Articulo Sobre La Importancia de Las Ondas Electromagneticas en El Desarrollo de La Sociedad

 

ARTICULO SOBRE LA IMPORTANCIA DE LAS ONDAS ELECTROMAGNETICAS EN EL DESARROLLO DE LA SOCIEDAD El campo eléctrico y el campo magnético son las manifestaciones de las interacciones debidas a las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento. Ahora bien, en los temas anteriores has visto que los campos eléctricos y magnéticos existen simultáneamente y, por tanto, en realidad lo que existe es un campo electromagnético. El campo electromagnético es más complejo que la suma de un campo eléctrico y un campo magnético ya que no son independientes entre sí y cada uno depende de las variaciones del otro.El campo electromagnético es tal, que se propaga en el espacio aunque esté vacío. Se propaga en forma de onda electromagnética a la l a velocidad de la luz. La propia luz es una onda electromagnética.La importancia de las ondas electromagnéticas radica en su amplio  amplio espectro, espectro, que  que permite multitud de aplicaciones, como en las telecomunicaciones, el estudio del Universo, la medicina o la industria. En este tema conocerás algo más sobre la naturaleza de las ondas electromagnéticas y su espectro. Tal vez hoy en día, la aplicación más difundida es la transmisión de señales. Todas las comunicaciones inalámbricas están basadas en propagación de ondas electromagnéticas. ele ctromagnéticas. Y no solo su optimización está en estudio, también el efecto que produce en los l os seres humanos la exposición a estas ondas. Láseres, rayos X, y demás, también son formas f ormas de ondas electromagnéticas, por lo que su estudio influye directamente en medicina, tecnología, etc. Existen múltiples aplicacions de las ondas electromagnéticas en la actualidad, las cuales son de suma importancia para la humanidad, ya que han permitido avances en medicina, tencnología, comunicaciones, etc. Entre las aplicaciones más importantes de las ondas electromagnéticas cabe mencionar: LA RADIO: La radio tiene dos sis sistemas temas conocidos, uno es aamplitud mplitud modulada (A.M.) y el otro es frecuencia modulada (F.M.), la amplitud modulada consiste en variar la amplitud de la onda electromagnética y permanecer constante la frecuencia de la onda electromagnética; mientras que la frecuencia modulada consiste en variar la frecuencia de

 

la onda electromagnética y permanececer constante la amplitud de la onda electromagnética. MICROONDAS: El funcionamiento en los hornos microondas se centra en generar una radiación electromagnética de muy alta frecuencia, generando una transferencia de calor muy alta en muy poco tiempo (Cabe resaltar que estas ondas son capaces de atravesar cualquier alimento), haciendo que el agua que tienen los alimentos haga que estos se calienten rápidamente. Para las comunicaciones lo que se hace es simplemente variar el ancho de banda para obtener la señal de frecuencia como es el caso de las ondas de ultra alta frecuencia (UHF), super alta frecuencia (SHF) y frecuencia extremadamente alta (EHF). INFRARROJOS: Este tipo de ondas son utilizadas en casi todos los aspectos de nuestra vida cotidiana, como por ejemplo con los tv a control remoto, los sensores de los supermercados, los de la tarjeta del bus, al escuchar música desde los discos compactos, etc.; pero también son utilizadas en radares, visores nocturnos, sensores de calor, entre otros. LOS RAYOS X: Sin duda alguna los rayos X pueden considerarse uno de los mayores avances en los ejemplos de ondas electromagnéticas, debido a que han influído en diferentes ramas de investigación y han ayudado a avanzar en diversos campos muy aparte de el electromagnetismo como lo son la industria y la medicina . Podemos concluír que desde el descubrimiento del ELECTROMAGNETISMO ELE CTROMAGNETISMO como hecho científico y posterior rama de la Física ha participado activamente en la era moderna de las comunicaciones principalmente y de esta manera también ha revolucionado la interrelación entre los hombres. También ha dado un gran giro a la medicina, en la que actualmente es un elemento de suma importancia para el descubrimiento, tratamiento y cura de diferentes enfermedades. Para todo esto los científicos, como Maxwell, demostraron, por ejemplo, que la luz es uno de los componentes del espectro electromagnético. Todas esas sondas son de carácter electromagnético y tienen la misma velocidad en el espacio libre. Difieren solo en su longitud de onda(y por consiguiente en frecuencia) solamente, lo que quiere decir que las fuentes que dan lugar a esas ondas y los instrumentos que se usan para realizar medidas con ellas son sumamente diferentes.  diferentes.  Gracias a estos hombres hoy en día podemos utilizar todos estos componentes para fines, la mayoría de las veces, benéficos que nos ayudan a alcanzar una mayor comodidad y mejor calidad de vida.

 

MONOGRAFIA DE ONDAS ELECTROMAGNETICAS INTRODUCCION. El electromagnetismo pertenece a una rama de la física, éstas desempeñan un papel central en la comprensión del funcionamiento de varios dispositivos como: Radios.

Televisores. Motores eléctricos.

