondas gravitacionales: las ondas gravitacionales son perturbaciones que alteran la geometría misma del espacio-tiempo y aunque es común representarlas viajando en el vacío, técnicamente no podemos afirmar que se desplacen por ningún espacio, sino que en sí mismas son alteraciones del espacio-tiempo. En función de su dirección
•
Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se propagan a lo largo de una sola dimensión del espacio, como las ondas en los muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus frentes de onda son planos y paralelos. • Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en dos dimensiones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un ejemplo son las ondas que se producen en una superficie líquida en reposo cuando, por ejemplo, se deja caer una piedra en ella. • Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres dimensiones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras (mecánicas) y las ondas electromagnéticas. En función del movimiento de sus partículas •
•
Ondas longitudinales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio se mueven o vibran paralelamente a la dirección de propagación de la onda. Por ejemplo, un muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal. Ondas transversales: son aquellas que se caracterizan porque las partículas del medio vibran perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Por ejemplo, las olas en el agua o las ondulaciones que se propagan por una cuerda. En función de su periodicidad •
Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos repetitivos por ejemplo una onda senoidal. • Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o, en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen características diferentes. Las ondas aisladas también se denominan pulsos. Reflexión Se produce cuando una onda encuentra en su recorrido una superficie contra la cual rebota, después de la reflexión la onda sigue propagándose en el mismo medio y los parámetros permanecen inalterados. El eco es un ejemplo de Reflexión. Refracción Es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate. Interferencia Cuando en una región del espacio inciden dos o más ondas, los desplazamientos que producen sobre una partícula del medio se suman algebraicamente. Esto se llama interferencia. CARACTERISTICAS DE LAS ONDAS
A = En aguas profundas. B = En aguas superficiales. El movimiento elíptico de una partícula superficial se vuelve suave con la baja intensidad. 1= Progresión de la onda 2 = Monte 3 = Valle Las ondas periódicas están caracterizadas por crestas o montes y valles, y usualmente es categorizada como longitudinal o transversal. Una onda transversal es aquella con las vibraciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; ejemplos incluyen ondas en
una cuerda y ondas electromagnéticas. Onda longitudinal es aquella con vibraciones paralelas en la dirección de la propagación de las ondas; ejemplos incluyen ondas sonoras. Cuando un objeto corte hacia arriba y abajo en una onda en un estanque, experimenta una trayectoria orbital porque las ondas no son simples ondas transversales sinusoidales. Ondas en la superficie de una cuba son realmente una combinación de ondas transversales y longitudinales; por lo tanto, los puntos en la superficie siguen caminos orbitales. Todas las ondas tienen un comportamiento común bajo un número de situaciones estándar. Todas las ondas pueden experimentar las siguientes: •
Difracción - Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo. • Efecto Doppler - Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas. • Interferencia - Ocurre cuando dos ondas se combinan al encontrarse en el mismo punto del espacio. • Reflexión - Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección. • Refracción - Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad. • Onda de choque - Ocurre cuando varias ondas que viajan en un medio se superponen formando un cono. 2.-FENOMENOS ONDULATORIOS REFLEXION DE LAS ONDAS Se denomina reflexión de una onda al cambio de dirección que experimenta ésta cuando choca contra una superficie lisa y pulimentada sin cambiar de medio de propagación. Si la reflexión se produce sobre una superficie rugosa, la onda se refleja en todas direcciones y se llama difusión. En la reflexión hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo reflejado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de reflexión al formado por la normal y el rayo reflejado. Las leyes de la reflexión dicen que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión y que el rayo incidente, reflejado y la normal están en el mismo plano.
REFRACCIÓN DE LAS ONDAS Se denomina refracción de una onda al cambio de dirección y de velocidad que experimenta ésta cuando pasa de un medio a otro medio en el que puede propagarse. Cada medio se caracteriza por su índice de refracción. En la refracción hay tres elementos: rayo incidente, línea normal o perpendicular a la superficie y rayo refractado. Se llama ángulo de incidencia al que forma la normal con el rayo incidente y ángulo de refracción al formado por la normal y el rayo refractado. Cuando la onda pasa de un medio a otro en el que la onda viaja más rápido, el rayo refractado se acerca a la normal, mientras que si pasa de un medio a otro en el que la onda viaja a menos velocidad el rayo se aleja de la normal. DIFRACCIÓN DE LAS ONDAS Se denomina difracción de una onda a la propiedad que tienen las ondas de rodear los obstáculos en determinadas condiciones. Cuando una onda llega a un obstáculo (abertura o punto material) de dimensiones similares a su longitud de onda, ésta se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Esto quiere decir, que cuando una onda llega a un obstáculo de dimensión similar a la longitud de onda, dicho obstáculo se convierte en un nuevo foco emisor de la onda. Cuanto más parecida es la longitud de onda al obstáculo mayor es el fenómeno de difracción. INTERFERENCIAS DE LAS ONDAS Se denomina interferencia a la superposición o suma de dos o más ondas. Dependiendo fundamentalmente de las longitudes de onda, amplitudes y de la distancia relativa entre las mismas se distinguen dos tipos de interferencias: Constructiva: se produce cuando las ondas chocan o se superponen en fases, obteniendo una onda resultante de mayor amplitud que las ondas iniciales. Destructiva: es la superposición de ondas en antifase, obteniendo una onda resultante de menor amplitud que las ondas iniciales. 3.- EL SONIDO: UNA ONDA LONGITUDINAL ¿COMO SE PRODUCE EL SONIDO?
