Naturaleza la luz

2. Espejos
   planos
3. Espejos en
   ángulo.
4. Espejos
   esféricos
5. Refracción
6. Prisma
7. La Luz como onda
   electromagnética. Lentes delgadas.
8. Óptica Física.
   Polarización. Interferencia. Difracción.
   Espectroscopia.
9. Historia y actualidad de la
   naturaleza de la luz
10. Fotometría
11. Bibliografía

En este capítulo analizaremos conceptos
ópticos de tipo geométrico, que luego
profundizaremos, pero que son necesarios para el entendimiento de
algunos temas que veremos en los capítulos
siguientes.

• Cuerpos luminosos o iluminados: son cuerpos
  luminosos aquellos que pueden producir luz propia
  (lámpara, Sol) y son cuerpos iluminados aquellos que
  reciben luz de fuentes
  lumínicas para ser visibles (mesa, silla,
  birome).
• Cuerpos transparentes, opacos y
  traslúcidos: son cuerpos transparentes aquellos que
  cuando la luz pasa a través de ellos
  prácticamente no se altera (agua pura,
  aire); son
  cuerpos opacos aquellos que no permiten el paso de la luz,
  (aunque no hay opacos en absolutos ya que si se reduce a
  laminas adquieren características traslucidas) y son
  cuerpos traslucidos aquellos que si bien permiten el paso de la
  luz no permiten precisar la forma de los objetos a
  través de ellos).
• Propagación rectilínea de la
  luz: el hecho de que la luz se propaga en "línea
  recta" (más adelante veremos más profundamente
  cual es la forma de propagación de la luz) es muy
  fácilmente comprobable, solo vasta con encender una
  linterna y ver como el haz de luz viaja a través de una
  línea recta.

El postulado general de la óptica
geométrica es la propagación rectilínea de
la luz, es decir dedica al estudio de la luz como si fueran
rayos rectilíneos sin tener en cuenta ni su naturaleza ni su
velocidad.

La consecuencia del hecho de tomar a la luz en estos
sentidos no es ni más ni menos que la formación de
SOMBRAS Y PENUMBRAS y la formación de estas dependen del
tipo de fuente luminosa:

2. 
3. FUENTE LUMINOSA PUNTUAL: es
   aquella que se supone que es ínfimamente pequeña
   por consiguiente cualquier cuerpo opaco colocado entre la misma
   y una pantalla, además de quedar en sombra parte del
   cuerpo, formará en la pantalla una sombra de igual forma
   al cuerpo (si es una esfera formará un circulo) y
   tamaño proporcional a las distancias existentes entre
   las tres. Si el cuerpo es una esfera podríamos explicar
   esto diciendo que los rayos tangentes a la superficie de la
   esfera forman un cono, llamado cono de sombra, el cual tiene
   base (o sección) en la pantalla; de este modo los rayos
   inferiores a la superficie cónica no pasan y los
   inferiores si lo hacen formándose la
   sombra. 
4. FUENTE LUMINOSA NO PUNTUAL EXTENSA: es aquella
   que tiene dimensiones geométricas a considerar. Ahora
   gracias a que la fuente no es solo un punto, es un cuerpo con
   dimensiones a tener en cuenta, cuando colocamos por ejemplo una
   esfera entre pantalla y fuente se nos forman dos conos uno que
   tiene por generatrices a los rayos tangentes exteriores y otro
   que tiene por generatrices a los rayos tangentes interiores. De
   este modo se nos forman tres zonas: la sombra propiamente
   dicha, la zona totalmente iluminada que recibe todos los rayos
   de luz y la penumbra o faja angular comprendida entre las dos
   anteriores zonas.

CÁMARA OSCURA: este es el
fundamento de la cámara fotográfica. Si en una
caja cerrada hacemos un orificio pequeño y colocamos un
cuerpo luminoso por delante dentro de la caja aparecerá
la imagen del
mismo invertida. Teniendo en cuenta la propagación
rectilínea de la luz y siendo el orificio pequeño
los rayos que llegan a este son oblicuos entonces como la luz
no dobla sigue su recorrido rectilíneo formando una
imagen
invertida como se ve en la figura.

REFLEXIÓN

Este es uno de los fenómenos ópticos
más sencillos. Si nosotros encendiéramos una
linterna apuntándole a una SUPERFICIE PULIDA
(espejo) veríamos como el haz de luz producido por
la linterna rebota y vuelve dirigiéndose por ejemplo hacia
una pared.

Entonces tomando una recta de referencia normal (N)
perpendicular al espejo tenemos un rayo incidente (el proveniente
de la linterna) y un rayo reflejado (el proveniente del espejo).
Sobre este fenómeno rigen dos leyes:

1° Tanto el rayo incidente como el rayo reflejado y
la recta N pertenecen al mismo plano.

2° El ángulo de incidencia es igual al
ángulo de reflexión (). De este modo se deduce
fácilmente que si el rayo incidente coincide con la recta
N este rebota sobre sí mismo, ya que ambos ángulos
tienen 0°.

ESPEJOS
PLANOS

Imágenes de un cuerpo puntual:

De todos los rayos que parten de A tomaremos en cuenta
al rayo AB, perpendicular al espejo y reflejado sobre sí
mismo (según lo explicado anteriormente) y al rayo AC que
forma con la normal CN un ángulo de incidencia i que
reflejado (CD) forma un
ángulo de reflexión r. Si prolongamos los segmentos
AC y CD veremos
como estos dos se cortan en un punto A’ llamado imagen de
A. De este modo un observador parado en J afirmaría que
los todos rayos parecen porvenir de A’.

Por lo tanto todos los rayos que parten de un punto
objeto y se reflejan determinan otros, que prolongados determinan
la llamada imagen virtual del punto en
cuestión.

Cabe destacar que el punto A es simétrico con
respecto a A’ debido a que el espejo EE’ es mediatriz
del segmento AA’, de esta manera si hay un incremento el
segmento AB también lo habrá en el segmento
A’B. Esta es la explicación de por qué cuando
nos acercamos a un espejo la imagen del espejo parece
también acercarse hacia nosotros.

Imágenes de un cuerpo no
puntual:

Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores de las
mediatrices se puede construir la imagen virtual de AB trazando
las perpendiculares AM y BM al espejo, prolongando sus medidas y
uniendo los puntos determinados en el paso anterior obteniendo la
imagen virtual A’B’.

Un observador que desconoce principios de
óptica
al que imaginaremos transparente en el punto T que mira
según el sentido de la flecha (hacia el espejo)
estaría en condiciones de afirmar que el punto A que en
realidad es A’ se encuentra situado bajo si derecha pero
él mismo si girara 180° comprobaría que en
realidad el punto A se encuentra de su lado izquierdo. Esta es la
razón por la cual si miramos por un espejo vemos las cosas
invertidas como muestra el
esquema.

CAMPO DE UN ESPEJO

Es la región del espacio visible desde un punto
dado gracias a un espejo. El mismo queda determinado por los
rayos reflejados provenientes de los dirigidos a la periferia del
espejo.

 ESPEJOS EN
ÁNGULO.

Si tenemos dos espejos cuyas superficies pulidas se
encuentran hacia fuera bien podríamos decir que se
encuentran a 360°. Si colocamos un cuerpo entre medio de
ellas no se formaría ninguna imagen. Del mismo modo si
estuviesen a 180° (siguiendo una línea recta) y
colocase un cuerpo como marca la figura
se formaría una sola imagen y si estuviesen a 90° se
formarían tres uno compartido y otros dos uno en cada uno
de los espejos.