Computadores. Aceleradores de alta energía, y otros dispositivos electrónicos que se utilizan en medicina. Sin embargo, fundamentalmente, ahora se sabe que las fuerzas interatómicas e intermoleculares, que son las responsables de la formación de sólidos y líquidos, son de origen eléctrico. Además, fuerzas como las de repulsión y de atracción entre objetos y la fuerza elástica en un resorte provienen de las fuerzas eléctricas a nivel atómico. Las primeras observaciones de fenómenos magnéticos son muy antiguas. Se cree que fueron realizadas por los griegos en la ciudad de Asia menor, se encontró que en esta región existían piedras que eran capaces de atraer trozos de hierro. En la actualidad se saben que dichas “piedras” están constituidas por un óxido de hierro (magnetita) se denomina imanes naturales. Él término magnetismo se uso para designar el conjunto de las propiedades de estos cuerpos, en virtud del nombre de la ciudad donde fueron descubiertos en la Antigua Grecia. (Magnesia) Fue necesario llegar a nuestro tiempo para que Christian Oersted nos mostrara que el hierro dulce (la propiedad del magnetismo se hace pasar de la de la magnetita al hierro dulce obteniéndose los imanes) al hacer pasar una  corriente eléctrica por un espiral de alambre conductor arrollado en él, dando origen a una de las ramas de la electricidad de mayor desarrollo y la aplicación llamadaelectromagnetismo. HISTORIA DEL ELECTROMAGNETISMO Una parte de la historia del electromagnetismo se monta a los  chinos que sugieren que el electromagnetismo fue conocido a principios del año 2000 A.C, otra parte de la historia se remonta a los antiguos griegos gr iegos que observaron los fenómenos eléctricos y magnéticos posiblemente a principios del año 700 A.C. Para ello descubrieron que un pedazo de ámbar frotado se electrificaba y era capaz de atraer trozos de paja o plumas. La existencia de la fuerza magnética se conoció al observar que pedazos de roca natural llamada magnetita (Fe3 O4) atraen el hierro. (la palabra eléctrico proviene del vocablo griego para el ámbar, elecktron. La palabra

 

magnética viene del nombre de un distrito central al norte de Grecia donde se descubrió, Magnesia.) En 1600, William Gilbert descubre que la electrificación electrificación no estaba limitada al ambarsino que éste era un fenómeno general. g eneral. Así, científicos electrificaron una variedad de objetos, incluyendo gallinas y personas. Experimentos realizados por Charles Coulomb en 1785 confirmaron la ley inversa del cuadrado para la electricidad. Hasta principios del siglo XIX los científicos establecieron que la electricidad y el magnetismo son, en efecto, fenómenos relacionados. En 1820 Hans Oersted descubre que una brújula sé deflecta cuando se coloca cerca de un circuito que lleve  corrienteeléctric corrienteeléctrica. a. En 1831, Michael Faraday, y simultáneamente, Joseph Heary, demuestran que, cuando un magneto o imán (o de manera equivalente, cuando el magneto se mueve cerca de un alambre), una corriente eléctrica se observa en el alambre. En 1873, James Clerk Maxwell uso estas observaciones y otros factores experimentales como base, y formula leyes del electromagnetismo que se conocen actualmente. (Electromagnetismo es el nombre dado a la combinación de los campos eléctrico y magnético.) Poco tiempo después (alrededor de 1888), Heinrich Hertz verifica las predicciones de Maxwell produciendo ondas electromagnéticas electromagnéticas en el laboratorio. Esto fue seguido por desarrollos prácticos como la radio y la televisión. Las contribuciones de Maxwell a la ciencia delelectromagnetismo fueron especialmente significativas debido a que las leyes formuladas por él son básicas para todas las formas de los fenómenos electromagnéticos. Su trabajo es comparable en importancia al descubrimiento de Newton con sus leyes del movimiento y la teoría de la gravitación. Otra parte de la historia muestra a los antiguos griegos que no ignoraban la existencia de una piedra magnética capaz de atraer el hierro y habían comprobado que este metal se imantaba si se ponía en contacto con un imán. Varios siglos antes de nuestra era parece ser que los chinos empleaban ya la brújula, instrumento basado en las propiedades pr opiedades de la aguja imantada, que no llegó, sin embargo, a Europa hasta el siglo XV, cuando empezaron a utilizarla los navegantes en sus viajesexploratorios. El descubrimiento científico científico básico logrado por Edison (a pesar del hecho de que ese estableció casi 1100 patentes) mejoró del desarrollo de los sistemas de comunicación modernos (radio, telefonía, radar y tv). Durante el periodo que Edison se dedicaba a preparar la luz eléctrica, colocó un filamento metálico en una ampolla de vidrio e hizo el vacío en su interior (tubo vacío) con un segundo electrodo que estaba conectado al polo positivo de una batería. Descubrió que cuando hacia pasar una corriente a través del filamento y éste se calentaba y se ponía incandescente, incandescente, un flujo de electricidad (electrones) pasaba a través del espacio vacío en el tubo al electrodo cargado positivamente (la placa) y volvía a la batería. Este fenómeno se llama efecto Edison, pero Edison no vio en su dispositivo posibilidades posibilidades prácticas y no hizo nada con el excepto, patentarlo. Veinte años después, Fleming utilizó el efecto Edison para inventar un diodo rectificado, un dispositivo para convertir la corriente alterna en corriente directa. Este fue en esencia el tubo de

 

vacío de dos elementos de Edison. Unos años mas tarde, De forest agregó un tercer electrodo (una rejilla) al tubo de vacío de los electrodos de Edison. Este dispositivo hizo posible amplificar las energías de las ondas o ndas electromagnéticas extremadamente débiles (radiondas) que son emitidas por las señalas eran fortalecidas y reenviadas a mayor distancia, y pudieron entonces utilizarse los altavoces. Este fue el auténtico meollo de los sistemas de comunicación modernos y de la vasta industria electrónica que se ha desarrollado durante este siglo. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS ELECTROMAGNÉTICAS Según Faraday, un campo magnético variable, induce un campo eléctrico también variable, como en electrostática se hace hincapié de que toda carga eléctrica en reposo crea a su alrededor un campo eléctrico, cuya intensidad difiere en cada punto. El científico Maxwell, basado en consideraciones consideraciones puramente teóricas, sospecho que seria posible demostrar que un campo eléctrico variable debería inducir un campo magnético también variable, semejante al creado por cargas eléctricas en movimiento, como lo demostró en el experimento de Oersted. Se supone que se carga un condensador por un procedimiento cualquiera como en el siguiente ejemplo uniendo sus placas a los bornes de una pila eléctrico como se muestra. A medida que el condensador se va cargando, el campo eléctrico entre sus placas va variando y como resultado de esta variación del campo eléctrico aparece un campo magnético, cuya existencia se puede comprobar. Propiedades : Las ondas electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Así, estas ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la Tierra desde el Sol y las estrellas. Independientemente Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a una velocidad c = 299.792 km/s. Todas las radiaciones del espectro electromagnético presentan las propiedades típicas del movimiento ondulatorio, como la difracción y la interferencia. Las longitudes de onda van desde billonésimas de metro hasta muchos kilómetros. La longitud de onda ( ð ) y la frecuencia ( f   f ) de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión  ð · f   f  = c son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras otr as características. LA ECUACIÓN DE ONDA: El movimiento ondulatorio puede expresarse en forma matemática mediante una ecuación que describa un movimiento vibratorio avanzando por un medio. Para ello es preciso partir de la ecuación que define la oscilación del foco u origen de la perturbación. Si el movimiento es armónico simple su ecuación correspondiente será: Y = A · sen ð t  

