La Luz y sus Fenómenos

Ley de Snell

La ley de Snell establece una relación entre el índice de refracción de cada medio con el ángulo de corrimiento respecto de la normal. El índice de refracción es la relación existente entre la velocidad de la luz en el vacío con la velocidad de la luz en el medio cuyo índice se calcula. Las trayectorias de los rayos de luz son reversibles, lo que implica una simetría en la ley de Snell, permitiendo su aplicación tanto para rayos entrantes como salientes.

Fibra Óptica

La fibra óptica es un medio de transmisión, empleado habitualmente en redes de datos y telecomunicaciones. Consiste en un hilo muy fino de material transparente (vidrio o materiales plásticos) por el que se envían pulsos de luz que representan los datos a transmitir.

El haz de luz queda completamente confinado y se propaga por el interior de la fibra con un ángulo de reflexión por encima del ángulo límite de reflexión total, en función de la ley de Snell. La fuente de luz puede ser un láser o un diodo LED.

Los dos principios físicos que permiten el funcionamiento de la fibra óptica son la reflexión y la refracción.

Refracción

Es el cambio de dirección que experimentan las ondas cuando pasan de un medio a otro. Un ejemplo sencillo es cuando metemos una cuchara en un vaso con agua y pareciera que se desplaza dentro de este.

Reflexión

Es el cambio de dirección de la onda, pero hacia el origen. Esto sucede cuando nos miramos en el espejo; sin la reflexión, no podríamos peinarnos o afeitarnos frente al espejo.

Tipos de Fibra Óptica

Monomodo

Se transmite un sólo haz de luz por el interior de la fibra. Tienen un alcance de transmisión de 300 km en condiciones ideales, siendo la fuente de luz un láser.

Multimodo

Se pueden transmitir varios haces de luz por el interior de la fibra. Generalmente su fuente de luz son diodos de baja intensidad, teniendo distancias cortas de propagación (2 o 3 Km), pero son más baratas y más fáciles de instalar.

¿Por qué la Luz Viaja en Línea Recta?

La demostración más evidente de que la luz viaja en línea recta son las sombras. En el camino que sigue la luz se pueden interponer obstáculos, pero también agujeros (un lugar por donde puede colarse). Son los bordes de los agujeros y de los obstáculos los que dan lugar a curiosos fenómenos.

Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla, sobre ella recogeremos su sombra.

• Si el tamaño del foco es pequeño comparado con el del objeto (dependiendo de las posiciones relativas y la distancia entre ellos) se produce sólo sombra.
• Si el tamaño del foco es grande comparado con el del objeto (dependiendo de las posiciones relativas y la distancia entre ellos) se produce sombra y penumbra.
• Si el foco de luz está muy alejado, desde el obstáculo el foco se ve como si fuera un punto de luz. Los rayos surgen radialmente de cada punto del foco.

¿Cómo crees que influye la distancia entre la pantalla y el objeto en el tipo de sombra?

La Cámara Oscura

La cámara oscura demuestra la propagación rectilínea de la luz. De todos los infinitos rayos de luz emitidos en todas las direcciones por el punto A, sólo penetra en la cámara un pequeño haz de luz de forma oblicua, que produce en la pantalla luminosa la correspondiente mancha A’. Lo mismo ocurre para el punto B. En la pantalla se aprecia la imagen invertida. Esto demuestra que la luz no se dobla en su recorrido.

El Ojo como Sistema Óptico

El ojo es capaz de adaptarse a distintos niveles de iluminación gracias a que el diafragma formado por el iris puede cambiar de diámetro, proporcionando un agujero central (la pupila) que varía entre 2 mm (para iluminación intensa) y 8 mm (para situaciones de poca iluminación).

La retina traduce la señal luminosa en señales nerviosas. Está formada por tres capas de células nerviosas. Las células fotosensibles (conos y bastones) forman la parte trasera de la retina (la más alejada de la apertura del ojo). Por eso, la luz debe atravesar antes las otras dos capas de células para estimular los conos y los bastones. La capa media de la retina contiene tres tipos de células nerviosas: bipolares, horizontales y amacrinas. Los bastones y conos contienen pigmentos visuales, que absorben la luz dependiendo de su longitud de onda.

Problemas de Visión

Presbicia (Vista Cansada)

Reducción de la capacidad de acomodación debida a la fatiga de los músculos o a la pérdida de flexibilidad del cristalino. No se ve bien de cerca. Se corrige con lentes convergentes.

Miopía

Exceso de convergencia. El foco se formaría a mitad del ojo en vez de al final, en la retina. Se corrige con lentes divergentes. No se ve de lejos.

Hipermetropía

Falta de convergencia porque el ojo suele ser más corto de lo normal. Se corrige con lentes convergentes. No se ve de cerca.

Astigmatismo

Defecto en la curvatura de la córnea, de tal manera que de un objeto pueden obtenerse imágenes parciales situadas en planos diferentes. Se corrige con lentes cilíndricas.

Cataratas

Falta de nitidez en el cristalino (visión borrosa). Solución: cirugía (cristalino sintético).

Daltonismo

Dificultad para ver los colores verde-rojo por una deficiencia en los conos. Es una enfermedad hereditaria ligada al sexo (cromosoma X). No confundir con acromatopsia (ByN).

Tipos de Ondas

Tipos de Energía

• Mecánicas: aquellas que requieren de un medio material para propagarse. Ej.: cuerda.
• Electromagnéticas: aquellas que no necesitan de un medio material para propagarse. Ej.: ondas de radio.

Dirección de Propagación y Vibración

• Ondas transversales: Aquellas en las que la dirección de propagación y de vibración son perpendiculares. Ej.: la cuerda.
• Ondas longitudinales: son aquellas en las que la dirección de propagación y de vibración es la misma; es decir, son paralelas. Ej.: el sonido.

Frente de Ondas

• Ondas planas: aquellas cuya superficie es plana. Ej.: tirar una piedra perpendicular al agua.
• Ondas esféricas: aquellas cuya superficie es esférica. Ej.: el sonido.

Dimensiones

• Ondas unidimensionales: sólo se propagan en una dirección. Ej.: cuerda.
• Ondas bidimensionales: se propagan en dos dimensiones (plano). Ej.: en una superficie acuática al tirar una piedra.
• Ondas tridimensionales: ocupan todo el espacio. Ej.: el sonido.

Principio de Huygens

“Todos los puntos de un frente de onda se comportan como focos emisores de ondas elementales o secundarias que se propagan en todas las direcciones en un instante dado. El nuevo frente de onda es la envolvente de las ondas secundarias”.

Difracción

Los puntos del frente de onda incidente al llegar al orificio se transforman en emisores de ondas elementales. La relación entre la longitud de onda y el obstáculo determina la forma del nuevo frente de onda.

• Si el obstáculo es mucho mayor que la longitud de onda no hay difracción.
• Si el obstáculo es más pequeño o de dimensión similar, hay difracción.

Interferencia

Se produce cuando coinciden dos o más ondas que se propagan en un mismo medio.

Principio de Superposición

Cuando dos o más ondas coinciden en un punto del medio en el que se propagan, la perturbación producida en dicho punto es igual a la suma de las perturbaciones que individualmente e independientemente originaría en dicho punto cada una de ellas.