LA ÓPTICA

Qué es la Óptica?

Es la rama de la física que analiza las

características y las propiedades de la luz, estudiando cómo se

comporta y se manifiesta.

Qué es la luz?

Es una radiación electromagnética (del

mismo tipo que las que a veces nos hacen mucho

daño). El espectro electromagnético incluye desde los rayos gamma

hasta las ondas de radio.

TEORÍAS ACERCA DE LA

NATURALEZA DE LA LUZ

Teoría corpuscular

(Newton) Esta teoría estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas que no poseen carga ni masa, llamadas fotones, capaces de portar todas las formas de radiación electromagnética. Surgió debido a que la luz sólo intercambia energía con la materia en forma discreta, durante sus interacciones. Fenómenos que ayudan al desarrollo de tal teoría son la radiación de un cuerpo negro; el efecto fotoeléctrico (se desprenden electrones de la luz); y el efecto Compton (los rayos x desprendían electrones).Todos estos efectos son desarrollados en esta teoría puesto que la teoría de la física clásica no logro explicarlas. Esta teoría no explica Anillos de Newton, Teoría ondulatoria, los fenómenos de interferencia y difracción.

Teoría ondulatoria(Hyugens, Fresnell) Esta teoría considera que la luz es una onda Electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generado a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampére) y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esta forma se logra propagar indefinidamente a través del espacio.Fenómenos que ayudan al desarrollo de esta teoría son la refracción, difracción y las interferencias. Esta teoría no logro explicar algunos efectos como los desprendimientos de los electrones en la luz, al interaccionar con la materia.

Teoría CuánticaEn la necesidad de reconciliar la teoría ondulatoria con la teoría corpuscular dando como consecuencia la aparición de nuevas teorías como la cuántica.Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de ondas que aportó una síntesis de las teorías ondulatorias y corpusculares, ya que siendo una ecuación de ondas electromagnéticas su solución requería ondas cuantizadas, es decir, partículas.Dentro de esta teoría encontramos los efectos relativistas que son: luz en movimiento y distorsiones espectral.Luz en movimiento es uno de los casos en los que la teoría de la física clásica no había resuelto por lo que en la teoría cuántica se dio solución gracias a Augustin Fresnel quien con sus experimentos logro calcular la velocidad de la luz en determinadas sustancias y fluidos como el agua. (A través del índice de refracción).La dispersión espectral habla del desplazamientos de los espectros, tanto los que provienen de cuerpos celestes como los de laboratorio y de este modo pudo llegar a la observación del movimiento que hacen las nebulosas y concluyo en la interpretación del efecto doppler debido a la expansión continua del universo. Gracias a todo esto pudo proponer la fórmula para calcular la distancia entre los objetos, analizando el movimiento del espectro.

Divisiones de la óptica Óptica física Óptica geométrica

La óptica física es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo

Es el estudio de las imágenes, producidas por refracción o por reflexión de la luz. Usa la noción de rayo luminoso; es una aproximación del comportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas.

Óptica electrónica

Estudia la modificación en la trayectoria de los haces de electrones por medio de campos magnéticos generados principalmente por condensadores (llamados lentes electromagnéticos) y que permiten el uso de los electrones para observar objetos muy pequeños en lo que llamamos microscopios electrónicos, telescopios electrónicos (radio telescopios), lentes infrarrojas y algunos incluyen al mismo televisor.

Óptica geométricaEs un modelo matemático y aproximado para el estudio de la luz desde un punto de vista de su propagación como energía radiante. Prescinde de la naturaleza ondulatoria de la luz (y corpuscular) e impone que la luz (la energía radiante), se propaga a lo largo de ciertas líneas llamadas rayos.

Propagación rectilínea de la luzLa luz es emitida por las fuentes luminosas. se propaga en línea recta, y la línea recta de propagación se denomina rayo luminoso. Se usan líneas rectas para representar las ondas luminosas y explicar la existencia de sombras, penumbras y eclipses.