 

  Y = A · sen (2ð ft) 

Donde la elongación se representa, en este caso, por la letra Y , pues en ondas transversales, como sucede en las cuerdas, equivale a una altura. Dado que la perturbación avanza a una velocidad v , en recorrer una distancia r   Eso significa que el estado de perturbación de cualquier punto  P situado a una distancia r  del foco O coincidirá con el que tenía el foco  t' segundos segundos antes. Se trata de un tiempo de retardo que indica en cuánto se ha retrasado r etrasado la perturbación al llegar a  P respecto del foco. Por tanto, si en la ecuación de la elongación que describe la situación del foco, se cambia t por por tt'  se obtiene una ecuación que describe el estado de perturbación del punto  P:

Dado que t  y r  hacen referencia a instantes genéricos y distancias genéncas respecto del foco O, la anterior ecuación describe el estado de perturbación del medio, medido por la alturaY  en cualquier punto y en cualquier instante, lo que constituye una buena descripción matemática de una onda armónica. El argumento de la función seno correspondiente pued puedee expresarse también en la forma

dado que ð= 2ð/T  y v  = ð/T ; lo cual permite escribir la ecuación de ondas en función de sus A, el periodo T  y la longitud ð. parámetros o constantes características, tales como la amplitud   A

La ecuación de onda recibe también el nombre de función de onda y puede referirse a una perturbación genérica que no consista precisamente en una altura, si se sustituye Y por por la letra griega ð que designa la magnitud de la perturbación. En tal caso, la función de onda toma la forma

 

en donde ð puede representar la alteración, con el tiempo, de propiedades físicas tan diversas como una densidad, una presión, un campo eléctrico o un campo magnético, por ejemplo, y su propagación por el espacio. Movimiento ondulatorio: Proceso por el que se propaga energía de un lugar a otro sin transferencia de materia, mediante ondas mecánicas o electromagnéticas. En cualquier punto de la trayectoria de propagación se produce un desplazamiento periódico, u oscilación, alrededor de una posición de equilibrio. Puede P uede ser una oscilación de moléculas de aire, como en el caso del sonido que viaja por la atmósfera, de moléculas de agua (como en las olas que se forman en la superficie del mar) o de porciones de una cuerda o un resorte. En todos estos casos, las partículas oscilan en torno a su posición de equilibrio y sólo la energía avanza de forma continua. Estas ondas se denominan mecánicas porque la energía se transmite a través tr avés de un medio material, sin ningún movimiento global del propio medio. Las únicas ondas que no requieren un medio material para su propagación son las ondas o ndas electromagnéticas; en ese caso las oscilaciones o scilaciones corresponden a variaciones en la intensidad de campos magnéticos y eléctricos. ELECTROMAGNETISMO Las ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas tienen componentes eléctricos y magnéticos. La radiación electromagnética puede ordenarse en un espectro que se extiende desde ondas de frecuencias muy elevadas (longitudes de onda pequeñas) hasta frecuencias muy bajas (longitudes de onda altas). La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético. Por orden decreciente de frecuencias (o creciente de longitudes de onda), el espectro electromagnético está compuesto por rayos gamma, rayos X duros y blandos, radiación ultravioleta, luz visible, rayos infrarrojos, microondas y ondas de radio. Los rayos gamma y los rayos X duros tienen una longitud de onda de entre 0,005 y 0,5 nanometros (un nanometro, o nm, es una millonésima de milímetro). Los rayos X blandos se solapan con la radiación ultravioleta en longitudes de onda próximas a los 50 nm. El ultravioleta, a su vez,oda paso a la de luzcalor" visible,seque va aproximadamente desde 400 hasta 800 nm. Los rayos infrarrojos "radiación solapan con las frecuencias de radio de microondas, entre los 100.000 y 400.000 nm. Desde esta longitud de onda hasta unos 15.000 metros, el espectro está ocupado por las diferentes ondas de radio; r adio; más allá de la zona de radio, el espectro entra en las bajas frecuencias, cuyas longitudes de onda llegan a medirse en decenas de miles de kilómetros. los rayos X: Los rayos X son radiaciones electromagnéticas cuya longitud de onda va desde unos 10 nm hasta 0,001 nm (1 nm o nanómetro equivale a 10-9 m). Cuanto menor es la longitud de onda de los rayos X, mayores son su energía y poder de penetración. Los rayos de mayor longitud de onda, cercanos a la banda ultravioleta del espectro electromagnético, se conocen como rayos X blandos; los de menor longitud de onda, que están más próximos a la zona de rayos gamma o incluso se

