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domingo, 30 de octubre de 2011

Interferencia



                 
 iPara analizar el fenómeno de interferencia al igual que con el de difracción es necesario considerar que la luz está formada por ondas.  
           
Cuando se cuzan dos o más ondas de la misma naturaleza y de igual longitud de onda se produce el fenómeno de interferencia. i


La interferencia luminosa fue descubierta por Tomás Young, en 1801, al realizar el siguiente experimento:


En una pantalla hizo un pequeño orificio y en otra, dos orificios muy
pequeños y próximos entre sí.
iAl hacer incidir luz solar sobre el orificio de la primera pantalla, la luz difractada iluminaba los orificios de la otra pantalla, originando dos nuevos haces luminosos que eran recibidos en otra pantalla,

pudiendo observarse franjas luminosas intercaladas con oscuras, las cuales se originan por la interferencia entre las ondas luminosas.


Para profundizar

Utiliza el siguiente simulador de interferencia de ondas para reproducir el fenòmeno, variando la longitud de onda, la amplitud, la cantidad de docos emisores, el espaciamiento, las rendijas y la separaciòn de las mismas.
Realiza un informe de lo que pudiste comprobar y envìa el informe al profesor tutor.


Simulador


s



Las zonas claras representan las crestas de las ondas
y   las zonas oscuras los valles.
iCuando se cruzan dos crestas sus efectos se suman, aumentando la amplitud de las mismas y por lo tanto se produce interferencia constructiva.
Esto se debe a que las ondas allí están en fase.





Si se superponen las líneas oscuras también se produce
interferencia constructiva porque aumenta la amplitud de los valles.
f
En cambio donde se cruzan una cresta con un valle los efectos se anulan, originando una franja                                     oscura.
En este caso hay una interferencia destructiva ya que las ondas allí están
en oposición de fase.
i


La Luz

¿Qué es la luz?  


 v

El conocimiento del mundo que nos rodea lo obtenemos a través de los sentidos de la vista y el oído.
Estos son estimulados por medio de ondas que componen el espectro electromagnético.


luz

"La luz es un fenómeno físico que ocurre fuera de los seres humanos, mientras que la sensación lumninosa es un hecho subjetivo que sucede en las personas, originando la percepción visual".

Para que la visión sea posible se necesitan tres elementos:
-un cuerpo que emita luz (fuente luminosa)
-un cuerpo que refleje la luz (cuerpo iluminado)
-y un cuerpo que la perciba (sentido de la vista o cámara fotográfica,
 por ejemplo).


o
La luz forma parte del espectro electromagnético, en particular, la zona comprendida entre los 750 y los 390 nm (nanometros), denominada espectro visible.e
"La luz consiste en ondas
 electromagnéticas, sensibles al ojo humano, que transportan energía luminosa a través del espacio".

o          
La luz es una onda de tipo transversal que se puede propagar en el vacío, donde alcanza una velocidad máxima aproximada de 3 · 108 m/s.

En otros medios diferentes al vacío, la velocidad de la luz es siempre menor. En el agua es de 225.000 km/s, y en el vidrio, de 200.000 km/s.
 

Cuerpos luminosos e iluminados:


Los cuerpos luminosos se
clasifican en:

  1. Luminosos          
  2. Iluminados  e
                                     
 b      

Fuentes luminosas

                                       
   fuentes
Son los cuerpos que emiten luz.
Pueden hacerlo debido a que transforman algún tipo de energía(tales como la nuclear, química, eléctrica) en energía lumínica.

Se clasifican en naturales (como el Sol y las estrellas) o artificiales (lámpara eléctrica, vela,tubo fluorescente,antorchas, fogatas), también pueden ser puntuales o extensas, esto depende  de la distancia a la que nos encontremos..    
   
                   l
         
f
Las lamparitas actuales están constituidas por un filamento de metal, normalmente tungsteno, por el que circula una corriente eléctrica.

El filamento está encerrado por
una delgada superficie de vidrio dentro de la cual se ha hecho vacío de modo que en su interior no haya oxígeno.

bLa corriente eléctrica que circula por el filamento produce calor lo que eleva la temperatura del filamento hasta ponerlo incandescente generando la luz que producen las lamparitas.
      Las fuentes extensas producen sombras más complicadas que las fuentes puntuales, con una zona de penumbra a la que no llegan rayos de toda la fuente.