Entonces para averiguar la cantidad de imágenes n
que se forman en dos espejos en ángulo a es válida la
expresión:

De este modo vemos también que mientras
más chico sea el ángulo serán más las
imágenes formadas por lo que se
podría decir que si a es un número muy chico la cantidad de
imágenes sería un número cercano al
infinito, razón por la cual en espejos paralelos se forman
infinitas imágenes que se pierden intensidad y no llegan a
distinguirse bien.

ESPEJOS
ESFÉRICOS:

Algunas definiciones

• 
• Espejo curvo es el que tiene la superficie curva
  pulida.
• Espejo esférico es el que tiene la superficie
  pulida semejante a la de un casquete
  esférico.
• Espejo esférico cóncavo es el que tiene
  la superficie interior pulida.
• Espejo esférico convexo es el que tiene la
  superficie exterior pulida.

ESPEJOS CONCAVOS

Elementos de un espejo esférico:

• Radio de curvatura: es el radio de la
  esfera a la cual pertenece.
• Vértice del espejo: es el polo del
  casquete.
• Eje principal: es la recta determinada por el
  vértice y el centro de la curvatura.
• Eje secundario: es cualquier recta que pasa por el
  centro de la curvatura
• Abertura del espejo: es el ángulo determinado
  por los dos ejes secundarios que pasan por el borde del espejo
  o suele también determinarse entre un eje secundario que
  pasa por el borde y el principal.

Marcha de los rayos

Se verifica lo siguiente en todos los espejos
exceptuando los espejos esféricos superiores a los 8°
o 9° ya que para estos no se cumple estrictamente todo lo que
anunciaremos a continuación:

Las leyes de
reflexión se verifican talen como en los planos tomando
como espejo plano a la tangente en el punto que choca el rayo
incidente, o sea que el punto de incidencia es un espejo plano
infinitamente pequeño tangente al punto de incidencia
mismo.

Focos

 Si volvemos a usar nuestra linterna
colocándola a una distancia considerable del espejo
paralela al eje principal en distintas posiciones veremos como
todos los rayos chocan contra el espejo y tienden a pasar por un
mismo punto llamado foco y viceversa (si pasan por el foco
serán paralelos al eje principal). Si ahora en vez de
colocar la linterna paralela al eje principal la
colocáramos paralela a cualquier eje secundario veremos
como también los rayos chocan y tienden a pasar por otro
punto distinto al anterior llamado foco secundario. Por
último podríamos colocar la linterna coincidente
con el eje principal veremos como el rayo tiende a reflejarse
sobre sí mismo debido a que coincide con la recta normal
del espejo tangente.

Del estudio del triángulo BFC se podría
decir que el foco se sitúa aproximadamente en la mitad del
radio de la
curvatura debido a que . O sea la distancia focal es aproximadamente igual a
la mitad del radio de la curvatura.

Si la curvatura fuese mayor a 8° o 9° en vez de
que todos los rayos pasen por un solo punto (foco) se forma una
superficie luminosa llamada cáustica por
reflexión.

IMÁGENES EN ESPEJOS ESFÉRICOS

Focos conjugados

Si consideramos una fuente puntual F frente a un espejo
esférico y suponemos que los rayos a’ y b’ son
rayos reflejados de a y b suele decirse que F’ es el foco
conjugado de F. Esto es recíproco ya que si consideramos
como fuente luminosa a F’ tendría como foco
conjugado a F por lo que se puede decir que el foco luminoso con
su foco conjugado son recíprocos.

Imágenes de cuerpos no
puntuales

Estos tipos de espejos presentan diferentes casos que
estudiaremos por separado:

 EL OBJETO SE ENCUENTRA DETRÁS DEL CENTRO
DE LA CURVATURA (ENTRE EL CENTRO Y EL INFINITO)

Consideraremos a un objeto AB perpendicular al eje
principal y con el punto b en común para evitar
complicaciones innecesarias.

Los rayos a y b se reflejan según a’ y
b’ determinando el punto A’ y el punto B’ es
imagen de B por lo tanto A’B’ es imagen de AB resulta
real, invertida de menor tamaño y situada entre el foco y
el centro.

EL OBJETO ESTÁ SITUADO EN EL CENTRO DE LA
CURVATURA

Sucede análogamente con los rayos a, b, a’
y b’ la intersección de los últimos nos da el
punto A’ imagen de A y B es conjugado con B’ entonces
tenemos la imagen A’B’ de AB que ahora es real,
invertida, de igual tamaño y situada también en el
centro.

EL OBJETO ESTÁ SITUADO ENTRE EL CENTRO Y EL
FOCO PRINCIPAL

Es recíproco al primer caso ya que como muestra la figura
los rayos determinan una imagen A’B’ de AB real,
invertida pero de mayor tamaño y situada detrás del
centro.

  EL OBJETO ESTÁ SOBRE EL
FOCO

Los rayos a y b se reflejan pero los rayos reflejados
son ahora paralelos por lo tanto nunca se cruzan imposibilitando
la formación de una imagen, o como también se dice
la imagen está infinitamente alejada.

 EL OBJETO ESTÁ ENTRE EL FOCO Y EL
ESPEJO

Considerando los rayos a y b vemos como al llegar al
espejo tienden a separarse se logra solo si intersección
si estos se prolongan por lo que la imagen de AB es
A’B’ que como queda detrás del espejo resulta
virtual, mayor y de igual sentido que el objeto.

 Fórmula de los focos
conjugados

Todas las consideraciones anteriores corresponden a la
siguiente expresión matemática
siendo x la distancia objeto-espejo, x’ la distancia imagen
espejo y f la distancia focal del espejo (aproximadamente la
mitad del radio de la curvatura).

 ESPEJOS CONVEXOS

También se cumplen las leyes de reflexión
pero en este tipo de espejos el foco principal es imaginario
debido a que los rayos tienden a separarse, y por lo tanto la
distancia es negativa.

Marcha de los rayos

1. Todo rayo paralelo al eje principal de un espejo
   convexo se refleja de modo tal que su prolongación pasa
   por el foco. Por lo tanto si un rayo incidente que pasa por el
   foco se refleja paralelo al eje principal
2. El rayo que incide en dirección hacia el centro se refleja
   sobre si mismo.

  Imagen en un espejo
convexo

Del mismo modo que en los espejos cóncavos
prolongando los rayos A y B determinamos los puntos virtuales
A’ y B’ y obtenemos la imagen virtual.

Esta es la única posibilidad que ofrecen los
espejos, o sea que lo anterior se cumple siempre en este tipo de
espejos.

 ABERRACIÓN: hemos
aclarado que todo lo dicho se verificaba con espejos no
superiores a 9° o 8°, el porque se explica de la
siguiente manera:

Los espejos que como hemos supuesto aquí reflejan
un solo punto a partir de otro (por ejemplo A’ y A) se
llaman espejos aplanéticos. Los espejos que
cumplen perfectamente con el aplanetismo luminoso son los planos.
En los demás como los que hemos excluido aquí se
produce un fenómeno llamado ABERRACIÓN que consta
de la reflexión de un sistema de focos
conjugados a partir de un punto. La aberración puede
corregirse utilizando espejos parabólicos ya que estos son
aplanéticos en diferentes condiciones (colocando la fuente
luminosa en el foco o "bastante lejos") o utilizando una lente
que luego veremos su funcionamiento.