 

solapan con ésta, se denominan rayos X duros. Los rayos X formados por una mezcla de muchas longitudes de onda diferentes se conocen como rayos X `blancos', para diferenciarlos de los rayos X monocromáticos, que tienen una única longitud de onda. Tanto la luz visible v isible como los rayos X se producen a raíz de las transiciones de los electrones atómicos de una órbita a otra. La luz visible corresponde a transiciones de electrones externos y los rayos X a transiciones de electrones internos. En el caso de la radiación r adiación de frenado obremsstrahlung los rayos X se producen por el frenado o deflección de electrones libres que atraviesan un campo eléctrico intenso. Los rayos gamma, cuyos efectos son similares a los de los rayos X, se producen por transiciones de energía en el interior de núcleos excitados. RAYOS ULTRAVIOLETA: Radiación electromagnética electromagnética cuyas longitudes de onda van aproximadamente desde los 400 nm, el límite de la luz violeta, hasta los 15 nm, donde empiezan los rayos X. (Un nanómetro, o nm, es una millonésima de milímetro). La radiación ultravioleta puede producirse artificialmente mediante lámparas de arco; la de origen natural proviene principalmente del Sol. La radiación ultravioleta puede ser dañina para los seres vivos, sobre todo cuando su longitud de onda es baja. La radiación ultravioleta con longitudes de onda inferiores a 300 nm se emplea para esterilizar superficies porque mata a las bacterias y los virus. En los seres humanos, la exposición a radiación ultravioleta de longitudes de onda inferiores a los 310 nm puede producir quemaduras; una exposición prolongada durante varios años puede provocar cáncer de piel. La atmósfera terrestre protege a los organismos vivos de la radiación ultravioleta del Sol. Si toda la radiación ultravioleta procedente del Sol llegara a la superficie de la Tierra, acabaría probablemente con la mayor parte de la vida en el planeta. Afortunadamente, la capa de ozono de la atmósfera absorbe casi toda la radiación ultravioleta de baja longitud de onda y gran parte de la de alta longitud de onda. Luz: Forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos X. La luz corresponde a oscilaciones o scilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Las L as diferentes sensaciones de color corresponden a luz que vibra con distintas frecuencias, que van desde aproximadamente 4 × 1014 vibraciones por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7,5 × 1014 vibraciones por segundo en la luz violeta. El espectro de la luz visible suele definirse por su longitud de onda, que es más pequeña en el violeta (unas 40 millonésimas de centímetro) y máxima en el rojo (75 millonésimas de centímetro). Las frecuencias mayores, que corresponden a longitudes de onda más cortas, incluyen la radiación ultravioleta, y las frecuencias aún más elevadas están asociadas con los rayos X. Las frecuencias menores, con longitudes de onda más altas, se denominan rayos infrarrojos, y las frecuencias todavía más bajas son características de las ondas de radio. La mayoría de la luz procede de electrones que vibran a esas frecuencias al ser

 

calentados a una temperatura elevada. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la frecuencia de vibración y más azul es la luz producida.

Espectro: Serie de colores semejante a un arco iris —por este orden: violeta, azul, verde, amarillo, anaranjado y rojo— rojo— que se produce al dividir una luz compuesta como la luz blanca en sus colores constituyentes. El arco iris es un espectro natural producido por fenómenos meteorológicos. Puede lograrse un efecto similar haciendo pasar luz solar a través de un prisma de vidrio. La primera explicación correcta de este fenómeno la dio en 1666 el matemático y físico británico Isaac Newton. Cuando un rayo de luz pasa de un medio transparente como el aire a otro medio transparente, por ejemplo vidrio o agua, el rayo se desvía; al volver a salir al aire vuelve a desviarse. Esta desviación se denomina refracción; la magnitud de la refracción depende de la longitud de onda de la luz. La luz violeta, por ejemplo, se desvía más que la luz roja al pasar del aire al vidrio o del vidrio al aire. Así, una mezcla de luces roja y violeta se dispersa al pasar por un prisma en forma de cuña y se divide en dos colores. Muchas fuentes de luz, como el Sol, emiten luz blanca. Esta luz es una mezcla de varios colores: cuando pasa por un prisma, se divide formando un espectro. El prisma desvía (refracta) más o menos la luz de diferentes colores. La luz roja es la menos refractada, y la violeta la más refractada. RAYOS GAMA: Los rayos gamma son un tipo de radiación electromagnética electromagnética cuya altísima energía que comporta sus fotones viaja y se esparce. Los materiales radiactivos (algunos naturales y otros hechos por el hombre en plantas nucleares) son fuentes de emisión de rayos gamma. Los grandes aceleradores

 

de partículas que los científicos usan para estudiar la composición de la materia pueden, a veces, generar rayos gamma. Pero el mayor productor de rayos ggamma amma con una multiplicidad de posibles maneras para generarlos es el universo. En cierto sentido, las radiaciones gamma son el humo que señala los fuegos cósmicos subyacentes. La mayoría de los rayos gamma caen en el extremo inferior de su gama y son emitidos como elementos de desintegración radiactiva o cuando los electrones interactúan con otra materia. Pero una fracción fr acción pertenece al extremo alto del espectro: cuanto más alta la energía, más raro el fotón. La mayor parte de estos fotones parecen ser el producto secundario de colisiones entre rayos cósmicos y otras partículas. Puesto que las diversas partículas cósmicas ceden rayos gamma de energías variables, los astrónomos pueden, examinando el espectro de los rayos gamma recibidos, inferir qué fenómeno los produjo. Por ejemplo, los electrones que chocan con los fotones de baja energía de la luz estelar o pasan a través de nubes de gas ceden fotones por debajo de los 50 MeV. La radiación de alta energía de los rayos gamma nos proporciona importante y nuevos datos sobre las estrellas, los púlsares o los agujeros negros en los que tienen lugar los procesos energéticos que pueden emitirla. Los rayos gamma proceden de núcleos atómicos o de la aniquilación positrón-electrón y son, por ello, independientes del estado químico de la materia. Proporcionan otra serie más de "huellas dactilares" detalladas que pueden ayudarnos a identificar los complejos procesos físicos que rodean a esos objetos cósmicos compactos y exóticos. CÓMO SE PUEDEN GENERAR LOS RAYOS GAMMA: Con un millón o más de veces la energía de los fotones de la luz visible, lo rayos gamma son, con mucho, la forma de radiación electromagnética electromagnética más energética. Los rayos gamma pueden ser producidos por los materiales radiactivos, ya sea fabricados por el hombre o por la misma naturaleza. Existen varios procesos físicos que se han distinguido para que se generen rayos gamma. Entre ellos se pueden señalar los siguientes:   1.- La colisión de una partícula de alta energía con otra; 2.- El aniquilamiento de una partícula a través de la colisión con su propia antipartícula; 3.- La descomposición radiactiva de un elemento, y 4.- La aceleración de una partícula cargada. La colisión de partículas de alta energía produce uno o más piones (AD) neutros de la familia de los mesones. Esta son partículas livianas de número bariónico 0 (1/3 - 1/3) e inestables que se descomponen en un par de rayos gamma. Dado que los piones se mueven a altísimas velocidades como resultado de su violento nacimiento, los rayos gamma se observan proyectándose como una formación en "V". Este proceso origina altos índices de energía en los rayos gamma ( mayores de 72 MeV), que es un reflejo de la incidencia de la energía de las partículas.