Cuerpos iluminados

             m
Son aquellos que reflejan la luz que incide sobre ellos.

Cuando observamos un objeto, podemos verlo debido a la luz que incide sobre él.

Esta luz proviene de una fuente luminosa y sigue una trayectoria determinada.
l

Propagación rectilínea de la luz



La línea recta de propagación de la luz se denomina rayo luminoso. Se utilizan líneas rectas para representar las ondas luminosas y explicar la existencia de sombras, penumbras y eclipses.
Si colocamos delante de un foco luminoso extenso  un cuerpo opaco, observamos que detrás de él aparecen:
  • Zonas donde no llega ningún rayo de luz (zona de sombra).
  • Otras donde llegan solamente algunos rayos de luz (zona de penumbra).
  • Otras donde llegan todos los rayos de luz (zona iluminada).



domingo, 23 de octubre de 2011

Fotometría

Fotometría es la ciencia que se encarga de la medida de la luz, como el brillo percibido por el ojo humano. Es decir, estudia la capacidad que tiene la radiación electromagnética de estimular el sistema visual. No debe confundirse con la Radiometría, encargada de la medida de la luz en términos de potencia absoluta

El ojo humano y la Fotometría

El ojo humano no tiene la misma sensibilidad para todas las longitudes de onda que forman el espectro visible. La Fotometría introduce este hecho ponderando las diferentes magnitudes radiométricas medidas para cada longitud de onda por un factor que representa la sensibilidad del ojo para esa longitud. La función que introduce estos pesos se denomina función de luminosidad o función de eficiencia luminosa relativa de un ojo modelo, que se suele denotar como , o (este modelo u observador estándar es muy similar a los de la Colorimetría). Esta función es diferente dependiendo de que el ojo se encuentre adaptado a condiciones de buena iluminación (visión fotópica) o de mala (visión escotópica). Así, en condiciones fotópicas, la curva alcanza su pico para 555 nm, mientras que en condiciones escotópicas lo hace para 507 nm.


El láser

El láser es un dispositivo que produce un tipo muy especial de luz cuyas cracterísticas son:         
  1. Es muy intensa.La energía se concentra en un área pequeña.l
  2. Poseen direccionalidad, es decir, son estrechos y  muy poca dispersión.
  3. Son monocromáticos: producen un solo color  de luz.
  4. Su luz es coherente, es decir que todos  los pulsos son emitidos en fase.      


La radiación que sale del láser lo hace en cierta dirección,y se dispersa con un ángulo de divergencia muy pequeño comparado con otras fuentes de radiación electromagnética.





¿Cómo es el láser por dentro?



l        l

La cavidad láser consta de un tubo conteniendo un medio activo con unidades estructurales (átomos, iones, moléculas) con niveles de energía disponibles para la acción láser. Este medio activo puede ser: sólidos, líquidos o gaseosos, como rubí, dióxido de carbono, neón, argón u otros, y dos espejos uno en cada extremo del tubo.


Una fuente energética de excitación: con el fin de producir una inversión en la población. Este "sistema de bombeo" puede ser óptico o eléctrico y
su función radica en proporcionar energía a los átomos de la cavidad amplificadora para que pasen de un estado base a un estado excitado.



Un espejo reflector perfecto y otro con una capacidad reflectora levemente menor, de modo que parte refleja y parte deja pasar la radiación electromagnética.

La radiación emitida por el contenido del tubo viaja de extremo a extremo, estimulando a su paso al resto de los átomos para que emitan ondas electromagnéticas en fase con ella misma.
Una parte de la radiación pasa a través del espejo menos perfecto y ésta constituye el rayo coherente de luz láser.