Este tipo de espejos son utilizados en espejos de
dentistas que son cóncavos y tienden a concentrar los
rayos luminosos el los lugares a observar (que será el
foco), lámparas dicroicas, linternas, espejos retrovisores
que son convexos y permiten la formación de una imagen
virtual y visible para el conductor, espejos de parques de
diversiones que son combinaciones de cóncavos y convexos.
Cabe destacar que los espejos cilíndricos siempre
"deforman" en forma longitudinal no transversal.

REFRACCIÓN

Es la desviación de un rayo luminoso cuando pasa
de un medio transparente a otro medio también transparente
pero de distinta densidad. Este es
el fenómeno que sucede cuando por ejemplo metemos una
cucharita en un vaso de agua y esta
parecería estar quebrada.

Para darnos cuenta de manera más ejemplificativa
de la desviación de los rayos lumínicos
podríamos colocarnos frente a una pileta vacía en
la cual no viéramos el tapón de la misma. Si ahora
comenzamos a llenar de agua la pileta se produce una
desviación de los rayos luminosos (refracción) que
permite que veamos el tapón. La única causa de esta
desviación es el hecho de que el agua tiene
distinta densidad del
aire. 

 Si ahora quisiéramos calcular cuanto se va
a desviar el rayo tendríamos que tener en cuenta el rayo
incidente con su ángulo de incidencia i con respecto a la
normal N (perpendicular a la superficie de separación) y
el rayo refractado con su ángulo de refracción
también con respecto a N.

La Ley de Snell
acerca de la refracción enuncia: (m y n son índices
de refracción de los medios)

Ambos rayos refractado e incidente y la recta normal
pertenecen al mismo plano.

La relación entre los senos de los ángulos
de los dos ángulos es un índice de
refracción del primero para con el segundo en
símbolos:

teniendo en cuenta un índice
particular de dos medios (por
ej. agua-aire)

El índice n depende de los medios en
cuestión siendo mayor al ser más refringente el
medio. Cuando el rayo coincide con la normal no sufre ninguna
desviación.

LAMINA DE CARAS PARALELAS

 Se considera lámina de caras paralelas a
todo medio refringente limitado por planos paralelos. Por ejemplo
un vaso octogonal, etc.

En estas se verifica que todo rayo que incide sobre una
de las caras de la lámina de caras paralelas emerge de
ella y no se desvía, solo sufre un desplazamiento que
depende del ángulo de incidencia:

Si se analiza trigonométricamente la
relación entre i y e se obtendrá que los
ángulos son iguales.

PRISMA

Un prisma es un medio transparente limitado por dos
caras planas concurrentes. La intersección de esas caras
se llama aristas y el diedro que forman, ángulo de
refringencia.

Marcha de los rayos en el prisma

Si sobre la cara e un prisma incide un rayo incide un
rayo IT sufrirá, al atravesarlo, la desviación que
indica TS, es decir, acercándose a la normal N, pues pasa
de un medio menos refringente a otro más
refringente.

Cuando el rayo desaparece de un medio l, vuelve a
desviarse en dirección SR, pues pasa de un medio menos
refringente a otro más refringente.

La trayectoria inicial es IT y la final SR, las cuales
determinan el ángulo de desviación.

Se demuestra:

El ángulo de desviación sufrida por un
rayo luminoso al atravesar un prisma es igual a la suma del
ángulo de incidencia i y el ángulo de emergencia e
menos el ángulo de refringencia A.

Parte 2: La Luz como onda
electromagnética. Lentes delgadas.

LA LUZ Y EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO.

En la Parte 4 "Historia y actualidad de la
naturaleza de
la luz" hemos realizado una recopilación de cómo se
ha llegado a creer que la luz es una onda electromagnética
y si lo es eso únicamente, por lo que en este
capítulo arrancaremos del concepto de que
la luz es una onda
electromagnética.

James Clerk Maxwell, uno de los más grandes
científicos de la historia, entre muy
importantes descubrimientos demostró que la luz era una
parte del espectro electromagnético, es decir que difiere
con las demás ondas (como
pueden ser ondas de radio,
microondas,
rayos ultravioleta, infrarrojos) solo en su longitud de onda
(distancia entre cresta y cresta de la onda)

Luz es entonces la región del espectro
electromagnético visible al ojo.

En óptica se usan unidades de longitud de onda
como:

micra (10-6 metros), Ángstrom
(10-10metros), o nanómetro (10-9
metros).

Los límites
del espectro visible no están bien definidos ya que la
curva de sensibilidad del ojo tiende a acercarse a los límites
pero nunca lo hace, aunque los límites rondan un valor de entre
4300 A y 6900 A.

Energía y cantidad de
movimiento

Una de las principales características de las ondas
electromagnéticas es que pueden llevar energía de
un lugar a otro. Así la radiación
visible y no visible que emite el Sol llega a
la Tierra y el
algunos casos es convertida a energía
eléctrica (por ejemplo mediante paneles
fotovoltaicos). Esto explica perfectamente como las ondas
electromagnéticas transportan energía. Así
como conocemos los vectores de
campo
eléctrico y magnético las ondas
electromagnéticas están ligadas a su transporte de
energía mediante el vector de Poynting S con ese nombre en
honor a John Henry Poynting quien fue el primero en descubrir
este fenómeno:

Vemos como en la onda electromagnética influyen
los valores
instantáneos de campo
eléctrico y magnético. S en sistema MKS se
mide en watt/m2

Otra característica importante es la llamada
presión
de radiación.
Digamos que si yo prendo una linterna apuntando hacia un libro esta
ejerce una presión de
fuerzas muy chicas contra el libro. Con
esto podríamos afirmar que la luz tiene cantidad de
movimiento
lineal. Estos efectos fueron predecidos por Maxwell y se expresa
en un tiempo que para
una cantidad de energía U, una cantidad de movimiento p
se establecen las siguientes relaciones:

(absorción total)

(reflexión total)

Conociendo esto vale la pena manifestar otras relaciones
útiles para el cálculo:

Siendo t el tiempo, a el
área a la que se esta incidiendo y F la fuerza hecha
por la onda

Esta presión de radiación fue comprobada
experimentalmente por Nichols y Hulls 30 años luego su
predicción teórica.

Principio de Huygens y la ley de
refracción

El principio de Huygens es un antiguo principio
geométrico que permite averiguar donde está el
frente de la onda en un momento cualquiera en el fututo si
conocemos su posición actual.

Utilizando este principio se deduce que en la
refracción la velocidad de
la luz en el medio más denso debe ser menor a la del medio
menos denso.

Reflexión total interna

A medida que aumentamos el ángulo de incidencia
aumentará el ángulo de refracción hasta
llegar a 90° (rayo e) superando ese valor es
apreciable que los rayos no son refractados sino reflejados en un
fenómeno llamado reflexión total
interna.

  Superficie esférica
refractora

   En la figura vemos como al llegar un
rayo luminoso divergente de un punto O se refracta para luego
converger en un punto I formando una imagen real del objeto
luminoso.

Lo contrario sucede en este otro caso en que la luz sale
de un punto se refracta pero no converge en un punto sino que
diverge formando una imagen virtual.