No hay lugar en el planeta en donde no estemos libres de escuchar un sonido, los hay agradables, tantos como desagradables. El sonido se produce como resultado de la vibración de un cuerpo, que genera unas ondas de compresión en el medio que lo rodea, que al llegar a nuestros oídos transmiten esa energía, modulada en forma de impulso nervioso, hasta el cerebro. Cuando la vibración de origen es regular, el sonido tiene características "musicales" mientras que una vibración irregular suele tener características de "ruido". Un sonido es un fenómeno físico, la cual es una propagación en forma de ondas elásticas audibles o casi audibles que generalmente se propagan a través de un medio bien sea gaseoso, liquido o sólido (u otro medio elástico) que este generando movimiento vibratorio de un cuerpo. La propagación del sonido involucra transporte de energía sin transporte de materia, en forma de ondas mecánicas que se propagan a través de la materia sólida, líquida o gaseosa. Como las vibraciones se producen en la misma dirección en la que se propaga el sonido, se trata de una onda longitudinal. Las cuatro cualidades básicas del sonido son: El tono o Altura: La altura del sonido viene caracterizada por su frecuencia de las ondas sonoras, es decir, por el número de vibraciones o ciclos por segundo, lo cual es expresado en Hertzios (según el S.I.). Cuanto más grave es el sonido emitido, es menor la cantidad de vibraciones por segundo que tiene. Cuanto más agudo, el número de vibraciones es mayor. El oído humano no puede percibir todos los sonidos, pues no todos son emitidos a una misma frecuencia. Para poder escuchar un sonido la frecuencia de esta debe estar comprendida entre 20 a 20.0000 de rango. Por debajo de este rango tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible.
La intensidad: La intensidad es la medida de la cantidad de energía acústica que lleva un sonido. La intensidad a su vez viene determinada por la potencia, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. La unidad con que se mide la intensidad de los sonidos que percibimos es el decibelios (db), esta cualidad la medimos con el sonómetro. Suele denominarse también como volumen. El timbre: El timbre de un sonido es la cualidad con la cual podemos distinguir dos sonidos de igual frecuencia e intensidad emitidos por dos focos sonoros diferentes. El timbre se debe a que generalmente un sonido no es puro y depende principalmente del espectro de emisión en el que se propaga, pero también depende en gran manera de su frecuencia. La duración: Es la cualidad que determina el tiempo de vibración de un objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc. VELOCIDAD DEL SONIDO
La velocidad
del
sonido es
la
dinámica
de
propagación de las ondas sonoras. En la atmósfera terrestre es de 343 m/s (a 20 °C de temperatura, con 50% de humedad y a nivel del mar). La velocidad del sonido varía en función del medio en el que se trasmite. Dado que la velocidad del sonido varía según el medio, se utiliza el número Mach = 1 para indicarla. Así un cuerpo que se mueve en el aire a Mach 2 avanza a dos veces la velocidad del sonido en esas condiciones, independientemente de la presión del aire o su temperatura. La velocidad o dinámica de propagación de la onda sonora depende de las características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las
características de la onda o de la fuerza que la genera. Su propagación en un medio puede servir para estudiar algunas propiedades de dicho medio de transmisión. La velocidad del sonido varía dependiendo del medio a través del cual viajen las ondas sonoras. La definición termodinámica de la velocidad del sonido, para cualquier medio, es a²=(dp/dρ)s es decir la derivada parcial de la presión con respecto de la densidad a entropía constante. La velocidad del sonido varía también ante los cambios de temperatura del medio. Esto se debe a que un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la frecuencia con que se producen las interacciones entre las partículas que transportan la vibración, y este aumento de actividad hace aumentar la velocidad. Por ejemplo, sobre una superficie nevada el sonido es capaz de desplazarse atravesando
grandes
distancias.