En circunstancias normales, los átomos de un elemento se encuentran en su estado base o fundamental. Para hacerlos producir luz que de origen al efecto láser es preciso excitar los átomos para lo que se requiere hacer una descarga de radiación que produzca una "Inversión de Población", es decir, es necesario que un número grande de átomos se encuentre en un estado excitado. En general, se produce una excitación de los átomos a un estado de alta energía que es inestable (los átomos permanecen por un tiempo relativamente corto en ese estado) y se relajan o decaen a un estado de energía intermedia, menor que la energía original de excitación, pero con energía aún mayor que la del estado excitado, donde están en una situación relativamente estable en la cual pueden permanecer por un largo tiempo, si no son alterados.
La idea para construir un láser está basada en el hecho que se sabe
que la emisión estimulada tiene propiedades especiales que la hacen
útil para estos propósitos. En efecto, cuando un átomo está en un
estado excitado, es decir, con una energía superior a la de su estado fundamental, puede en principio decaer a su estado fundamental emitiendo luz de una frecuencia (o color) bien determinado.

Si en estas circunstancias incide sobre este átomo excitado luz de exactamente esa frecuencia entonces esta luz altera al átomo (se dice que lo estimula) y lo hace decaer a su estado fundamental haciéndolo emitir luz de igual frecuencia que aquella que incide sobre él. Más aún, la luz emitida no sólo tiene la misma frecuencia que la luz incidente
sino que además tiene su misma fase y su misma dirección lo que hace que la luz emitida por el átomo refuerce la onda incidente ya que tiene el mismo color la misma fase y la misma dirección de la luz original.

Si este proceso se repite sobre otros átomos excitados, la luz producida se va intensificando cada vez más. Para reforzar aún más este efecto, se contiene la luz usando dos espejos paralelos que reflejan la luz en un ir y venir. Para ser más precisos, uno de estos espejos está semiplateado (es parcialmente reflectante), es decir, parte de la luz que incide sobre este espejo se transmite y no se refleja. Esta luz que se escapa del contenedor es la luz producida por el láser y que percibimos en el exterior.



¿Qué significa láser?




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LASER es una sigla que en inglés corresponde a:
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
L: Light (luz)
A: Amplification (amplificada)
S: Stimulated (estimulada)
E: Emission (emisión)
R: Radiation (radiación)
                                 
Es decir: "Luz amplificada por emisión estimulada de radiación"


El primero fue desarrollado por Maiman en 1960, fue un láser de rubí.


Existen gran variedad de  láseres, algunos de los cuales emiten radiaciones invisibles al ojo humano y hay equipos de muy variada potencia de emisión lumínica.

En general los de baja potencia son usados para transmitir señales en redes de comunicación.

Los de potencia media sirven para tratamientos médicos y cirugía.

Los más poderosos concentran tanta energía en pequeñas superficies que pueden cortar, perforar y soldar materiales duros.







Tipos de láser:


  • Según el medio activo: Gases, líquidos, semiconductores, colorantes, cristal y vidrio.
  • Según la zona del espectro electromagnético: Microondas, UV(ultravioleta), IR(infrarrojo), visible.
  • Según su potencia: Baja mW, mediaW-KW, alta MW-TW.
  • Según el tipo de luz: Contínua, pulsada.


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Aplicaciones:




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La infinidad de aplicaciones superan largamente a lo imaginado por sus propios creadores.
Algunas de las más importantes:


Medicina: para estimular la regeneración de tejidos y la cicatrización rápida de heridas, en biopsias, operaciones oculares, destrucción de úlceras hemorrágicas,  cirugías de tumeores cancerosos, eliminación de marcas de nacimiento, tatuajes, cirugías ginecológicas, en oftalmología para fotocoagulación y soldadura de pequeñas áreas, desprendimiento de retina, etc.

Industria: como instrumento cortante o para realizar perforaciones, marcas o grabados, soldador láser, control de la cadena de montaje, cronómetro, medición de los movimientos de la Tierra.

También se usan en el endurecimiento de metales y tratamiento de materiales, para verificar el estado de fatiga de tanques de alta presión, estructuras metálicas y llantas de aviones.

En la mayoría de estas aplicaciones el uso del láser está sincronizado con elementos automáticos o computarizados tales como robots.
Como instrumento de medida: en las construcciones, agrimensura o topografía, en medidas astronómica y control de calidad.

Armamento: armas tácticas, telémetros y controladores de tiro, fusiles con visor láser, láseres antisaatélites, radar láser. Sistemas  de guiado por láser para misiles, aviones y satélites.

