Teoría Corpuscular de la Luz

Esta teoría, propuesta por Isaac Newton en 1671, sostiene que la luz está formada por pequeñas partículas llamadas corpúsculos.

La teoría corpuscular explica:

• La propagación rectilínea de la luz.
• La formación de sombras.
• La propagación de la luz en el vacío.
• Los fenómenos de reflexión y refracción.

Según esta teoría, la visión se produce cuando los corpúsculos chocan con la retina. Los diferentes colores se atribuyen a la existencia de corpúsculos con diferentes masas. La reflexión se explica por el choque de estas partículas sobre una superficie pulida, donde la velocidad no varía y el ángulo de incidencia es igual al ángulo reflejado. La refracción, por otro lado, se debe a la existencia de fuerzas entre los corpúsculos y la materia. Según esta explicación, la velocidad de la luz debería ser mayor en medios más densos como el vidrio o el agua que en el aire.

Teoría Ondulatoria de la Luz

Propuesta por Christiaan Huygens en 1678, la teoría ondulatoria sostiene que la luz se propaga mediante ondas longitudinales similares a las del sonido. Como toda onda necesita un medio de propagación, esta teoría postula la existencia de un medio ideal llamado éter lumínico que ocupa todo el espacio.

La teoría ondulatoria es compatible con:

• La reflexión.
• La refracción.
• Las interferencias luminosas.

Sin embargo, en lo referente a la refracción, esta teoría predice que la velocidad de la luz debería ser mayor en el aire que en medios más densos como el vidrio o el agua, lo cual contradice la predicción de la teoría corpuscular. Debido al mayor prestigio de Newton, la teoría ondulatoria fue inicialmente ignorada. No fue hasta los trabajos de Thomas Young, Augustin-Jean Fresnel y Léon Foucault que se demostró su validez. Young estudió las interferencias, Fresnel la difracción y Foucault demostró que la velocidad de la luz es menor en el agua que en el aire. La contradicción de la existencia del éter lumínico fue finalmente resuelta por James Clerk Maxwell, quien demostró que la luz es una onda electromagnética que no necesita de ningún medio de propagación.

Teoría Electromagnética de la Luz

Maxwell obtuvo una ecuación de onda para el campo eléctrico y otra para el campo magnético, demostrando que ambos se propagan en el vacío a la misma velocidad: la velocidad de la luz.

Las ondas electromagnéticas consisten en un campo eléctrico y un campo magnético que se propagan en la misma dirección en planos perpendiculares entre sí. Son ondas transversales. La luz es una onda electromagnética, y la óptica estudia todo lo relacionado con ella.

Ondas Electromagnéticas y Espectro Electromagnético

Propagación de un Campo Electromagnético en el Vacío: Experiencias de Hertz

Las ondas electromagnéticas se generan por la aceleración de una carga eléctrica. Se propagan tanto en el vacío como en medios materiales, aunque su velocidad varía en estos últimos. Un campo eléctrico siempre está acompañado de un campo magnético y viceversa.

Heinrich Hertz, después de que Maxwell obtuviera las ecuaciones de onda de la luz, generó ondas electromagnéticas que más tarde se conocerían como ondas de radio. Estas ondas tienen una frecuencia mucho menor que la luz visible. El experimento de Hertz se basó en crear una oscilación de cargas aceleradas, que a su vez generaban un campo electromagnético con la misma frecuencia que la oscilación de las cargas. Con estas ondas, Hertz verificó las teorías de Maxwell al comprobar que las ondas electromagnéticas eran análogas a las ondas de luz.

Propiedades de las Ondas Electromagnéticas

Maxwell enunció cuatro leyes fundamentales sobre los campos eléctricos y magnéticos, conocidas como las ecuaciones de Maxwell:

1. Primera Ley de Maxwell (Ley de Gauss para el Campo Eléctrico)

   : El flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual a la carga total encerrada dentro de la superficie dividida por la permitividad del vacío.

2. Segunda Ley de Maxwell (Ley de Gauss para el Campo Magnético)

   : El flujo del campo magnético a través de cualquier superficie cerrada es siempre cero. Esto implica que no existen monopolos magnéticos.

3. Tercera Ley de Maxwell (Ley de Faraday)

   : Un campo magnético variable en el tiempo induce un campo eléctrico.

4. Cuarta Ley de Maxwell (Ley de Ampère-Maxwell)

   : Un campo eléctrico variable en el tiempo y/o una corriente eléctrica producen un campo magnético.

Combinando estas leyes, Maxwell obtuvo las ecuaciones de onda para los campos eléctrico y magnético. Dedujo que ambos campos, combinados en planos perpendiculares entre sí y propagándose a la velocidad de la luz, forman las ondas electromagnéticas, que se propagan en el vacío.

(ecuaciones)

Velocidad de Propagación de las Ondas Electromagnéticas: Dependencia con el Medio e Índice de Refracción

Después de numerosos intentos e hipótesis por parte de Galileo Galilei, Ole Rømer, Hippolyte Fizeau y Léon Foucault, se determinó que la velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 3 x 10⁸ m/s. En el aire, la velocidad es prácticamente la misma, mientras que en el agua es considerablemente menor. Estos resultados descartaron la idea de que la velocidad de la luz era infinita.

El índice de refracción (n) de un medio material se define como la relación entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en ese medio (v): n = c/v. El índice de refracción siempre es mayor que la unidad. Cuando la luz se propaga en el vacío, su velocidad es constante. Sin embargo, en un medio material, la velocidad de la luz depende de la longitud de onda, mientras que la frecuencia permanece constante.