 

Una partícula y su correspondiente antipartícula, como un electrón y un positrón, experimentan los que se llama en física proceso de aniquilamiento. Es este proceso el que produce el pión neutro que rápidamente se descompone en rayos gamma. La descomposición radiactiva, o la desexitación electromagnética del núcleo, son fuentes de generación de emisión de rayos gamma. En la observación de los rayos gamma se puede distinguir el estado de exitación en que se hallan los núcleos, identificarla y, a su vez, medir el valor de ella . Para que ello ocurra, es necesario la presencia de condiciones físicas extremas que permitan la exitación de los núcleos para que con ello se puedan dar ambientes físicos únicos para observar. Las fuentes de radiaciones de rayos gamma en el espacio se encuentran asociadas a los procesos de nucleosíntesis, tales como los que se dan en las supernovas. El campo magnético de una partícula cargada autoacelera a ésta. Esto ocasiona que la partícula se radiactive, cuyo poder de emisión es proporcional al cuadrado de la fuerza dividido por el cuadrado de la masa de la partícula. Para el electrón, esta radiación es frecuente en la región de rayos gamma en el espectro electromagnétic electromagnético. o. El carácter de la radiación ( y el nombre que se le da a ello) depende de la naturaleza de la fuerza de aceleración. Si el electrón es acelerado en el campo electrostático alrededor de un núcleo, la radiación resultante es llamada "bresstrahlung"; se le llama radiación ciclotrónica cuando la aceleración tiene lugar en un campo magnético estático, y es nombrado como dispersión Compton o Thomson cuando la aceleración se da en el campo electromagnético de un fotón. Los rayos gamma son tan energéticos que pueden atravesar un espejo situado incluso en el menor ángulo rasante. Comportan la factibilidad de poder generar el extraño extr año fenómeno conocido como producción de pares. Según las leyes de la física cuántica, un rayo gamma que pase cerca de un núcleo atómico puede crear un par de partículas, un electrón y su pareja de antimateria, un positrón. RAYOS INFRAROJOS: Emisión de energía en forma de ondas electromagnéticas en la zona del espectro situada inmediatamente después de la zona roja de la radiación visible. La longitud de onda de los rayos infrarrojos es menor que la de las ondas de radio y mayor que la de la luz visible. Oscila entre aproximadamente 10-6 y 10-3 metros. m etros. La radiación infrarroja puede detectarse como calor, para lo que se emplean instrumentos como el bolómetro. Los rayos infrarrojos se utilizan para obtener imágenes de objetos lejanos ocultos por la bruma atmosférica, que dispersa la luz visible pero no la radiación infrarroja. En astronomía se utilizan los rayos infrarrojos para estudiar determinadas estrellas y nebulosas. Para las fotografías infrarrojas de alta precisión se emplea un filtro opaco que sólo deja pasar radiación infrarroja, pero generalmente basta un filtro corriente anaranjado o rojo claro, que absorbe la luz azul y violeta. La fotografía infrarroja, desarrollada hacia 1880, se ha convertido en la actualidad en una importante herramienta de diagnóstico en la medicina, la agricultura y la industria.

 

Microondas: Ondas electromagnéticas de radio situadas entre los rayos infrarrojos (cuya frecuencia es mayor) y las ondas de radio. Su longitud de onda va aproximadamente desde 1 mm hasta 30 cm. Las microondas se generan con tubos de electrones especiales como el clistrón o el magnetrón, que incorporan resonadores para controlar la frecuencia, o con osciladores o dispositivos de estado sólido especiales. Las microondas tienen muchas aplicaciones: radio y televisión, radares, meteorología, comunicaciones comunicaciones vía satélite, medición de distancias, investigación de las propiedades de la materia o cocinado de alimentos. Las microondas pueden detectarse con un instrumento formado por un rectificador de diodos de silicio conectado a un amplificador y a un dispositivo de registro o una pantalla. La exposición a las microondas es peligrosa cuando se producen densidades elevadas de radiación, como ocurre en los máseres. Pueden provocar quemaduras, cataratas, daños en el sistema nervioso y esterilidad. Todavía no se conocen bien los posibles peligros de la exposición prolongada a microondas de bajo nivel. Radio: Sistema de comunicación mediante ondas electromagnéticas que se propagan por el espacio. Debido a sus características variables, se utilizan ondas radiofónicas de diferente longitud para distintos fines; por lo general se identifican mediante su frecuencia. Las ondas más cortas poseen una frecuencia (número de ciclos por segundo) más alta; las ondas más largas tienen una frecuencia más baja (menos ciclos por segundo). El nombre del pionero alemán de la radio Heinrich Hertz ha servido para bautizar al ciclo por segundo (hertz, hercio o hertzio, Hz). Un kilohercio (Khz.) es 1.000 ciclos por segundo, 1 megahercio (MHz) 1 millón de ciclos por segundo y 1 giga hercio (GHz) es 1 billón de ciclos por segundo. Las ondas de radio van desde algunos kilohertzios a varios giga hertzios. Las ondas de luz visible son mucho más cortas. En el vacío, toda radiación electromagnética se desplaza en forma de ondas a una velocidad uniforme de 300.000 kilómetros por segundo. Las ondas de radio se utilizan no sólo en la radiodifusión, sino también en la telegrafía inalámbrica, la transmisión por teléfono, la televisión, t elevisión, el radar, los sistemas de navegación y la comunicación espacial. En la atmósfera, las características físicas del aire ocasionan pequeñas variaciones en el movimiento ondulatorio, que originan errores en los sistemas de comunicación radiofónica como el radar. Además, las tormentas o las perturbaciones eléctricas provocan fenómenos anormales en la propagación de las ondas de radio. Las ondas electromagnéticas dentro de una atmósfera uniforme se desplazan en línea recta, y como la superficie terrestre es prácticamente esférica, la comunicación radiofónica a larga distancia es posible gracias a la reflexión de las ondas de radio en la ionosfera. Las ondas radiofónicas de longitud inferior a unos 10 m, que reciben los nombres de frecuencias muy alta, ultra elevada y súper elevada (VHF, UHF y SHF), no se reflejan en la ionosfera; así, en la práctica,