Lentes delgadas

 Al fijarse en los aparatos que se usan para
resolver los problemas que
se presentan en la práctica, entre los que interviene la
luz, los más importantes son las lentes, ya que se usan
mucho directamente, y como parte de aparatos más
complicados. Por ejemplo: para que las personas que padecen
ametropías ópticas, puedan ver correctamente, para
observar pequeños objetos claramente, para observar
objetos lejanos mejor que a simple vista, para fotografiar
objetos o personas de los que convenga conservar la imagen, para
proyectar transparencias y películas
cinematográficas, e inclusive, el ojo presenta varias
lentes para que puedan desarrollar sus funciones.

Las lentes, por su forma, lo mismo que por la manera que
se comportan al ser atravesadas por los rayos de luz, se
clasifican en dos grupos, el de las
lentes convergentes y el de las lentes divergentes.

Las lentes convergentes, se caracterizan porque son
más gruesas en el centro que en la orilla, pudiendo
presentar tres formas diferentes: lente biconvexa (1), lente
planoconvexa (2), menisco convergente (3).

Fig. Tipos de lentes
convergentes.

Estas lentes se llaman convergentes, porque los rayos de
luz que llegan a ellas paralelas, se refractan dos veces y
después se cruzan en un mismo punto, que se llama foco, F
(4); como las lentes funcionan igual en un sentido que en el
otro, presentan dos focos, equidistantes de ellas.

Debido a que los tres tipos de lentes convergentes
funcionan de igual manera, para representarlos en los esquemas se
usa una línea recta, terminada por ambos extremos en
flechas, con sentido hacia fuera, debiendo marcarse
también claramente sus focos.

Las lentes divergentes, se caracterizan porque son
más gruesas en la orilla que en el centro y pueden
presentar tres formas diferentes: lente bicóncava (6),
lente plano cóncava (7), y menisco divergente
(8).

 Estas lentes se llaman divergentes, porque los
rayos que llegan a ellas paralelos, se refractan dos veces,
resultando después divergentes, pero sus prolongaciones se
cruzan en un mismo punto que también se llama foco de la
lente F (9); como todas estas lentes funcionan igualmente en
ambos sentidos, presentan dos focos virtuales equidistantes a
ellas.

Como las tres formas de lentes divergentes funcionan de
igual manera, para representarlas en los esquemas, se usa una
línea recta terminada en sus extremos por flechas, con de
sentido afuera hacia el centro, debiendo marcarse claramente sus
focos.

Características de las lentes:

Para estudiar gráficamente los fenómenos
ópticos que se presentan en las lentes, se necesita
conocer sus características, las cuales se indican
gráficamente en la figura siguiente,
características que son comunes a ambos tipos de lentes,
por lo que el esquema presenta flechas en los dos
sentidos.

El plano óptico de la lente, es el plano central
de ella, siendo lo que se representa con la línea
LL’, del esquema.

El centro óptico O, es el punto central de la
lente.

El eje principal AB, o simplemente eje, es la recta que
siendo perpendicular a la lente, pasa por el centro
óptico.

Los focos principales F y F’, o simplemente focos,
son los puntos donde se cruzan los rayos que llegan a la lente
paralelos al eje principal, o sus prolongaciones.

Distancia focal f, es la distancia entre el centro
óptico y el foco, que en las lentes divergentes se
considera negativa.

La forma más sencilla de determinar
gráficamente las imágenes de las lentes y sus
características, consiste en usar una serie de rayos
denominados notables. Estos son:

Cualquier rayo que llegue a una lente convergente,
paralelo al eje principal, se refracta pasando por el foco del
otro lado (1). Cualquier rayo que llegue a una lente convergente
pasando por el foco, se refracta paralelo al eje principal
(2).

• Cualquier rayo que llegue a una lente convergente
  pasando por el centro óptico, se refracta sin cambiar de
  dirección (3).

Para las lentes divergentes, los rayos notables son los
siguientes:

• Cualquier rayo que llegue a una lente divergente
  paralelo al eje principal, se refracta en dirección del
  foco del mismo lado de la lente de donde viene la luz
  (4).
• Cualquier rayo que llegue a una lente divergente en
  dirección del foco del otro lado, se refracta paralelo
  al eje principal (5).
• Cualquier rayo que llegue a una lente divergente en
  dirección del centro óptico, se refracta sin
  cambiar de dirección (6).

POTENCIA DE UNA LENTE

Se ha verificado experimentalmente que una lente es
tanto más potente cuanto menor es su distancia focal. En
símbolos:

(para lentes convergentes)

Por convención se ha establecido que si la
distancia focal es de un metro la potencia es de
una dioptría. Así la potencia se mide
en dioptrías y la distancia focal en metros. De esta
fórmula se deduce que para una distancia infinitamente
grande la potencia es cero y los rayos no sufren
desviación.

La fórmula para lentes divergentes es
análoga pero negativa:

La formula de los focos conjugados es la misma que en
espejos.

Reflexión difusa

Cuando iluminamos una hoja de papel en un
cuarto oscuro pareciera que lo hoja difundiría la luz
haciendo que gran parte de la habitación se ilumine. Esto
se llama reflexión difusa y sucede a partir de numerosas
reflexiones y refracciones que ocurren el la hoja.

Parte 3:
Óptica Física.
Polarización. Interferencia. Difracción.
Espectroscopia.

COLOR

Los colores simples
(los del arco iris) son ondas que difieren en su longitud de
onda. Esa es la única diferencia entre ellos. El blanco es
el color que
contiene a todos ellos, es decir que si descomponemos al blanco
obtendremos toda la gama de colores simples.
Podemos descomponer al blanco utilizando un prisma, como el
índice de refracción depende de la longitud de onda
los rayos se van desviando de manera distinta y por lo tanto se
separan.

INTERFERENCIA

Cuando dos disturbios de onda se combinan, en tal forma
que los picos de una onda coinciden con los picos de la otra, las
dos ondas se refuerzan para producir un disturbio mayor. Este
proceso se
conoce como interferencia constructiva. Por otro lado si los
picos de una onda coinciden con los valles de la otra, entonces
las ondas tendrán a cancelarse. Este proceso se
conoce como interferencia destructiva.

El experimento clásico que demuestra la
interferencia de la luz fue realizado primero por Thomas Young en
1801. Young separó la luz al pasarla por dos ranuras
paralelas angostas. En una pantalla blanca colocada más
allá de las ranuras se mostró un patrón de
bandas alternadas claras y oscuras llamadas franjas de
interferencia. Las franjas claras indican interferencia
constructiva y las oscuras indican interferencia desctructiva de
las dos ondas por las ranuras. Mediciones cuidadosas muestran que
la interferencia constructiva ocurre en un punto dado en la
pantalla en donde las dos longitudes de trayectoria óptica
difieren en un número entero de longitudes de onda de la
luz y la interferencia destructiva ocurre si la diferencia de
trayectoria es un número entero de media longitud de
onda.

Otro ejemplo familiar de intereferencia de la luz se
logra por los efectos del color en
películas delgadas, tal como en películas de
jabón. Estos efectos se deben a la interferencia de las
ondas de luz que se reflejan de las superficies frontal y
posterior de la película. Un efecto similar se nota cuando
una lente de vidrio convexa se
presiona contra una placa de vidrio plana, tal
que ser forma una delgada película de aire en forma de
cuña. Cuando la luz se refleja de la región de
contacto, se notan una serie de anillos de colores. Este
fenómeno fue observado primero por Newton, y por
ello se conocen como anillos de Newton.