Esto
es
posible
gracias
a
las refracciones producidas bajo la nieve, que no es un medio uniforme. Cada capa de nieve tiene una temperatura diferente. Las más profundas, donde no llega el sol, están más frías que las superficiales. En estas capas más frías próximas al suelo, el sonido se propaga con menor velocidad. En general, la velocidad del sonido es mayor en los sólidos que en los líquidos y en los líquidos es mayor que en los gases. Esto se debe al mayor grado de cohesión que tienen los enlaces atómicos o moleculares conforme más sólida es la materia. •
La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 °C) es de 343 m/s. Si deseamos obtener la equivalencia en kilómetros por hora podemos determinarla mediante la siguiente conversión física:
Velocidad del sonido en el aire en km/h = (343 m / 1 s) · (3600 s / 1 h) · (1 km / 1000 m) = 1234,8 km/h. •
En el aire, a 0 °C, el sonido viaja a una velocidad de 331,5 m/s (por cada grado centígrado que sube la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s)
•
En el agua (a 25 °C) es de 1593 m/s.
•
En la madera es de 3700 m/s.
•
En el hormigón es de 4000 m/s.
•
En el acero es de 6100 m/s.
•
En el aluminio es de 6400 m/s.
VELOCIDAD DEL SONIDO DE GASES
Siendo γ el coeficiente de dilatación adiabática, R la constante universal de los gases, T la temperatura en kelvin y M la masa molar del gas. Los valores típicos para la atmósfera estándar a nivel del mar son los siguientes: γ = 1,4 para el aire R = 8,314 J/mol·K = 8,314 kg·m2/mol·K·s2 T = 293,15 K (20 °C) M = 0,029 kg/mol para el aire Aplicando la ecuación de los gases ideales:
En donde P es la presión del gas en pascal, V el volumen del gas en m3 y m es la masa del gas, se puede reescribir como
Donde ρ es la densidad del medio en kg/m3 VELOCIDAD DELSONIDO EN SOLIDOS En sólidos la velocidad del sonido está dada por: donde E es el módulo de Young y ρ es la densidad. De esta manera se puede calcular la velocidad del sonido para el acero, que es aproximadamente de 5.148 m/s.
VELOCIDAD DEL SONIDO EN LIQUIDOS La velocidad del sonido en el agua es de interés para realizar mapas del fondo del océano. En agua salada, el sonido viaja a aproximadamente a 1.500 m/s y en agua dulce a 1.435 m/s. Estas velocidades varían principalmente según la presión, temperatura y salinidad.
La velocidad del sonido (v) es igual a la raíz cuadrada del Módulo de compresibilidad (K) entre densidad (ρ).
CUALIDADES DEL SONIDO Desde el punto de vista de la percepción del sonido por el ser humano los sonidos se caracterizan por su intensidad, tono y timbre. Intensidad La intensidad o el volumen es la cualidad que nos permite clasificar los sonidos en fuertes o débiles y esta relacionada directamente con la magnitud física “Intensidad de la onda” que es la cantidad de energía que transporta la onda por unidad de superficie y unidad de tiempo Tono El tono es una cualidad del sonido que nos permite clasificar los sonidos en altos y graves y esta relacionada directamente con la magnitud física “frecuencia”.Los sonidos graves son los de frecuencia baja y los sonidos altos son los de gran frecuencia.
Timbre El timbre nos permite distinguir dos sonidos de la misma intensidad y la misma frecuencia. Por ejemplo nos permite distinguir el sonido de una trompeta y un violín aunque emitan la misma nota con la misma intensidad.
En general, los sonidos no son de una sola frecuencia, los sonidos suelen tener una onda principal que va acompañada de otras ondas de menor amplitud llamadas armónicos cuya frecuencia es múltiplo de la onda principal; la suma de esas ondas da lugar a una onda que tiene una forma determinada. El timbre está relacionado con la forma de la onda. A continuación puedes ver dos representaciones de ondas de la misma frecuencia principal pero que se diferencian por su forma, es decir se diferencian en los armónicos y por ello si los escucháramos podríamos distinguir los dos sonidos, pues tienen distinto timbre.
¿QUÉ ES EL EFECTO DOPPLER? EFECTO DOPPLER El efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de una onda producido por el movimiento de la fuente respecto a su observador. Este efecto se produce en aquellos casos en los que la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la velocidad de propagación de esas ondas. La variación de la frecuencia de un emisor móvil respecto a una fuente de sonido en movimiento viene dada por la expresión:
donde f' es la frecuencia percibida, f la frecuencia original de la onda, v la velocidad del sonido en el medio y ve la velocidad a la que se desplaza el emisor.
