Ondas Electromagnéticas y la Naturaleza de la Luz

Las ondas electromagnéticas se propagan a la misma velocidad que la luz en el vacío, luego la luz es una onda electromagnética que se propaga sin soporte material.

Ejemplos de ondas electromagnéticas:

• Ondas de radio
• Microondas
• Radiación infrarroja
• Luz visible (500Nm)
• Radiación Ultravioleta
• Rayos X
• Rayos gamma

Teoría Corpuscular

Según Newton, la luz está formada por pequeñas partículas luminosas de diferentes tamaños (según el color) que son emitidas y llegan a nuestros ojos.

Esta teoría se fundamenta en:

• Trayectoria rectilínea: La luz se propaga en línea recta porque los corpúsculos se propagan en línea recta a gran velocidad.
• Sombras: Cuando los corpúsculos en movimiento encuentran un obstáculo que no pueden atravesar, se produce una sombra.
• Reflexión: Cuando los corpúsculos chocan con una superficie pulida, rebotan y producen sombra.
• Refracción: Es complicada de explicar con esta teoría. Supone que los corpúsculos, al pasar del aire a otro medio, aumentan su velocidad y cambian de dirección.

Argumentos en contra de la teoría corpuscular:

• Los cuerpos que emiten corpúsculos deberían perder masa.
• No explica las diferencias entre los corpúsculos para reflejar y refractar.
• No explica la dispersión de la luz blanca con un prisma.

Teoría Ondulatoria

Enunciada por Huygens, esta teoría propone que la luz se propaga mediante ondas mecánicas longitudinales. Según esta teoría:

• La masa de los cuerpos que emiten luz no varía.
• Explica que cuando dos rayos de luz chocan no sucede nada o se produce oscuridad.
• La propagación rectilínea se explica mediante el principio de Huygens.
• También explica la reflexión de la luz.
• La refracción se considera un fenómeno típicamente ondulatorio.

Argumentos en contra de la teoría ondulatoria:

• No explica la propagación de la luz en el vacío.
• No se observaban fenómenos de interferencia ni de difracción en la luz.
• Newton tenía mayor prestigio en la época.

Dualidad Onda-Partícula

De Broglie explica el comportamiento dual de la luz.

Propagación de la Luz

Velocidad de la Luz en Diferentes Medios

Cuando un medio tiene mayor índice de refracción absoluto que otro, la luz se propaga en ese medio a menor velocidad y su longitud de onda es más pequeña.

Reflexión de la Luz

La luz que se refleja cambia de dirección pero mantiene la misma velocidad. La luz que se propaga en un segundo medio cambia de dirección y velocidad.

Ángulo i: ángulo de incidencia. Ángulo r: ángulo de reflexión.

Leyes de Snell

• El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado están en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

La reflexión sobre una superficie pulida se denomina reflexión regular o especular, mientras que la reflexión sobre una superficie irregular se denomina reflexión difusa o irregular.

Refracción de la Luz

Es el cambio de dirección de propagación de un rayo de luz cuando pasa oblicuamente de un medio a otro.

Si la luz pasa de un medio a otro con mayor índice de refracción (más refringente), el rayo refractado se acerca a la normal y viceversa.

Ángulo límite: Es aquel ángulo de incidencia para el cual el rayo refractado emerge tangente a la superficie de separación de los dos medios. Si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo límite, las ondas no pasan al segundo medio, produciéndose reflexión total.

Prisma Óptico

Es un medio transparente limitado por dos superficies planas no paralelas. El ángulo formado por estas superficies se denomina ángulo del prisma.

Dispersión de la Luz

La luz blanca está formada por diferentes colores (arcoíris) y se descompone en otras más simples según sus longitudes de onda.

La luz roja tiene mayor velocidad y se desvía menos, mientras que la luz violeta tiene menor velocidad y se desvía más.

Los diferentes colores se propagan en medios materiales a distinta velocidad, solo en el vacío se propagan a la misma velocidad. Este fenómeno se conoce como espectro visible.

Difracción de la Luz

Es el cambio de dirección que experimenta una onda, que le permite superar una rendija u obstáculo que impide el avance de una parte del frente de onda.

Formación de Imágenes

Las imágenes pueden ser:

• Reales o virtuales
• Más pequeñas o más grandes
• Derechas o izquierdas

Dioptrio Esférico

• Convexo: radio positivo
• Cóncavo: radio negativo

Foco Imagen de un Dioptrio

Es el punto donde confluyen los rayos que llegan al dioptrio paralelos al eje óptico.

Foco Objeto de un Dioptrio

Es el punto del que salen los rayos que, después de atravesar el dioptrio, salen paralelos al eje óptico.

Dioptrio Plano

Tiene un radio infinito.

Espejos

Es una superficie lisa y plana capaz de reflejar la luz. Hay espejos planos y esféricos.

Espejos Esféricos

Pueden ser convexos o cóncavos. Si la superficie refleja la luz externa, es un espejo convexo y viceversa.

Lentes Delgadas

Son lentes de grosor pequeño comparado con otras magnitudes, como el radio de curvatura. Pueden ser convergentes o divergentes:

• Convergentes: más gruesas en el centro
• Divergentes: más gruesas en los bordes

Dioptría

Es la potencia de una lente con una distancia focal de 1 metro.

Foco Objeto de una Lente

Es el punto del que salen los rayos que, después de atravesar la lente, emergen paralelos al eje óptico.

Foco Imagen de una Lente

Es el punto donde confluyen los rayos que llegan paralelos al eje óptico después de atravesar la lente.

Distancia Focal-Objeto

Es la distancia entre el foco objeto y la lente.

Distancia Focal-Imagen

Es la distancia entre el foco imagen y la lente.

Aberraciones

Cuando no se cumplen las condiciones de lentes delgadas, se producen defectos en las imágenes.

• Aberración cromática: El índice de refracción de la lente varía según la longitud de onda. Se soluciona combinando una lente divergente con una convergente.
• Aberración esférica: Los rayos paralelos no se cortan en un punto. Se coloca un diafragma que solo deje pasar los rayos próximos al eje óptico.

El Ojo Humano y sus Defectos

La luz penetra en el ojo por la córnea. El iris regula la cantidad de luz que entra a través de la pupila. El sistema córnea-cristalino enfoca la luz sobre la retina, que está formada por conos y bastones.

Cristalino: Lente biconvexa que hace posible la formación de la imagen sobre la retina mediante los músculos ciliares.

Punto próximo: Punto más cercano que el cristalino puede enfocar (unos 25 cm en un ojo normal).

Punto remoto: Punto más lejano que el cristalino puede enfocar.

Miopía

El cristalino no enfoca en la retina los rayos paralelos procedentes de un objeto lejano. La imagen se forma delante de la retina, por lo que se ven los objetos lejanos borrosos. Puede deberse a una córnea demasiado curvada o a un ojo con demasiada longitud. Se usan lentes divergentes para corregirla.

Hipermetropía

Es lo opuesto a la miopía. Los rayos de luz de un objeto próximo al ojo se enfocan en un punto detrás de la retina, por lo que se ven borrosos los objetos próximos. Se usan lentes convergentes para corregirla.

Presbicia

También conocida como vista cansada, es la pérdida de acomodación del ojo. Se usan lentes convergentes para corregirla.

Astigmatismo

La córnea no es esférica, por lo que no enfoca igual las líneas verticales que las horizontales. Se usan lentes cilíndricas para corregirlo.

Cataratas

El cristalino pierde transparencia.