La interferencia de la luz se usa en muchas formas
prácticas. El estándar fundamental de longitud se
basa en la longitud de onda de cierta línea espectral del
gas
kriptón. Luz desde una lámpara de kriptón se
usa en conjunto con un interferómetro óptico para
hacer mediciones precisas de longitud.

Otros usos de la interferencia es la película
antirreflexión. Lentes y otras partes ópticas,
usadas en todos los instrumentos finos, son cubiertos con
delgadas capas transparentes de material diseñado para
reducir pérdidas por reflexión, debido a
interferencia destructiva. La luz que sería de otro modo
reflejada, es transmitida. En sistemas
multilentes este proceso puede incrementar la eficiencia de un
instrumento considerablemente.

Películas delgadas son también usadas en
filtros de interferencia, en donde se utiliza interferencia
constructiva en forma tal que permite que la luz de un color pase
a través del filtro mientras refleja las otras longitudes
de onda.

DIFRACCIÓN

Si un objeto opaco se coloca entre una fuente puntual de
luz y una pantalla blanca, un examen cuidadoso muestra que el
borde de la sombra no es perfectamente agudo, como lo predice la
ley de propagación rectilínea de la óptica
geométrica. Más bien se encuentra que una
pequeña porción de luz se derrama dentro de la zona
oscura y que franjas desvanecidas aparecen en la zona
iluminada.

Otro fenómeno relacionado es el esparcimiento de
un haz de luz a su paso por un pequeño agujero o
separación angosta. El nombre dado a estas variantes de la
óptica geométrica se conoce como difracción.
La óptica geométrica provee resultados
útiles en la mayoría de aplicaciones debido a que
la longitud de onda de la luz visible es pequeña y los
efectos de difracción no son importantes en circunstancias
ordinarias.

Las características esenciales de la
difracción se explican por el principio de Huygens, que
establece que cada punto en un frente de onda que avanza, puede
ser considerado la fuente de una nueva onda u onda secundaria.
Las ondas secundarias se combinan para producir el nuevo frente
de onda.

La difracción es particularmente aparente en la
retícula de difracción, un dispositivo usado para
separar luz en sus longitudes de onda componentes. La
retícula se hace al rayar surcos o estrías cercanas
espaciadas equidistantemente sobre una superficie de vidrio u
otro material. Cuando la retícula se ilumina con un haz de
luz paralelo, la onda incidente es descompuesta por las
estrías en una serie de ondas secundarias.

La dirección de la cual procede el nuevo frente
de onda, está determinado por el requerimiento para que
las ondas secundarias se refuercen una a otra. Este
refuerzamiento ocurre cuando la diferencia de trayectoria
óptica entre ondas, desde estrías adyacentes, son
un número entero de longitudes de onda. La mayoría
de instrumentos espectroscopicos utilizan retículas,
más que prismas para el elemento dispersivo
básico.

POLARIZACIÓN

La naturaleza transversal de las ondas de luz es
revelado por el fenómeno de la polarización.
Ciertos cristales naturales, particularmente la turmalina
mineral, tiene la propiedad
especial conocida como dicroísmo, en la cual se absorbe
luz cuya vibración de campo eléctrico está
en una dirección y transmite luz cuya vibración
está a ángulo recto a esa
dirección.

El producto
sintético Polaroid es dicróico. Cuando luz
ordinaria, la cual tiene direcciones aleatorias de
vibración, pasa por un polarizador hecho de material
dicróico. La luz emergente sale polarizada, en otras
palabras tiene su vibración de campo eléctrico
confinado a una cierta dirección.

Cuando luz polarizada se envía a través de
un segundo polarizador, la luz será transmitida o
absorbida, dependiendo de la orientación relativa de los
dos polarizadores. Cuando luz natural no polarizada se refleja
desde una superficie suave, tal como la superficie de un camino
mojado, se vuelve polarizada. Una lámina dicróica
orientada apropiadamente, similar a la usada en anteojos Polaroid
para el sol, reduce el
brillo reflectivo por la absorción del componente
polarizado de la luz.

ESPECTROSCOPIA

Es el estudio de la composición energética
de las radiaciones mediante su análisis espectral y es una potente
herramienta para los químicos en el reconocimiento de
sustancias.

PARTE 4: Historia y
actualidad de la naturaleza de la luz

Breve recopilación historica:

¿Qué es la luz?. Es Isaac Newton
(1642 – 1727) el que formula la primera hipótesis científica sobre la
naturaleza de la luz.

Modelo corpuscular: Conocida como teoría
corpuscular o de la emisión, es el primer modelo exitoso
en explicar el comportamiento
de la luz. En gran parte se debe a la autoridad de
Newton, ya que en esa misma época el modelo
ondulatorio trataba de explicar el mismo
fenómeno.

A finales del siglo XVI, con el uso de lentes e
instrumentos ópticos, empezaron a observar, analizar y
experimentar los fenómenos luminosos, siendo el
holandés Willebrord Snell, en 1620, quién
descubrió de manera experimental la ley de la
refracción, aunque no fue conocida hasta que, en 1638,
René Descartes
(1596-1650) publicó su tratado "Óptica".
Descartes fue
el primer gran defensor de la teoría
corpuscular, diciendo que la luz se comportaba como un proyectil
que se propulsaba a velocidad infinita. Sin especificar
absolutamente nada sobre su naturaleza y rechazando que cierta
materia fuera
de los objetos al ojo, explicó claramente el
fenómeno de reflexión, pero tuvo alguna dificultad
con la refracción.

En 1672 Newton envió una breve exposición
de su teoría de los colores a la Royal Society de Londres.
Su publicación provocó tantas críticas que
confirmaron su recelo a las publicaciones, por lo que se
retiró a la soledad de su estudio en Cambridge. En 1704,
sin embargo, publicó su obra Óptica, en la
que explicaba detalladamente su teoría. En esta obra
explicaba que las fuentes
luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan
a gran velocidad y en línea recta. Según su
teoría la variación de intensidad de la fuente
luminosa era proporcional a la cantidad de corpúsculos que
emitía en determinado tiempo. La reflexión de la
luz consistía en la incidencia de dichos
corpúsculos en forma oblicua sobre una superficie
espejada, de manera que al llegar a ella variaba de
dirección pero siempre en el mismo medio. La igualdad del
ángulo de incidencia con el de reflexión se
debía a que tanto antes como después de la
reflexión los corpúsculos conservaban la misma
velocidad (debido a que permanecían en el mismo medio). La
refracción la resolvió expresando que los
corpúsculos que inciden oblicuamente en una superficie de
separación de dos medios de distinta densidad son
atraídos por la masa del medio más denso y, por lo
tanto, aumenta la componente de la velocidad que es la velocidad
que es perpendicular a la superficie de separación,
razón por la cual los corpúsculos luminosos se
acercan a la normal.

Según lo expresado por Newton en su obra, la
velocidad de la luz aumentaría en los medios de mayor
densidad, lo cual contradice los resultados de los experimentos
realizados años después. Esta explicación,
contradictoria con los resultados experimentales sobre la
velocidad de la luz en medios más densos que el
vacío, obligó al abandono de la teoría
corpuscular para adoptar el modelo ondulatorio.

Modelo ondulatorio: Desde otro punto de vista,
Christian Huygens (astrónomo, matemático y
físico holandés) en el año 1678, describe y
explica lo que hoy se considera las leyes de reflexión y
refracción. Define a la luz como un
movimiento ondulatorio semejante a la
propagación del sonido, de tipo
mecánico, que necesita un medio material para propagarse.
Supuso tres hipótesis:

2. Todos los puntos de un frente de ondas son centros
   emisores de ondas secundarias.
3. De todo centro emisor se propagan ondas en todas
   direcciones del espacio con velocidad distinta en cada
   medio.
4. Como la luz se propaga en el vacío y necesita
   un material perfecto sin rozamiento, supuso que todo el espacio
   estaba ocupado por éter.