El signo - se aplica para fuentes acercándose al observador y el + para fuentes alejándose. Animación Doppler
En la vida cotidiana este efecto se presenta cuando escuchas la sirena de un vehículo de emergencias. Su velocidad (70 km/h) puede parecer insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1.235 km/h), sin embargo se trata de aproximadamente un 4% de la velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como para provocar que se aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del observador. Cuando un radar de tráfico "te pilla" con exceso de velocidad, es porque mediante este efecto ha calculado tu velocidad y ha encontrado que has sobrepasado la velocidad legal. También en las inspecciones médicas tales como electrocardiogramas se hace uso del efecto Doppler. En el ámbito científico este efecto se utiliza para la predicción del tiempo en radares Doppler y, en el caso de ondas electromagnéticas para estudiar el Universo, a partir del corrimiento hacia el rojo o el azul de la longitud de la luz emitida por las estrellas. CONTAMINACIÓN ACÚSTICA
Podemos definir la contaminación acústica como el exceso de sonido que altera las condiciones ambientales normales en una determinada zona y degrada la calidad de vida de los habitantes de esa zona. El término contaminación acústica hace referencia al ruido (entendido como sonido excesivo y molesto), provocado por la actividad humana (tráfico, industrias, locales de ocio, aviones...), que produce efectos negativos sobre la salud física y mental de las personas.
Un informe de la Organización Mundial de la Salud (OMS), considera los 70 dB (a), como el límite superior deseable. La recomendaciones de la OMS indican que el nivel de intensidad sonora no debe superar los 55 dB por el día y los 45 db por la noche. Por encima de este nivel, el sonido resulta pernicioso para el descanso y la comunicación. Los efectos nocivos de la contaminación sonora pueden ser: • fisiológicos (perdida audición, cefaleas, aumento presión arterial, alteración sistema nerviosos...) • psicológicos (falta de concentración, insomnio, irritabilidad...) Las medidas para reducir la contaminación acústica pueden ser: • preventivas (control de niveles de ruidos de vehículos, industrias...) • paliativas (insonorizaciones) • educativas (formación de los ciudadanos) APLICACIONES DE LAS ONDAS SONORAS Las ondas sonoras, aparte de estimular nuestro oído, se utilizan para numerosas aplicaciones técnicas y científicas. Principalmente se hace uso de los ultrasonidos, sonidos por encima de la frecuencia límite de audición del ser humano. Entre estas aplicaciones cabe destacar las siguientes:
1) El sonar: (del inglés SONAR, acrónimo de Sound Navigation And Ranging, ‘navegación y alcance por sonido') es una técnica que usa la propagación del sonido bajo el agua para navegar, comunicarse y detectar otros buques o bancos de pesca, utilizando la reflexión de la onda de forma similar a la que ocurre con el eco. En el caso más común, un emisor dirige los ultrasonidos en el agua de mar de una frecuencia del orden de 50 000 Hz.
La distancia puede calcularse de una forma sencilla conociendo la velocidad de transmisión de este tipo de ondas en el agua del mar, que aproximadamente tiene un valor vonda ≈ 1500 m/s, según la fórmula:
En el caso de pesqueros permite localizar los bancos de peces ya que un solo pez refleja una parte inapreciable de la onda emitida por el sonar, mientras que un banco formado por varios miles de peces forma una barrera que refleja las ondas y el eco que producen es percibido por el receptor del sonar. 2) Ecografías; siguen un principio similar al del sonar, pero aplicado esta vez en medicina. En una ecografía el aparato, denominado ecógrafo, envía los ultrasonidos a la parte del cuerpo que queremos estudiar. Estos ultrasonidos se desplazan a distinta velocidad en función de la densidad de los tejidos (en algunos de ellos ni siquiera penetran); recogiendo el eco de estos ultrasonidos se transforma la señal recibida en una imagen. La ventaja de las ecografías respecto a otras técnicas como los rayos X es que, al ser la energía de los ultrasonidos mucho menor, no produce daños, lo que permite su aplicación tanto en ginecología como sobre otros órganos sensibles a la radiación. Aplicando esta técnica sucesivamente con ángulos distintos pueden conseguirse imágenes tridimensionales e incluso la sensación de movimiento. En el video puedes ver la ecografía en movimiento de un feto de once semanas. 3) Litotricia; que es el nombre técnico del proceso utilizado para romper cálculos renales y biliales mediante la energía de los ultrasonidos. 4) Otros usos médicos; como la desinfección de material quirúrgico, tratamiento local del dolor muscular o limpiezas dentales. 5) Medida de distancias; en procesos industriales en los que se precisa una tolerancia muy baja con las irregularidades y, con menor precisión, en los autofocos de las cámaras fotográficas y móviles, ajustando para que la imagen salga enfocada. 6) Medida de velocidades; como en los radares de nuestras carreteras, aprovechando el conocido como efecto Doppler que se explica en el siguiente "Para saber más".