Velocidad de la luzEn 1849, el físico francés Hippolyte Fizeau realizó la primera determinación precisa de la velocidad de la luz. Fizeau obtuvo un valor de 3,1·105 km/s.Actualmente, diversos métodos muy precisos han permitido aceptar para la velocidad de la luz el valor de 2,9979·108 m/s.

Espectro electromagnéticoSe denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo. 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.

Reflexión y espejosCuando la luz incide sobre un cuerpo, éste la devuelve al medio en mayor o menor proporción según sus propias características. Este fenómeno se llama reflexión y gracias a él podemos ver las cosas.

Un rayo de luz incide sobre una superficie y lo hace formando un ángulo con la normal (línea perpendicular a la superficie en el punto de incidencia) que se denomina ángulo de incidencia. El rayo reflejado forma también un ángulo con la normal, llamado ángulo de reflexión. Estos ángulos cumplen las leyes de la reflexión.

Se distingue dos tipos de reflexión:

Reflexión especular: la luz se refleja sobre una superficie pulimentada, como un espejo.

Reflexión difusa: la luz se refleja sobre una superficie rugosa y los rayos salen rebotados en todas direcciones.

Hay tres tipos de espejos:● Planos: si el espejo no presenta curvatura

diremos que es un espejo plano.● Cóncavos o divergentes: si la curvatura de un

espejo es "hacia adentro" desde el punto de vista observado diremos que es un espejo cóncavo.

● Convexos o convergentes: si la curvatura de un espejo está "hacia afuera" desde el punto de vista observado diremos que es un espejo convexo.

Refracción y lentesEs cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. La mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío entre la que tiene en un medio transparente obtenemos un valor que llamamos índice de refracción de ese medio..

Dispersión

En física se denomina dispersión al fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan expuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo humano, pero que impresionan las placas fotográficas). Es sabido desde la antigüedad que la luz solar, al pasar por cristales transparentes o joyas de varias clases, produce brillantes colores.

Óptica físicaLa óptica física es la rama de la física que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. La Óptica se encarga de estudiar el comportamiento de la luz.

Es, también, una de las ramas más antiguas: los fenómenos de reflexión y refracción se conocen desde la antigüedad, y genios como Newton dedicaron grandes esfuerzos a su estudio. La historia de la óptica cambió radicalmente con Maxwell, que relacionó la luz con las ondas electromagnéticas, dando lugar a la óptica física.

DifracciónLa difracción es un fenómeno característico de las ondas que se basa en la desviación de estas al encontrar un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz visible y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por causa de la difracción, el haz colimado de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

InterferenciaLa interferencia es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud. El efecto de interferencia puede ser observado en cualquier tipo de ondas, como luz, radio, sonido, ondas en la superficie del agua, etc.Puede producir aleatoriamente aumento, disminución o neutralización del movimiento.

La forma más sencilla de estudiar el fenómeno de la interferencia es con el denominado experimento de Young que consiste en hacer incidir luz monocromática (de un solo color) en una pantalla que tiene rendija muy estrecha. La luz difractada que sale de dicha rendija se vuelve a hacer incidir en otra pantalla con una doble rendija. La luz procedente de las dos rendijas se combina en una tercera pantalla produciendo bandas alternativas claras y oscuras.

PolarizaciónEl fenómeno de la polarización se observa en unos cristales determinados que individualmente son transparentes. Sin embargo, si se colocan dos en serie, paralelos entre sí y con uno girado un determinado ángulo con respecto al otro, la luz no puede atravesarlos.

FotometríaLa fotometría proporciona

una medida directa del flujo de energía recibido de los

objetos celestes en un intervalo de longitud de

onda.• Mucho menos exigente en tiempo de observación que la espectroscopia ya que se

integra el flujo en una banda.

• La fotometría visual emplea como detector el ojo.• Las observaciones son a simple vista el límite es m=6. • Empleando un telescopio se puedenobservar estrellas más débiles.