Las ondas mecánica requieren de algún medio
material que las transporte,
para las ondas lumínicas se suponía la existencia
de una materia
insustancial e invisible a la cual se le llamó
éter, la que debía estar esparcida por todo el
espacio. Justamente la existencia del éter fue el
principal problema de la teoría
ondulatoria. 

En aquella época, la teoría de Huygens no
fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como se ha
mencionado, dado al prestigio que alcanzó Newton.
Pasó más de un siglo para que fuera tomada en
cuenta gracias a los experimentos del
médico inglés
Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias
luminosas, y los del físico francés Auguste J.
Fresnel sobre la difracción, que fueron decisivos para que
se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre
la luz, la propuesta realizada por Huygens en el siglo
XVII.

Thomas Young demostró experimentalmente un hecho
paradójico que no se podía explicar desde la
teoría corpuscular: la suma de dos fuentes luminosas
pueden producir menos luminosidad que por separado. Su
experiencia consistía en  practicar dos
minúsculas ranuras muy próximas entre sí
sobre una tela negra en la que se hace incidir luz de un
pequeño y distante foco apareciendo sobre la pantalla
(colocada a determinada distancia de la tela)  en forma de
líneas alternativamente brillantes y oscuros.
¿Cómo explicar el efecto de ambas ranuras, que por
separado darían un campo iluminado, combinadas producen
sombra en ciertas zonas? Young logró explicar la
alternancia de las franjas asociando las ondas de luz al comportamiento
de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas
hallándose en concordancia de fase, la vibración
resultante será intensa y se verá una zona clara.
Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle
de la otra, la vibración resultante será nula,
viéndose una zona oscura. Deducción simple imputada
a una interferencia y se desarrolla la idea de la luz como
estado
vibratorio de una materia insustancial e invisible, el
éter, al cual se le resucita. (ver
interferencia)

Ahora bien, la colaboración de Auguste Fresnel
para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo
dada por el aporte matemático que le dio rigor a las ideas
propuestas por Young y la explicación que presentó
sobre el fenómeno de la polarización al transformar
el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens y
ratificado por Young, quien creía que las vibraciones
luminosas se efectuaban en dirección paralela a la
propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero
aquí, y pese a las sagaces explicaciones que incluso rayan
en las adivinanzas dadas por Fresnel, inmediatamente queda
presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que
no es posible que se pueda propagar en el éter la luz por
medio de ondas transversales, debido a que éstas
sólo se propagan en medios sólidos.

En su trabajo, Fresnel explica una multiplicidad de
fenómenos manifestados por la luz polarizada. Observa que
dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren,
pero no lo hacen si están polarizados entre sí
cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo
invita a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo
perpendicularmente en dirección a la propagación y
establece que ese algo no puede ser más que la propia
vibración luminosa. La conclusión se impone: las
vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo
propusiera, sino perpendiculares a la dirección de
propagación, transversales.

Las distintas investigaciones y
estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en la
época engendraron aspiraciones de mayores conocimientos
sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la
velocidad de la luz con mayor exactitud que la permitida por las
observaciones astronómicas (En 1670 el astrónomo
danés Olaf Roemer pudo calcular la velocidad de la luz
observando el eclipse de una de las lunas de Jupiter). Hippolyte
Fizeau (1819- 1896) concretó el proyecto en 1849
con un clásico experimento. Hizo pasar la luz reflejada
por dos espejos entre los intersticios de una rueda girando
rápidamente, determinó la velocidad que
podría tener la luz en su trayectoria, que estimó
aproximadamente en 300.000 km./s. Después de Fizeau, lo
siguió León Foucault (1819
– 1868) al medir la velocidad de propagación de la
luz a través del agua. Este experimento fue de gran
interés, ya que sirvió de criterio
para analizar la veracidad beligerante entre la teoría
corpuscular y la ondulatoria. La primera teoría
requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en
el aire; lo contrario exigía, la segunda. En sus
experimentos logró comprobar que la velocidad de la luz
cuando transcurre por el agua es inferior a la que desarrolla
cuando transita por el aire. La teoría ondulatoria
adquiere cierta preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el
camino hacia la gran síntesis
realizada por Maxwell.

Velocidad de la Luz: en 1670, por primera vez en
la historia, el astrónomo danés Olaf Roemer
(1644-1710) pudo calcular la velocidad de la luz. Se hallaba
estudiando los eclipses de una de las lunas de Júpiter,
cuyo período había determinado tiempo atrás.
Estaba en condiciones de calcular cuales serían los
próximos eclipses. Se dispuso a observar uno de ellos, y
con sorpresa vio que a pesar de que llegaba el instante tan
cuidadosamente calculado por él, el eclipse no se
producía. El satélite demoró 996 seg. en
desaparecer. Presupuso que la demora era producida debido a que
la luz debía recorrer una distancia suplementaria de
299.000.000 Km., que es el diámetro de la órbita
terrestre. Su observación anterior correspondía a
una estación distinta del año y la posición
de la Tierra no era
la misma. 

Suponiendo que la luz se propagara a velocidad constante
y en línea recta se puede calcular la velocidad de
propagación dividiendo el espacio recorrido por el tiempo
tardado: Vluz = 299.000.000 Km : 996 seg. = 300.200
Km/seg.

Observaciones posteriores llevaron a la
conclusión que el atraso en cuestión era de 1.002
seg., lo cual da por resultado que la velocidad de la luz
sería de 298.300 Km/seg.

En 1849, el físico francés Fizeau,
logró medir la velocidad de la luz mediante una
experiencia hecha en la Tierra.
Para calcular la velocidad con la que la luz realizaba el
recorrido total, colocó una rueda dentada delante del haz
luminoso, de modo que los dientes bloquearan la luz y los
espacios intermedios la dejaran pasar. La velocidad de
rotación de la rueda, muy elevada, se regulaba de modo que
la luz que pasaba entre dos dientes tuviera justo el tiempo de
llegar hasta la ventana y volver, antes de ser ocultada por el
siguiente diente. Conociendo la distancia recorrida por el haz
luminoso y la velocidad de rotación de la rueda, Fizeau
obtuvo una medida de la velocidad de la luz 

La rueda tiene igual cantidad de dientes y espacios
entre ellos, X dientes y X espacios, por lo tanto su
perímetro será 2X. Da n vueltas por segundo (que es
la frecuencia con que gira), o sea que,  por cada segundo
pasan 2 xn dientes y espacios. El tiempo es inversamente
proporcional a la frecuencia, de allí que: t =
(2xn) 1.

Cuando no llega mas luz al observador es evidente que
los tiempos de ida y de vuelta son iguales. Aplicando las
ecuaciones
de
MRU tenemos: V = 2d / t  = 2d /
(2xn) – 1 = 2 d . 2 xn = 4 d
xn

Fizeau colocó el espejo a 8.633 m del observador,
la rueda tenía 760 dientes y giraba a 12,6 revoluciones
por segundo.

Si aplicamos la fórmula obtenida,
resultará: v = 313.274 Km./seg.