7) En el mundo animal; los murciélagos utilizan los ultrasonidos como un sonar para volar en la oscuridad y otros animales como los delfines o las langostas se comunican mediante ultrasonidos. Las ballenas y algunas aves utilizan infrasonidos al comunicarse. 4.- LA LUZ: UNA ONDA TRANSVERSAL NATURALEZA DE LA LUZ La naturaleza física de la luz ha sido uno de los grandes problemas de la ciencia. Desde la antigua Grecia se consideraba la luz como algo de naturaleza corpuscular, eran corpúsculos que formaban el rayo luminoso. Así explicaban fenómenos como la reflexión y refracción de la luz. Newton en el siglo XVIII defendió esta idea, suponía que la luz estaba formada por corpúsculos lanzados a gran velocidad por los cuerpos emisores de luz. Escribió un tratado de Óptica en el que explicó multitud de fenómenos que sufría la luz. En 1678 Huygens defiende un modelo ondulatorio , la luz es una onda. Con este modelo se explicaban fenómenos como la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de explicar. Así la luz era una onda longitudinal, pero las ondas longitudinales necesitan un medio para poder propagarse, y surgió el concepto de éter como el "medio" en el que estamos inmersos. Esto trajó aún más problemas, y la naturaleza del eter fue un quebradero de cabeza de muchos científicos. La solución al problema la dió Maxwell en 1865, la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío. Quedaba ya por tanto resuelto el problema del éter con la aparición de estas nuevas ondas. Maxwell se basó en los estudios de Faraday del electromagnetismo, y concluyó que las ondas luminosas son de naturaleza electromagnética. Una ONDA ELECTROMAGNÉTICA se produce por la variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia. No necesita ningún medio para propagarse, son ondas transversales. Una carga eléctrica oscilando con una determinada frecuencia, produce ondas electromagnéticas de la misma frecuencia. La velocidad con la que se propagan estas ondas en el vacío es:
c = 3 10 8 m/s
PROPAGACIÓN DE LA LUZ La luz se propaga en línea recta en un medio homogéneo. La hipótesis de la propagación de la luz explica varios fenómenos entre los que se puede resaltar. Cuando un rayo de luz penetra en una habitación que está llena de humo, puede observarse que el rayo de luz tiene borde definido, que es una línea recta Cuando se coloca una fuente luminosa en el centro de una habitación, se observa que la luz es capaz de iluminar a todos los objetos opacos. Las sombras proyectadas por estos objetos, se deben a que la luz se propaga en línea recta y los espacios detrás de los objetos opacos son inaccesibles a ella. Eclipses de sol y de luna: ocurre cuando la Luna se mueve a lo largo de una órbita prácticamente circular alrededor de la Tierra, de tal manera que en ciertas ocasiones se interpone entre ésta y el sol. La cámara oscura es una cavidad completamente cerrada en una de cuyas caras se ha practicado un orificio circular muy pequeño. Si se coloca cualquier objeto luminoso (una vela) frente a dicho orificio, capaz de enviar rayos en todas direcciones, se ha de notar que gran parte de esos rayos quedan detenidos en la
pared de la caja. El resto de ellos logra penetrar por el orificio, formándose en la pared interior una imagen de la vela. Esta imagen resultante es invertida y su nitidez depende de la magnitud del orificio, y su tamaño de la profundidad de la caja. REFLEXIÓN DE LA LUZ. La reflexión de la luz es el cambio de Dirección que experimentan sus rayos cuando chocan con algunas superficies. Este cambio de dirección es análogo al que experimenta una bola de billar al chocar con las bandas de la mesa. Supone que tenemos dos medios, A, al aire y B, el de una superficie sobre la que indice un rayo luminoso que al chocar con ella se refleja tomando otra dirección. Lo cual se explica en la imagen: I: Rayo incidente es el que llega a la superficia de separación. R: Rayo reflejado es el que sale de la superficie de separación. N: Normar, recta imaginaria, perpendicular a la superficie de separacion O. î : Ángulo de incidencia formado por el rayo incidenteI con la normal N. ř: Ángulo de reflexión, en el que forma el rayo reflejado R con la normal N. Las dos leyes que rigen la reflexión de la luz son: 1º Ley: El rayo incidente, el reflejado y la normal están en un mismo plano. 2º Ley: El ángulo incidente y reflejado son iguales.