 

estas ondas muy cortas sólo se captan a distancia visual. Las longitudes de onda inferiores a unos pocos centímetros son absorbidas por las gotas de agua o por las nubes; las inferiores a 1,5 cm pueden quedar absorbidas por el vapor de agua existente en la atmósfera limpia. Las ondas de frecuencia audio hay que mezclarlas con ondas portadoras para poder ser emitidas por la radio. Es necesario modificar la frecuencia (ritmo de oscilación) o la amplitud (altura) mediante un proceso denominado modulación. Estos dos procesos explican la existencia de los dos tipos de estaciones AM o FM en la radio. Las señales son totalmente diferentes, por lo que no pueden recibirse simultáneamente. APLICACIONES EN LA VIDA. LA BRUJULA: Un imán que pude girar en un plano horizontal, ser orienta siempre de modo que marca la dirección norte-sur. Pero ¿por qué sé orienta así y no de otra manera? La explicación es sencilla. Sabemos que un imán que se acerque a otro tiende ha orientarse de modo que sus polos de distinto nombre se coloquen lo más próximos posible. Ahora bien, si nuestros imán, esta lejos de otros imanes, queda quito en una determinada posición, de manera que uno de sus polos señalen norte geográfico, es por que la tierra se comporta como un potente imán, cuyo polo sur magnético esta situado cerca del norte geográfico . El anterior hecho ah llevado ha llamado polo norte del imán al polo que queda próximo al norte geográfico decimos próximo, ya que el polo magnético no coincide exactamente con el geográfico. La aguja magnético forma un cierto ángulo, denominado ángulos de declinación magnética, con el eje de la tierra. Existen noticias de que los chinos conocían en el siglo primero de nuestra era, el hecho de las agujas magnéticas (imanes en forma de rombo muy alargado) se orientaban en una posición determinada hacia el siglo 11 se comprobó que esa dirección era aproximadamente la norte -sur , siendo este hecho el origen de la brújula , instrumento utilizado para orientación. BASES PARA LA TRANSMISIÓN TRANSMISIÓN DE MENSAJES: La evolución de las redes de telecomunicación ha dependido del desarrollo de materiales conductores, la explotación del espectro radio eléctrico y el diseño de artefactos para generar y recibir radiaciones. Por ello, las telecomunicaciones son fruto de los cambios de la física desde antes de la primera revolución industrial, aunque su desarrollo se hace presente desde el siglo XIX. Los aportes científicos y tecnológicos de la electrónica, microelectrónica, ciencia de materiales y el espacio, óptica, cibernética, entre otros, ya en el siglo XX incidieron directamente en el perfeccionamiento perfeccionamie nto de las primeras redes y la diversificación de servicios. Los estudios sobre electricidad y magnetismo se iniciaron a mediados del siglo XVII, considerándose como dos fenómenos distintos y separados. Las investigaciones sobre el

 

magnetismo no se realizaban con el mismo interés que la primera, aunque desde antes de la Era Cristiana, los chinos utilizaban piedras-imanes como brújulas. Entre los estudios sobre magnetismo, sobresalen desde principios del siglo XVII, el del inglés William Gilbert que en 1600 publicó el libro De Magnete donde consideraba a la tierra como un gran imán girando en el espacio y establecía una base racional para comprender el movimiento de la aguja de una brújula y su atracción hacia los polos norte y sur de la tierra. Para Inglaterra, esto significó, en momentos en que poseía la marina más poderosa del mundo, un pilar estratégico para la navegación comercial y la conquista de territorios. Curiosamente, por esa misma fecha, Gilbert fue nombrado médico de la Reina. Para 1675, el físico irlandés Robert Boyle (1627-1691) construyó una bomba de vacío lo suficientemente eficiente para probar que el magnetismo funcionaba bién tanto en el vacío como en la atmósfera. En este mismo siglo, los experimentos para generar, almacenar y conducir electricidad fueron constantes. El físico alemán Otto von Guericke (1602-1682) generó electricidad en laboratorio cuando construyó en 1665 el globo rotatorio o esfera que producía chispas por fricción. La máquina de Guericke consistía en una gran esfera de cristal que contenía sulfuro, se montaba sobre un eje con manivela y al hacerla girar a gran velocidad tocaba una tela de tal forma que soltaban chispas entre dos bornes separados que hacían contacto con la esfera por medio de unas escobillas. En 1729, el inglés Stephen Gray (1666-1736) descubrió la manera de tr transmitir ansmitir electricidad por frotamiento de varillas de vidrio. Posteriormente, en 1745, el prusiano Ewald Ch. von Kleist (1715(1715 1759) realizó experimentos para acumular electricidad; en una botella de cristal medio llena de agua y sellada con un corcho, introdujo un clavo hasta hacerlo tocar el agua, luego aproximó la cabeza del clavo a una máquina de fricción para comunicarle carga; al poner en contacto la cabeza del clavo a un cuerpo no electrificado para ver si había capturado electricidad, saltó una potente chispa que estremeció su brazo. Había descubierto que la energía se puede almacenar. Años después, en 1753, el estadista y politólogo norteamericano Benjamin Franklin (1706-1790) hizo descender una corriente eléctrica de una nube tormentosa, sometió a prueba el pararrayos e ideó la manera de conservar la carga eléctrica. El francés Charles Coulomb (1736-1806), encontró en 1785 la forma de medir la electricidad y el magnetismo. Finalmente en 1795 el físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) consiguió producir y almacenar electricidad. Volta creyó que la electricidad procedía de los metales, por lo que construyó una pila voltaica o batería de pares de discos, uno de zinc y otro de plata, separando cada par por una piel o un disco de papel. Estos discos absorbentes que separaban los metales fueron empapados con una solución (agua salada o vinagre). Este descubrimiento aclaró que, en efecto, para almacenar energía se necesitaban dos tipos de metal y productos químicos para producir chispas, tal como lo venía v enía sosteniendo el italiano Luigi Galvani (1737-1798), quien al realizar la disección de una rana cerca de una máquina generadora observó que se había producido una chispa entre la rana y la máquina, lo que le hizo pensar que había descubierto una fuente de electricidad en los animales.