León Foucault y 
Fizeau (casi simultáneamente), hallaron en 1850 un
método
que permite medir la velocidad de la luz en espacios reducidos.
La idea consiste en enviar un haz de luz sobre un espejo
giratorio haciéndole atravesar una lámina de vidrio
semitransparente y semirreflectora, un espejo fijo devuelve el
rayo y atraviesa luego lámina observándose la
mancha luminosa en una pantalla. Con este método se
obtuvo que:  v = 295.680 Km./seg.

En general todas las mediciones de que se tiene conocimiento
obtuvieron resultados entre 298.000 Km/seg y 313.300 Km/seg sin
embargo se toma como velocidad de la luz la de 300.000 Km/seg por
ser un término medio entre los valores
obtenidos y por ser una cifra exacta que facilitan los
cálculos.

Modelo electromagnético: los
físicos sabían desde principios del
siglo XIX que la luz se propaga como una onda transversal (una
onda en la que las vibraciones son perpendiculares a la
dirección de avance del frente de ondas). Sin embargo,
suponían que las ondas de luz requerían
algún medio material para transmitirse, por lo que
postulaban la existencia de una sustancia difusa, llamada
éter, que constituía el medio no observable.
Maxwell apareció con una teoría que hacía
innecesaria esa suposición, pero el concepto de
éter no se abandonó inmediatamente, porque encajaba
con el concepto newtoniano de un marco absoluto de referencia
espaciotemporal.

James Clerk Maxwell (1831-1879),
físico inglés,
dio en 1865 a los descubrimientos sobre la relación entre
campos eléctricos y magnéticos había
realizado el genial autodidacta Michael Faraday, un andamiaje
matemático y logró reunir los fenómenos
ópticos y electromagnéticos hasta entonces
identificados dentro del marco de una teoría de reconocida
hermosura y de acabada estructura. En
la descripción que hace de su propuesta,
Maxwell propugna que cada cambio del
campo eléctrico engendra en su proximidad un campo
magnético, e inversamente cada variación del
campo
magnético origina uno eléctrico.

Dado que las acciones
eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a
punto, se podrán concebir los cambios periódicos –
cambios en dirección e intensidad – de un campo
eléctrico como una propagación de ondas. Tales
ondas eléctricas están necesariamente
acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente
ligadas a ellas (variación de campos inducidos). Los dos
campos, eléctrico y magnético,
periódicamente variables,
están constantemente perpendiculares entre sí y a
la dirección común de su propagación. Son,
pues, ondas transversales semejantes a las de la luz. Por otra
parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se
puede deducir de las investigaciones
de Weber y
Kohlrausch, con la misma velocidad que la luz. De esta doble
analogía, y haciendo gala de una espectacular volada
especulativa Maxwell termina concluyendo que la luz consiste en
una perturbación electromagnética que se propaga en
el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son
fenómenos idénticos.

Veinte años más tarde, Heinrich Hertz
(1857-1894) comprueba que las ondas hertzianas de origen
electromagnético tienen las mismas propiedades que las
ondas luminosas, estableciendo con ello, definitivamente, la
identidad de
ambos fenómenos.

Hertz, en 1888, logró producir ondas por medios
exclusivamente eléctricos y, a su vez, demostrar que estas
ondas poseen todas las características de la luz visible,
con la única diferencia de que las longitudes de sus ondas
son manifiestamente mayores. Ello, deja en evidencia que las
ondas eléctricas se dejan refractar, reflejar y polarizar,
y que su velocidad de propagación es igual a la de la luz.
La propuesta de Maxwell quedaba confirmada: ¡la existencia
de las ondas electromagnéticas era una realidad
inequívoca! Establecido lo anterior, sobre la factibilidad de
transmitir oscilaciones eléctricas sin
inalámbricas, se abrían las compuertas para que se
produjera el desarrollo de
una multiplicidad de inventivas que han jugado un rol
significativo en la evolución de la naturaleza humana
contemporánea.

Pero las investigaciones de Maxwell y Hertz no
sólo se limitaron al ámbito de las utilizaciones
prácticas, sino que también trajeron con ellas
importantes consecuencias teóricas. Todas las radiaciones
se revelaron de la misma índole física,
diferenciándose solamente en la longitud de onda en la
cual se producen. Su escala comienza
con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, se
llegan a la de los rayos ultravioletas, los rayos X, los
radiactivos, y los rayos cósmicos.

Sin embargo, la teoría electromagnética
de
Maxwell, pese a su belleza, deja sin
explicación fenómenos como el fotoeléctrico,
y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. En
consecuencia, pasado el entusiasmo inicial, fue necesario para
los físicos, como los hizo Planck (a regañadientes)
en 1900, retomar la teoría corpuscular. La salida al
dilema que presentaban las diferentes teorías
sobre la naturaleza de la luz, empezó a tomar forma en
1895 en la mente de un estudiante de dieciséis
años, Albert
Einstein, que en el año 1905, en un ensayo
publicado en el prestigioso periódico
alemán Anales de la física, abre el camino para
eliminar la dicotomía que existía sobre las
consideraciones que se hacían sobre la luz al introducir
el principio que más tarde se haría famoso como
relatividad. 

La luz es, de acuerdo a la visión actual, una
oscilación electromagnética que se propaga en el
vacío cuya longitud de onda es muy pequeña, unos
6.500 Å para la luz roja y unos 4.500 Å para la luz
azul. (1Å = un Angstrom, corresponde a una décima de
milimicra, esto es, una diez millonésima de
milímetro).

Por otra parte, la luz es una parte insignificante del
espectro electromagnético. Más allá del rojo
está la radiación infrarroja; con longitudes de
ondas aún más largas la zona del infrarrojo lejano,
las microondas de
radio, y luego toda la gama de las ondas de radio, desde las
ondas de centímetros de longitud, metros y
decámetros, hasta las ondas largas de
radiocomunicación, con longitudes de cientos de metros y
más. Por ejemplo, el dial de amplitud modulada, la llamada
onda media, va desde 550 y 1.600 kilociclos por segundo, que
corresponde a una longitud de onda de 545 a 188 metros,
respectivamente.

En física, se identifica a las ondas por lo que
se llama longitud de onda, distancia entre dos máximos y
por su frecuencia, número de oscilaciones por segundo, que
se cuenta en un punto, y se mide en ciclos por segundo
(oscilaciones por segundo). El producto de
ambas cantidades es igual a la velocidad de propagación de
la onda.

En el otro extremos del espectro electromagnético
se encuentra la radiación ultravioleta, luego los rayos
x y a longitudes de onda muy diminutas los
rayos.

La atmósfera terrestre
es transparente sólo en la región óptica,
algo en el infrarrojo y en la zona de ondas de radio. Por ello,
es que la mayor información que hemos obtenido sobre
el universo ha
sido a través de la ventana óptica, aunque en las
últimas décadas la radioastronomía ha venido
jugando un rol sustancial en la entrega de conocimientos sobre el
cosmos, proporcionando datos cruciales.
Observaciones en el ultravioleta, rayos X, como
así también de parte del infrarrojo, hay que
efectuarlas con instrumentos ubicados fuera de la atmósfera de la
Tierra. Sin
embargo, es posible también obtener resultados en el
infrarrojo con instrumentación alojada en observatorios
terrestres empotrados a gran altura sobre el nivel del mar o con
tecnología
puesta en aviones o globos que se eleven por sobre la baja
atmósfera, que contiene la mayor parte del vapor de agua,
que es la principal causa de la absorción
atmosférica en el infrarrojo.