REFRACCIÓN DE LA LUZ. Definimos la refracción como el cambio de velocidad que experimenta el rayo luminoso al pasar de un medio A a otro B. Este cambio de velocidad provoa automáticamente una variación en la dirección de propagación, excepto cuando el rayo incidente es perpendicular a la superficie de separación, en cuyo caso el rayo incidente y el reflejado son el mismo.
Leyes de la Refracción.
1º Ley: Los rayos incidentes I,refractados R y la normal Nestán en el mismo plano. 2º Ley: Considerando el llamado índice de refracción n, del segundo medio B, y que se define como el cociente entre los senos de los ángulos de incidencia î, y de refracción ř, es una cantidad constante:
n = sen sen ř DISPERSIÓN DE LA LUZ Conocemos como luz blanca a la que proviene del Sol. En algunas circunstancias, esa luz se descompone en varias franjas de colores llamadas arco iris. En realidad la luz blanca está formada por toda una gama de longitudes de onda, cada una correspondiente a un color, que van desde el rojo hasta el violeta. Como el índice de refracción de un material depende de la longitud de onda de la radiación incidente, si un rayo de luz blanca incide sobre un prisma óptico, cada radiación simple se refracta con un ángulo diferente. Ladispersión de la luz consiste en la separación de la luz en sus colores componentes por efecto de la refracción. Así, las distintas radiaciones que componen la luz blanca emergen separadas del prisma formando una sucesión continua de colores que denominamos espectro de la luz blanca.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
El espectro electromagnético (o simplemente espectro) es el rango de todas las radiaciones electromagnéticas posibles. El espectro de un objeto es la distribución característica de la radiación electromagnética de ese objeto. El espectro electromagnético se extiende desde las bajas frecuencias usadas para la radio moderna (extremo de la onda larga) hasta los rayos gamma (extremo de la onda corta), que cubren longitudes de onda de entre miles de kilómetros y la fracción del tamaño de un átomo. Se piensa que el límite de la longitud de onda corta está en las cercanías de la longitud Planck, mientras que el límite de la longitud de onda larga es el tamaño del universo mismo, aunque en principio el espectro sea infinito y continuo.
RANGO DEL ESPECTRO El espectro cubre la energía de ondas electromagnéticas que tienen longitudes de onda diferentes. Las frecuencias de 30 Hz y más bajas pueden ser producidas por ciertas nebulosas estelares y son importantes para su estudio. Se han descubierto frecuencias tan altas como 2.9 * 1027 Hz a partir de fuentes astrofísicas. La energía electromagnética en una longitud de onda particular λ (en el vacío) tiene una frecuencia asociada f y una energía fotónica E. Así, el espectro electromagnético puede expresarse en términos de cualquiera de estas tres variables, que están relacionadas mediante ecuaciones.
De este modo, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y energía alta; las ondas de frecuencia baja tienen una longitud de onda larga y energía baja. Siempre que las ondas de luz (y otras ondas electromagnéticas) se encuentran en un medio (materia), su longitud de onda se reduce. Las longitudes de onda de la radiación electromagnética, sin importar el medio por el que viajen, son, por lo general, citadas en términos de longitud de onda en el vacío, aunque no siempre se declara explícitamente. Generalmente, la radiación electromagnética se clasifica por la longitud de onda: ondas de radio, microondas, infrarroja y región visible, que percibimos como luz, rayos ultravioleta, rayos X y rayos gamma. El comportamiento de la radiación electromagnética depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas, y las frecuencias inferiores tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación electromagnética interacciona con átomos y moléculas, su comportamiento también depende de la cantidad de energía por cuanto que transporta. La radiación electromagnética puede dividirse en octavas (como las ondas sonoras). La espectroscopia puede descubrir una región mucho más amplia del espectro que el rango visible de 400 nm a 700 nm. Un espectroscopio de laboratorio común puede descubrir longitudes de onda desde 2 nm a 2500 nm. Con este tipo de aparatos puede obtenerse información detallada sobre las propiedades físicas de objetos, gases o incluso estrellas. La espectrometría se usa sobre todo en astrofísica. Por ejemplo, muchos átomos de hidrógeno emiten ondas de radio que tienen una longitud de onda de 21.12 cm.