 

EL DESCUBRIMIENTO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS, ELECTROMAGNÉTICAS, SUSTENTO PARA LA TRANSMISIÓN INALÁMBRICA: INALÁMBRICA: El descubrimiento que revolucionó la comunicación telegráfica y telefónica fue la aplicación de la radioelectricidad a estos dos tipos de telecomunicación a finales del siglo XIX, mismo que permitió la transmisión telegráfica inalámbrica, facilitó la comunicación entre largas distancias y ahorró la construcción de extensas redes de hierro galvanizado o cobre. Hasta el siglo referido, prevalecía aún la idea newtoniana de la luz como emisión de partículas de un foco emisor; cuando se superó ese paradigma de la física, aparecieron descubrimientos sucesivos que sentaron las bases para la telegrafía y la telefonía sin hilos. El físico británico James C. Maxwell (1831-1879) formuló la teoría electromagnética de la luz señalando su carácter ondulatorio, es decir su transmisión tr ansmisión a través de ondas invisibles para el ojo humano. Estableció que los campos eléctrico y magnético, actuando juntos, producían un nuevo tipo de energía llamada radiación. En 1873 publicó el Tratado sobre electricidad y magnetismo, que se reconoce ahora como el origen de la actual teoría electromagnética. Posteriormente, el alemán Heinrich R. Hertz (1857-1894), entre 1885-1889, comprobó por la vía experimental la existencia de las ondas electromagnéticas. Con el descubrimiento de estas ondas que viajan en el espacio, se ideó la forma de producirlas y recibirlas a través de aparatos que aprovecharan los fenómenos eléctricos que la física había descubierto. Diez años antes de que Hertz comprobara la existencia de las ondas electromagnéticas, el italiano Guillermo Marconi (1874-1937) consiguió el 2 de junio de 1891 una patente para la telegrafía sin hilos. Marconi se había concentrado en la idea de utilizar dichas ondas para transmitir señales a través del espacio. Construyó un aparato con el objeto de conectar al transmisor y rreceptor eceptor con una antena y a la tierra. En junio de 1896 transmitió el primer mensaje radiotelegráfico hallándose el receptor a 250 metros del emisor y separados por muros. Para 1897 logró comunicaciones más lejanas cuando transmitió un telegrama a una distancia de nueve millas entre las ciudades de Lavernock y Brean Down, en Italia. Con ello, las ondas hertzianas posibilitaron la comunicación inalámbrica entre los hombres. La comunicación inalámbrica maravilló al mundo. Muy pronto todos los barcos de guerra fueron provistos de aparatos de radiotelegrafía, empezaron a recibir r ecibir noticias de lo que ocurría en el mundo, y en 1904 los grandes trasatlánticos ya imprimían diariamente periódicos a bordo. En 1907 comenzó a funcionar un servicio transocéanico para radiogramas. Pero esto nada más era er a telegrafía. Aún no existía la radiotelefonía r adiotelefonía tal como se conoce hoy, es decir, no había en las casas aparatos pequeños por los que se pudiera escuchar música. Lo que posibilitó la introducción de radiotelefonía en los hogares fue la transición, dentro del campo de las ondas electromagnéticas, del telégrafo al teléfono. El primer paso para lograr que la radiotelegrafía se convirtiera en radiotelefonía fue el invento de la válvula, el bulbo y el micrófono. El necesitaba pararadiotelefónicas poner los sonidos so nidos "en el aire", y el bulbo El micrófono micrófono se modula las ondas enviadas, mientras que elpara tuboponerlos rectifica yy sacarlos. aumenta

 

la débil corriente radiotelefónica recibida, hasta lograr reproducir los sonidos en un auricular o un altoparlante. Con estos adelantos, para 1908 fue posible sostener una conversación radiotelefónica entre Roma y Sicilia, a una distancia de 500 kilómetros, aproximadamente. La utilidad de la telegrafía t elegrafía inalámbrica quedó demostrada tempranamente en muy dramáticas circunstancias, con ocasión del naufragio del vapor Titanic, que durante su viaje inaugural chocó el 15 de abril de 1912 contra un iceberg cuando navegaba rumbo a Nueva York. Sólo 707 de 2,224 personas a bordo se salvaron gracias gr acias a las llamadas de auxilio enviadas por telegrafía sin hilos a otros barcos. Al año siguiente también las llamadas de socorro radiadas desde el buque italiano Volturno, que se incendió en pleno océano Atlántico, hicieron acudir a diez barcos en su auxilio y pudieron rescatar a 521 personas. Los científicos que contribuyeron a hacer realidad este medio de telecomunicación, telecomunicación, quizá nunca pensaron que sus descubrimientos serían la base para el despegue y desarrollo posterior de grandes industrias lucrativas como la telefonía sin hilos, la navegación marítima, la transportación aérea, la comunicación por satélite y la conquista espacial. La capacidad para mover información a la velocidad de la luz mediante el telégrafo tr trajo ajo consigo la expansión e integración de los mercados, por la reducción de los costos de transacción y el fácil movimiento de capitales. También hizo posible el desarrollo de instituciones modernas como la bolsa de valores, las aseguradoras y servicios de información. En Estados Unidos así como en otros países las líneas telegráficas se ttendieron endieron sobre las vías de los ferrocarriles, lo que trajo beneficios para ambas empresas. La administración y operación de los ferrocarriles se volvió más eficaz por la provisión de despachos eléctricos con información sobre la localización de cada tren o del estado de sus vías. Los ferrocarriles por su parte dieron a las compañías telegráficas un derecho exclusivo de uso de sus rutas. Al mismo tiempo que la telegrafía t elegrafía se instauraba como medio eficiente de comunicación, surgieron otros medios más avanzados como el teléfono, la radiotelegrafía, la radiotelefonía y la televisión, para lo cual concurrieron diversas relaciones de carácter técnico, organizativo y económico al grado que los sistemas telegráficos y telefónicos empezaron pronto a compartir redes; e incluso desde la década de los cuarenta de este siglo las compañías telefónicas y telegráficas empezaron a emplear equipos de red similares a gran escala. Asimismo, con la radiocomunicación, la telegrafía sin hilos se convirtió en el medio por excelencia para las comunicaciones internacionales y prácticamente confinó a las redes de cable a uso local. Conclusión. Después de realizar este trabajo de investigación sobre el electromagnetismo, podemos concluír que desde su descubrimiento como hecho científico y posterior rama de la Física ha participado activamente en la era moderna de las comunicaciones comunicaciones principalmente y de esta manera también ha revolucionado la interrelación entre los hombres. También ha dado un gran giro a la medicina,