Dilema actual: Hoy en día no se sabe
fehacientemente cual es la naturaleza de la luz. Ambos modelos tanto
el electromagnético como el cuántico, que plantea
la existencia de los fotones de Einstein, coexisten en un marco
de incertidumbre. El modelo más fuerte es el
cuántico ya que la mecánica cuántica después de
las leyes del movimiento de Newton es la mejor teoría
experimentalmente probada. Pero la existencia de
partículas con energía pero sin masa llama mucho la
atención. Para entender mejor el tema
podríamos hacer una sencilla analogía: si nosotros
viviéramos en la prehistoria e
intentáramos analizar científicamente al viento nos
encontraríamos en un gran problema. Al no tener
ningún conocimiento
previo y tampoco disponer de instrumentos tales como microscopios
llegaríamos a una conclusión bastante incoherente.
No nos quedaría más que definir al viento como algo
con energía y sin masa, porque al no poder verlo y
si sentirlo (es decir ver que ejerce fuerzas) no
tendríamos otra opción. Quizás hoy en
día no tengamos los instrumentos para ver qué son
verdaderamente los fotones.

PARTE 4:
Fotometría

La luz, al igual que las ondas de radio, los rayos X o
los gamma es una forma de energía. Si la energía se
mide en joules (J) en el Sistema Internacional, para
qué necesitamos nuevas unidades. La razón es
más simple de lo que parece. No toda la luz emitida por
una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni
toda la energía que consume, por ejemplo, una bombilla se
convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y
para ello definiremos nuevas magnitudes: el flujo luminoso, la
intensidad luminosa, la iluminancia, la luminancia, el
rendimiento o eficiencia
luminosa y la http://edison.upc.es/curs/llum/fotometria/
– Cant_luz

cantidad de luz.

Flujo luminoso

Para hacernos una primera idea consideraremos dos
bombillas, una de 25 W y otra de 60 W. Está
claro que la de 60 W dará una luz más intensa. Pues
bien, esta es la idea: ¿cuál luce más? o
dicho de otra forma ¿cuánto luce cada
bombilla?

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Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos sólo
a la potencia consumida por la bombilla de la cual solo una parte
se convierte en luz visible, el llamado flujo luminoso.
Podríamos medirlo en watts (W), pero parece más
sencillo definir una nueva unidad, el lumen, que tome como
referencia la radiación visible. Empíricamente se
demuestra que a una radiación de 555 nm de 1 W de potencia
emitida por un cuerpo negro
le corresponden 683 lumen.

Se define el flujo luminoso como la potencia (W)
emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo
humano es sensible. Su símbolo es  y su unidad es el lumen (lm). A la
relación entre watts y lúmenes se le llama
equivalente luminoso de la energía y equivale
a:

1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

Intensidad luminosa

El flujo
luminoso nos da una idea de la cantidad de luz
que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas
las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un
proyector es fácil ver que sólo ilumina en una
dirección. Parece claro que necesitamos conocer
cómo se distribuye el flujo en cada dirección del
espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

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Se conoce como intensidad luminosa al
flujo
luminoso emitido por unidad de ángulo sólido
en una dirección concreta. Su símbolo es I y
su unidad la candela (cd).

Iluminancia

Quizás haya jugado alguna vez a iluminar con una
linterna objetos situados a diferentes distancias. Si  se
pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente
iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina
una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta
sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de
iluminancia.

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Se define iluminancia como el flujo
luminoso recibido por una superficie. Su
símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un 
lm/m2.

Existe también otra unidad, el foot-candle
(fc), utilizada en países de habla inglesa cuya
relación con el lux es:

En el ejemplo de la linterna ya pudimos ver que la
iluminancia depende de la distancia del foco al objeto iluminado.
Es algo similar a lo que ocurre cuando hacemos interactuar dos
imanes, cuando alejamos los imanes la fuerza
disminuye considerablemente. Lo que ocurre con la iluminancia se
conoce por la ley inversa de los cuadrados 
que relaciona la intensidad
luminosa (I) y la distancia a la fuente. Esta
ley solo es válida si la dirección del rayo de luz
incidente es perpendicular a la superficie.

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¿Qué ocurre si el rayo no es
perpendicular? En este caso hay que descomponer la iluminancia
recibida en una componente horizontal y en otra vertical a la
superficie.

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A la componente horizontal de la iluminancia
(EH) se le conoce como la ley
del coseno. Es fácil ver que
si   = 0 nos queda la ley inversa de los
cuadrados. Si expresamos EH y EV en
función
de la distancia del foco a la superficie (h) nos
queda:

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En general, si un punto está iluminado por
más de una lámpara su iluminancia total es la suma
de las iluminancias recibidas:

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Luminancia

Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan
sobre propiedades de las fuentes de luz (flujo
luminoso o intensidad
luminosa) o sobre la luz que llega a una
superficie (iluminancia).
Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo que a fin de
cuentas es la que
vemos. De esto trata la luminancia. Tanto en el caso que veamos
un foco luminoso como en el que veamos luz reflejada procedente
de un cuerpo la definición es la misma.

Se llama luminancia a la relación entre
la intensidad
luminosa  y la superficie aparente
vista por el ojo en una dirección determinada. Su
símbolo es L y su unidad es la cd/m2.
También es posible encontrar otras unidades como el stilb
(1 sb = 1 cd/m2) o el nit
(1 nt = 1 cd/cm2).

Es importante destacar que sólo vemos
luminancias, no iluminancias.

Rendimiento luminoso o eficiencia
luminosa

Ya mencionamos al hablar del flujo
luminoso que no toda la energía
eléctrica consumida por una lámpara (bombilla,
fluorescente, etc.) se transformaba en luz visible. Parte se
pierde por calor, parte
en forma de radiación no visible (infrarrojo o
ultravioleta), etc.

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Para hacernos una idea de la porción de
energía útil definimos el rendimiento
luminoso como el cociente entre el flujo luminoso producido y
la potencia eléctrica consumida, que viene con las
características de las lámparas (25 W, 60 W…).
Mientras mayor sea mejor será la lámpara y menos
gastará.  La unidad es el lumen por watt
(lm/W).

Cantidad de luz

Esta magnitud sólo tiene importancia para conocer
el flujo
luminoso que es capaz de dar un flash
fotográfico o para comparar diferentes lámparas
según la luz que emiten durante un cierto periodo de
tiempo. Su símbolo es Q y su unidad es el lumen por
segundo (lm·s).

Todos estos conceptos son válidos para la
iluminación de interiores, en los cuales
las propiedades de físicas de la fuente luminosa (forma,
longitud) son despreciables. Para la iluminación de calles, estadios deportivos,
industrias, se
utilizan gráficos y diagramas (a
veces realizados por programas de
computadoras)
que si tienen en cuenta los aspectos antes citados.

Bibliografía:

Artículos extraídos de Internet acerca de
Fotometría, Naturaleza de la Luz, óptica
física y Lentes Delgadas

Parte de óptica geométrica extraída
del libro "Física de Tercer Año escuelas de
educación
técnica" Carlos R. Miguel.

Parte de la Luz como onda electromagnética
extraída del libro "Física para estudiantes de
Ciencias e
Ingeniería" Parte dos de
Hallyday-Resnick.

Autor:

Guido de Giovanni

alumno de escuela
técnica

Profesor a cargo de la corrección: Ing. Jorge
Ivaldi