TIPOS DE RADIACIÓN Aunque el esquema de clasificación suele ser preciso, en realidad existe algo de trasposición entre tipos vecinos de energía electromagnética. Por ejemplo, las ondas de radio a 60 Hz pueden ser recibidas y estudiadas por astrónomos, o pueden ser conducidas a lo largo de cables como energía eléctrica. También, algunos rayos gamma de baja energía realmente tienen una longitud de onda más
larga que algunos rayos X de gran energía. Esto es posible porque "rayo gamma" es el nombre que se le da a los fotones generados en la descomposición nuclear u otros procesos nucleares y subnucleares, mientras que los rayos X son generados por transiciones electrónicas que implican electrones interiores muy energéticos. Por lo tanto, la diferencia entre rayo gamma y rayo X está relacionada con la fuente de radiación más que con la longitud de onda de la radiación. Generalmente, las transiciones nucleares son mucho más energéticas que las transiciones electrónicas, así que los rayos gamma suelen ser más energéticos que los rayos X. Sin embargo, hay transiciones nucleares de baja energía (p.ej. la transición nuclear de 14.4 keV del Fe-57) que producen rayos gamma que son menos energéticos que algunos de los rayos X de mayor energía. RADIO FRECUENCIA
Las ondas de radio suelen ser utilizadas mediante antenas del tamaño apropiado (según el principio de resonancia), con longitudes de onda en los límites de cientos de metros a aproximadamente un milímetro. Se usan para la transmisión de datos, a través de la modulación. La televisión, los teléfonos móviles, las resonancias magnéticas, o las redes inalámbricas y de radio-aficionados, son algunos usos populares de las ondas de radio. Las ondas de radio pueden transportar información variando la combinación de amplitud, frecuencia y fase de la onda dentro de una banda de frecuencia. El uso del espectro de radio está regulado por muchos gobiernos mediante la asignación de frecuencias. Cuando la radiación electromagnética impacta sobre un conductor, se empareja con él y viaja a lo largo del mismo, induciendo una corriente eléctrica en la superficie de ese conductor mediante la excitación de los electrones del material de conducción. Este efecto (el efecto piel) se usado en las antenas. La radiación electromagnética también puede hacer que ciertas moléculas absorban energía y se calienten, una característica que se utiliza en en los microondas. MICROONDAS La frecuencia super alta (SHF) y la frecuencia extremadamente alta (EHF) de las microondas son las siguientes en la escala de frecuencia. Las microondas son ondas los suficientemente cortas como para emplear guías de ondas metálicas tubulares
de diámetro razonable. La energía de microondas se produce con tubos klistrón y tubos magnetrón, y con diodos de estado sólido como los dispositivos Gunn e IMPATT. Las microondas son absorbidas por la moléculas que tienen un momento dipolar en líquidos. En un horno microondas, este efecto se usa para calentar la comida. La radiación de microondas de baja intensidad se utiliza en Wi-Fi. El horno microondas promedio, cuando está activo, está en un rango cercano y bastante poderoso como para causar interferencia con campos electromagnéticos mal protegidos, como los que se encuentran en dispositivos médicos móviles y aparatos electrónicos baratos. RAYOS T
La radiación de terahertzios (o Rayos T) es una región del espectro situada entre el infrarrojo lejano y las microondas. Hasta hace poco, este rango estaba muy poco estudiado, ya que apenas había fuentes para la energía microondas en el extremo alto de la banda (ondas submilimétrica o también llamadas ondas terahertzios). Sin embargo, están apareciendo aplicaciones para mostrar imágenes y comunicaciones. Los científicos también buscan aplicar la tecnología de rayos T en las fuerzas armadas, donde podrían usarse para dirigirlas a las tropas enemigas, ya que las ondas de alta frecuencia incapacitan los equipos electrónicos. RADIACIÓN INFRARROJA
La parte infrarroja del espectro electromagnético cubre el rango desde aproximadamente los 300 GHz (1 mm) hasta los 400 THz (750 nm). Puede ser dividida en tres partes: * Infrarrojo lejano, desde 300 GHz (1 mm) hasta 30 THz (10 µm). La parte inferior de este rango también puede llamarse microondas. Esta radiación es absorbida por los llamados modos rotatorios en las moléculas en fase gaseosa, mediante movimientos moleculares en los líquidos, y mediante fotones en los sólidos. El
agua en la atmósfera de la Tierra absorbe tan fuertemente esta radiación que confiere a la atmósfera efectividad opaca. Sin embargo, hay ciertos rangos de longitudes de onda ("ventanas") dentro del rango opaca¡o que permiten la transmisión parcial, y pueden ser usados en astronomía. El rango de longitud de onda de aproximadamente 200 µm hasta unos pocos mm suele llamarse "radiación submilimétrica" en astronomía, reservando el infrarrojo lejano para longitudes de onda por debajo de los 200 µm. * Infrarrojo medio, desde 30 a 120 THz (10 a 2.5 µm). Los objetos calientes (radiadores de cuerpo negro) pueden irradiar fuertemente en este rango. Se absorbe por vibraciones moleculares, es decir, cuando los diferentes átomos en una molécula vibran alrededor de sus posiciones de equilibrio. Este rango es llamado, a veces, región de huella digital, ya que el espectro de absorción del infrarrojo medio de cada compuesto es muy específico. * Infrarrojo cercano, desde 120 a 400 THz (2500 a 750 nm). Los procesos físicos que son relevantes para este rango son similares a los de la luz visible.