Flujo luminoso

La mayoría de las fuentes de luz emiten energía electromagnética distribuida en múltiples longitudes de onda. Se suministra energía eléctrica a una lámpara, la cual emite radiación. Esta energía radiante emitida por la lámpara por unidad de tiempo se llama potencia radiante o flujo radiante. Solo una pequeña porción de esta potencia radiante se encuentra en la región visible: en la región entre 400 y 700 nm. El sentido de la vista depende tan solo de la energía radiada visible o luminosa por unidad de tiempo. NOTA: El flujo luminoso F es la parte de la potencia radiante total emitida por una fuente de luz que es capaz de afectar el sentido de la vista.

Intensidad luminosa

La intensidad luminosa es el concepto de la concentración de luz en una dirección específica, radiada por segundo. Se designa con el símbolo I. La unidad es la candela (cd).La intensidad luminosa puede definirse como:El flujo luminoso en una determinada dirección, radiado por unidad de ángulo sólido.

Iluminación-La iluminación se lleva a cabo a través de diversos elementos ,artefactos como lámparas incandescentes (también conocidas como bombillas, bombitas o focos), lámparas fluorescentes o lámparas halógenas. Estas últimas son especialmente utilizadas en oficinas, dado que consumen menos energía que las convencionales, y se caracterizan por emitir una luz muy intensa y poco considerada con las arrugas y demás defectos faciales que la gente suele intentar esconder.

Ley de la Iluminación

La iluminación que recibe una superficie varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d que existe entre la fuente y la superficie y directamente proporcional a la intensidad de la fuente luminosa. E = I/d²

donde: E= Iluminación I= Intensidad de la fuente luminosa d= distancia entre la fuente luminosa y la superficie

La lupaLa lupa es un instrumento óptico que aumenta lo que vemos, a corta distancia, siendo mayor el aumento según el tamaño del cristal. El uso de la lupa es variado, en el colegio, y en profesiones u oficios que requieren aumentar la visión de los pequeños detalles de una pieza, como en imprenta, filatelia o numismática. También en oficios como electrónica y otros artesanales, como la joyería, donde se hace necesario el aumento de una pequeña pieza para moldear los detalles.

Origen e Historia de la lupaLa lupa se remonta al siglo X, con los trabajos del físico musulmán Abu Ali al-Hasan Ibn Al-Haitham (Alhazen, en español), uno de los pocos científicos reconocidos en la edad media, conocido principalmente por sus trabajos y estudios de óptica. También hay evidencias del uso de lentes por los chinos en el siglo XX. El inglés Robert Bacon es conocido por ser el primer occidental en usar lentes para mejorar la visión.En general, la historia de la lupa está asociada al uso de lentes para la visión, que se empezaron a popularizar, sobre todo, en el siglo XV, con la llegada de la imprenta.

EL ojo humanos y la visión. Miopía e hipermetropía El ojo humano es un sistema óptico formado por un dioptrio esférico y una lente, que reciben, respectivamente, el nombre de córnea y cristalino, y que son capaces de formar una imagen de los objetos sobre la superficie interna del ojo, en una zona denominada retina, que es sensible a la luz.

El ojo miope tiene un sistema óptico con un exceso de convergencia.

El foco está delante de la retina cuando el ojo está relajado, sin efectuar acomodación, y al alcanzar la máxima acomodación está más cerca del cristalino que en el ojo normal.

La persona miope no ve bien de lejos. Al estar el punto focal del ojo más cerca de la córnea que en un ojo normal, los objetos situados en el infinito forman la imagen delante de la retina y se ven borrosos. Empiezan a verse bien cuando están cerca (en el punto remoto).En consecuencia, el punto remoto y el punto próximo están más cerca que en el ojo normal.

Miopía

Es un defecto de convergencia del sistema óptico del ojo. El foco imagen del ojo está detrás de la retina cuando el ojo está en actitud de descanso sin empezar la acomodación.

El foco está fuera del globo ocular.