Comunicaciones: transmisión por fibra óptica.

Comercio: el CUP (Código Universal de Productos), código de barras, constituído por líneas y cifras que identifican al fabricante y al artículo.

Láseres en la investigación científica:
Fusión de hidrógeno, obtención de presiones y temperaturas extremadamente bajas, etc.
 



Efectos biológicos de la radiación láser


Los láseres abarcan longitudes de onda del UV, del visible y del IR.


Los órganos que pueden resultar dañados en una exposición a la radiación láser son los ojos y la piel.
La gravedad de la lesión dependerá de la longitud de onda del láser y del nivel de exposición alcanzado, que es función de la potencia o energía del láser y del tiempo de exposición.

Tipos de efectos biológicos:

Longitudes de onda cortas: efectos fotoquímicos
Longitudes de onda largas: efectos térmicos

Efectos sobre la retina

Aunque no podamos ver el láser la retina puede resultar dañada, ya que el pigmento epitelial de la retina absorbe las longitudes comprendidas entre los 400 y 1400 nm.




Difracción

d          d           d

La difracción  es el fenómeno de propagación no rectilínea de la luz
por el
cual las ondas luminosas bordean los obstáculos y queda perfectamente explicado con la teoría
ondulatoria de Huygens.
d
Según esta teoría cada punto de un frente de ondas se puede considerar emisor de ondas esféricas.

Cuando una onda encuentra un obstáculo, parte de las ondas son
absorbidas por éste y no emiten más, pero las ondas emitidas desde los
puntos que quedan libres siguen avanzando esféricamente alcanzando
las regiones que el obstáculo esconde.

d
La onda difractada está formada por la contribución de un número menor de focos emisores y en consecuencia, representa una
perturbación de menor intensidad que la onda
original.


dEste fenómeno no se observa corrientemente ya que las fuentes utilizadas habitualmente son fuentes
luminosas extensas, mientras que para
que el fenómeno
se produzca se deben emplear fuentes luminosas
puntuales
                                     y luz monocromática.

                 d
Cuando el ancho de la ranura es grande comparado con la longitud de onda, los frentes de onda del otro lado  del obstáculo
siguen siendo aproximadamente planos.


El grado de difracción de una onda al atravesar un obstáculo depende del tamaño del mismo comparado con la longitud de onda.

Si la longitud de onda es mucho menor que las dimensiones del obstáculo
(el ancho de la ranura, por ejemplo) no se observará difracción.

Si la longitud de onda es grande respecto del objeto, la difracción es muy notable.


La difracción no se produce solamente cuando la luz atraviesa una pequeña abertura,  puede producirse el mismo efecto colocando delante del haz de luz un  objeto filoso de manera tal
que al incidir la luz sobre
su filo, difracte.




Redes de difracción





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Cuanto más pequeño es el ancho de la ranura, más evidente es la difracción de la luz. Sin embargo, esto tiene un límite porque, a medida que se reduce el ancho de la ranura, disminuye la cantidad de luz que la atraviesa, llegando
un momento en que el fenómeno de difracción resulta imperceptible.

dEste inconveniente se resulve utilizando un dispositivo llamado redes de difracción, en lugar de una sola ranura tiene un elevado número de ellas, separadas entre sí
por una distancia igual al ancho de dicha ranura.

Las observaciones se pueden realizar por transparencia
o por reflexión.

d

Luz y Color


La naturaleza es el mejor muestrario de colores.

Si observamos a nuestro alrededor, podemos distinguir objetos de diferentes colores: rojo, amarillo, verde, azul, etc.

Esto se debe a que al incidir la luz blanca sobre un objeto, una parte es absorbida y otra parte es reflejada.Es decir que podemos distinguir los siguientes casos:

                 c           co            
  • un objeto que absorbe todos los colores y se presenta de color negro
  • un objeto que refleja todos los colores y se presenta de color blanco
  • un objeto que absorbe algunos y refleja otros,  se observan los 
colores que refleja.
       

Si se ilumina una manzana con luz blanca, se la ve roja porque absorbe las restantes frecuencias del espectro de luz blanca y refleja la del rojo.

Los objetos rara vez reflejan colores puros. Casi siempre reflejan,
además, otros colores próximos del espectro, que el ojo no es capáz de diferenciar.