RADIACIÓN VISIBLE (LUZ) La frecuencia por encima del infrarrojo es la de la luz visible. Este es el rango en el que el Sol y las estrellas similares a él emiten la mayor parte de su radiación. No es probablemente una coincidencia que el ojo humano sea sensible a las longitudes de onda que el sol emite con más fuerza. La luz visible (y la luz cercana al infrarrojo) son absorbidas y emitidas por electrones en las moléculas y átomos que se mueven desde un nivel de energía a otro. La luz que vemos con nuestros ojos es realmente una parte muy pequeña del espectro electromagnético. Un arco iris muestra la parte óptica (visible) del espectro electromagnético; el infrarrojo (si pudiera verse) estaría localizado justo a continuación del lado rojo del arco iris, mientras que el ultravioleta estaría tras el violeta. La radiación electromagnética con una longitud de onda entre aproximadamente 400 nm y 700 nm es detectado por el ojo humano y percibida como luz visible. A otras longitudes de onda, sobre todo al infrarrojo cercano (más largo de 700 nm) y al ultravioleta (más corto que 400 nm) también se les llama luz a veces, sobre todo cuando la visibilidad para los humanos no es relevante.
Si la radiación que tiene una frecuencia en la región visible del espectro electromagnético se refleja en un objeto, como por ejemplo un plato hondo de fruta, y luego impacta en nuestros ojos, obtenemos una percepción visual de la escena. El sistema visual de nuestro cerebro procesa la multitud de frecuencias reflejadas en diferentes sombras y matices, y a través de este fenéomeno psicofísico que todavía no se entiende completamente, es como percibiríamos los objetos. En la mayor parte de las longitudes de onda, sin embargo, la información transportada por la radiación electromagnética no es directamente descubierta por los sentidos humanos. Las fuentes naturales producen radiación electromagnética a través del espectro, y nuestra tecnología también puede manipular un amplio rango de longitudes de onda. La fibra óptica transmite luz que, aunque no es adecuada para la visión directa, puede transportar datos que luego son traducidos en sonido o imagen. La codificación usada en tales datos es similar a lo que se usa con las ondas de radio. LUZ ULTRAVIOLETA La siguiente frecuencia en el espectro es el ultravioleta (o rayos UV), que es la radiación cuya longitud de onda es más corta que el extremo violeta del espectro visible. Al ser muy energética, la radiación ultravioleta puede romper enlaces químicos, haciendo a las moléculas excepcionalmente reactivas o ionizándolas, lo que cambia su comportamiento. Las quemaduras solares, por ejemplo, están causadas por los efectos perjudiciales de la radiación UV en las células de la piel, y pueden causar incluso cáncer de piel si la radiación daña las moléculas de ADN complejas en las células (la radiación UV es un mutágeno). El Sol emite una gran cantidad de radiación UV, lo que podría convertir rápidamente la Tierra en un desierto estéril si no fuera porque, en su mayor parte, es absorbida por la capa de ozono de la atmósfera antes de alcanzar la superficie. RAYOS X
Los rayos X duros tienen longitudes de onda más cortas que los rayos X suaves. Se usan generalmente para ver a través de algunos objetos, así como para la física de alta energía y la astronomía. Las estrellas de neutrones y los discos de acreción alrededor de los agujeros negros emiten rayos X, lo que nos permite estudiarlos.
Los rayos X pasan por la mayor parte de sustancias, y esto los hace útiles en medicina e industria. También son emitidos por las estrellas, y especialmente por algunos tipos de nebulosas. Un aparato de radiografía funciona disparando un haz de electrones sobre un "objetivo". Si los electrones se disparan con suficiente energía, se producen rayos X. RAYOS GAMMA
Son los fotones más energéticos, y no se conoce el límite más bajo de su longitud de onda. Son útiles a los astrónomos en el estudio de objetos o regiones de alta energía, y son útiles para los físicos gracias a su capacidad penetrante y su producción de radioisótopos. La longitud de onda de los rayos gamma puede medirse con gran exactitud por medio de dispersión Compton. No hay ningún límite exactamente definido entre las bandas del espectro electromagnético. Algunos tipos de radiación tienen una mezcla de las propiedades de radiaciones que se encuentran en las dos regiones del espectro. Por ejemplo, la luz roja se parece a la radiación infrarroja en que puede resonar algunos enlaces químicos.