El ojo miope cuando está en reposo (sin iniciar la acomodación), tiene la lente del cristalino muy poco convergente

Hipermetropía

Los anteojos Constan de un objetivo situado en el extremo que mira hacia el objeto y de un ocular en el que mira hacia el ojo. Los rayos procedentes de un objeto que esté muy alejado inciden en el objetivo aproximadamente paralelos y después de atravesarlo, pasan a concentrarse en su foco posterior. El foco del ocular está situado precisamente en este punto; por lo tanto, los rayos vuelven a salir del ocular paralelos entre sí y el objeto se sigue viendo en el infinito, pero bajo un ángulo mayor.

Binoculares prismáticosLos prismáticos, comúnmente denominados binoculares, son un instrumento óptico usado para ampliar la imagen de los objetos distantes observados, al igual que el monocular y el telescopio, pero a diferencia de éstos, provoca el efecto de estereoscopía en la imagen y por eso es más cómodo apreciar la distancia entre objetos distantes y seguirlos en movimiento.

Cámara fotográficaUna cámara fotográfica o cámara de fotos es un dispositivo utilizado para capturar imágenes o fotografías.

Constan de una cámara oscura cerrada, con una abertura en uno de los extremos para que pueda entrar la luz, y una superficie plana de formación de la imagen o de visualización para capturar la luz en el otro extremo. La mayoría de las cámaras fotográficas tienen un objetivo formado de lentes, ubicado delante de la abertura de la cámara fotográfica para controlar la luz entrante y para enfocar la imagen, o parte de la imagen.

El Microscopio

Un microscopio es un dispositivo encargado de hacer visibles objetos muy pequeños. El microscopio compuesto consta de dos lentes (o sistemas de lentes) llamados objetivo y ocular. El objetivo es un sistema de focal pequeña que forma una imagen real e invertida del objeto (situado cerca de su foco) próxima al foco del ocular. Éste se encarga de formar una imagen virtual de la anterior ampliada y situada en un punto en el que el ojo tenga fácil acomodación (a 25cm o más). Dada la reducida dimensión del objeto, se hace imperioso el recolectar la mayor cantidad de luz del mismo, utilizando sistemas de concentración de la energía luminosa sobre el objeto y diseñando sistemas que aprovechen al máximo la luz procedente del objeto.

El primer microscopio fue inventado, por una casualidad en experimentos con lentes, lo que sucedió de similar manera pocos años después con el telescopio de Hans Lippershey (1608). Entre 1590 y 1600, el óptico holandés Zacharías Janssen (1580-1638) inventó un microscopio con una especie de tubo con lentes en sus extremos, de 8 cm de largo soportado por tres delfines de bronce; pero se obtenían imágenes borrosas a causa de las lentes de mala calidad.

Rayo Láser-El láser es un dispositivo electrónico que amplifica un haz de luz de extraordinaria intensidad. Se basa en la excitación de una onda estacionaria entre dos espejos, uno opaco y otro traslúcido, en un medio homogéneo. Como resultado de este proceso se origina una onda luminosa de múltiples idas y venidas entre los espejos, que sale por el traslúcido.

Todo se remonta a 1917, cuando Albert Einstein describió que si se estimulaban los átomos de una sustancia, estos podían emitir una luz con igual longitud de onda.

El telescopio Sirve para observar elementos que se encuentran lejos. Pero su objeto realmente es recoger la luz, como cualquier otro instrumento de óptica, basándose en un objetivo que recoge la luz de un objeto. Cuanta más luz recoge el objetivo, más potente es.

Se compone de un par de lentes, uno llamado objetivo porque es el más cercano al objeto, y otro llamado ocular porque es el más cercano al ojo,

La fibra óptica Es una delgada hebra de vidrio o silicio fundido que conduce la luz. Se requieren dos filamentos para una comunicación bi-direccional. Para funcionar se basa en la manipulación de la luz Los dos principios por los que la fibra funciona son la Reflexión y la Refracción

El proyectorUn proyector es un dispositivo diseñado para capturar una imagen desde una fuente de vídeo y proyectarla con la mayor fidelidad posible en una pantalla u otra superficie.