Si la manzana se ilumina con luz azul se la verá negra, porque no puede reflejar ese tipo de radiación.       

m

En consecuencia:

El color de un cuerpo opaco depende de los colores que refleja y se denomina color por reflexión.


En el caso de los cuerpos transparentes el color depende de las radiaciones que deja pasar.
Por ejemplo, si un rayo de luz blanca incide sobre un objeto
transparente y éste sólo deja pasar al color verde y absorbe
los demás, se verá de color verde.                  t

Entonces:
El color de un cuerpo transparente está dado por el o los colores que lo pueden atravesar y se llama color por transparenciao por transmisión.
Cuando se obtiene un color por transmisión, también se obtienen
otros colores próximos del espectro, aunque el ojo no lo advierta.
Por ejemplo: un vidrio rojo transmite cierta cantidad de color amarillo .




¿Cómo se obtienen los colores?

Existen dos formas de obtener colores, una mezclando pinturas o tintas que contienen pigmentos y otra mezclando luces de colores.





l

Pinturas y tintas de colores



Las pinturas y tintas contienen pequeñas partículas, denominadas pigmentos, que absorben y reflejan ciertas frecuencias, o longitudes de ondas, dándoles el color que percibimos.
p

Para obtener los infinitos colores, sólo necesitamos tres, que cumplen la condición que mezclando dos de ellos no den el tercero, a estos colores se los denomina colores primarios.

El magenta (rojo con algo de azul), el amarillo (verde con algo de rojo) y el cian  (azul con algo de verde) son los colores primarios que se utilizan  en  la industria gráfica (en pinturas y tintas).




Luces de colores



Para obtener colores con luces, los colores primarios son el verde, el rojo y el azul.

Algunos canales de televisión los usan                                       como logotipo.l
La obtención de colores por luces
es por adición a diferencia de lo que ocurre con pinturas y tintas que es por sustracción.



l 

Si se ilumina una pantalla con  los tres colores (verde, rojo y azul), se sigue viendo blanca en la zona donde se superponen los tres, pues se adicionan y el resultado es el blanco.

Dispersión de la luz

Cuando se interpone un prisma de cristal o de otro material transparente en la trayectoria de un rayo solar, se observa lo siguiente:

d        di


pLa luz  blanca que llega al prisma se refracta y emerge formando una serie de bandas de colores diferentes. este fenómeno se denomina dispersión o descomposición de la luz.       

La descomposición de la luz blanca fue descubierta por Newton en 1666.





nAl proyectarse sobre una pantalla las bandas de color que emergen del prisma, se observa los colores: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul,añil y violeta.
Esta secuencia de bandas de colores se denomina espectro solar.


Esto nos indica que la luz no es simple, sino que está compuesta por luces de diversos colores.
               


Características de los colores




Observando el espectro solar vemos que el rayo menos desviado es el rojo y el que más se refracta es el violeta, esto se debe a que las distintas radiaciones que atraviesan el prisma lo hacen con velocidades diferentes.

De acuerdo a la teoría de Huygens, la luz es de naturaleza ondulatoria,
por lo tanto su velocidad de propagación es:


 v = f . λ

h
                                        


En consecuencia cada color posee una determinada frecuencia y longitud de onda.
Se ha podido comprobar que:


oA menor frecuencia o mayor longitud de onda, corresponde menor refraccción y viceversa.


e
La velocidad de la luz varía al pasar de un medio a otro, habiéndose comprobado que su frecuencia no varía y sí lo hace su longitud de onda.
Por lo tanto un color tiene distintas longitudes de onda en el agua, vidrio, aire pero igual frecuencia en todos.                                   p
Cuando la luz está constituída por ondas de igual frecuencia se denomina monocromática (de un mismo color) como por ejemplo la luz azul, roja, verde, etc.

Recomposición de la luz blanca



lb
Cuando se hace incidir un rayo de luz blanca sobre un prisma, ésta se dispersa formando el espectro solar, pero si en la trayectoria del haz dispersado se intercala otro prisma, en posición invertida, el haz que emerge es nuevamente blanco. Se ha logrado la recomposición de la luz blanca.