 

en la que actualmente es un elemento de suma importancia para el descubrimiento, tratamiento y cura de diferentes enfermedades. Para todo esto los científicos, como Maxwell, demostraron, por ejemplo, que la luz es uno de los componentes del espectro electromagnético. Todas esas sondas son de carácter electromagnético y tienen la misma velocidad en el espacio libre. Difieren solo en su longitud de onda(y por consiguiente en frecuencia) solamente, lo que quiere decir que las fuentes que dan lugar a esas ondas y los instrumentos que se usan para realizar medidas con ellas son sumamente diferentes. Gracias a estos hombres hoy en día podemos utilizar todos estos componentes para fines, la mayoría de las veces, benéficos que nos ayudan a alcanzar una mayor comodidad y mejor calidad de vida.

BIBLIOGRAFÍA.   HEREDIA, Vicente y NEGRO L, José María. Hacia la física y la química, Editorial Alhambra

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S.A. Impreso en España 1977.   Tecnología Eléctrica. Electricidad, Magnitudes y Unidades. Ed. Mc Graw Hill. México, M éxico, 1994. 

  Física para estudiantes de Ciencias e Ingenierías, Halliday y Resnick.

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www.electromag.es.com .  www.fisica/electric.es.com   www.IEEE.com   www.fisica/inves/electrom.com  

 

ARTICULO SOBRE LA IMPOTANCIA DE LA OPTICA EN EL DESARROLLO DE LA SOCIEDAD

La óptica es la parte de la física que se encarga del estudio de la luz. Es la ciencia de la luz, es decir, del rango de longitudes de onda electromagnética que pueden ser percibida por el ojo humano. La óptica también tiene que ver con la generación, propagación, interacción y detección de la "luz". A nivel mundial, el reciente desarrollo y crecimiento de la óptica ha tenido como consecuencia novedosas aplicaciones en las actividades cotidianas del ser humano, como ejemplo véase la figura 2. Desde el punto de vista de las aplicaciones en la óptica, se pueden separar en cuatro grandes áreas en las cuales inciden las investigaciones que actualmente se rrealizan: ealizan: Instrumentación óptica, comunicaciones ópticas, metrología óptica. Sin embargo, y como soporte de estos tres, debe de mencionarse un área más de investigación, la óptica de frontera (y que está estrechamente relacionada con la fotónica). Como se muestra en la figura 3, 3 , estos cuatro grupos de aplicaciones no están aisladas entre si, al contrario, hay una estrecha relación entre ellos. Por ejemplo, las aplicaciones en instrumentación óptica están relacionadas con aplicaciones en comunicacioness ópticas y metrología, así mismo, la óptica de frontera está relacionada con la comunicacione instrumentación óptica a través de las nuevos conceptos o descubrimientos que se van generando. Desde el punto de vista académico, la óptica ó ptica podría clasificarse para su estudio en dos ggrandes randes grupos, la óptica básica y la fotónica. La óptica básica se encarga de estudiar los fenómenos fundamentales, como la propagación de la luz de un medio a otro, la polarización, la difracción, y la coherencia de la luz, etc. La fotónica se refiere al estudio de fenómenos más complejos de la óptica, en la fotónica se entrelazan fenómenos básicos y complejos de la óptica. El estudio de la fotónica concierne al estudio de los láseres, amplificadores ópticos, holografía, fibras ópticas, cristales especiales (fotónicos), electro-óptica, acustoóptica, óptica estadística, óptica cuántica, etc. Los temas que se analizan an alizan dentro de la fotónica llevan a la creación de nuevas tecnologías en comunicaciones, comunicacione s, sensores y computación. Para tener entonces un panorama general de las aplicaciones en óptica, analizaremos los siguientes grupos relacionados a la óptica: Instrumentación Optica: se incluye el estudio y diseño de elementos, y sistemas ópticos que se utilizan principalmente para colectar imágenes. Como ejemplo de ello podemos citar: lentes, prismas, espejos, microscopios, telescopios, etc. Los temas relacionados con la instrumentación óptica son: trazo de rayos, aberraciones, análisis de Fourier, difracción etc. Para unos ejemplos, véase la figuras 4a y 4b. Los sistemas ópticos se utilizan en muchos ámbitos de la vida cotidiana así como en investigaciones científicas, aplicaciones tecnológicas y militares.

 

Metrología Óptica: tienen que ver con el monitoreo de parámetros físicos, usando sistemas y métodos de no contacto, utilizando luz, lo cual lleva a realizar pruebas no destructivas. Los temas relacionados con este polo de aplicaciones son: sistemas ópticos, polarización, interferencia, emisión de la luz, detectores de luz, procesamiento de imágenes, etc. La metrología óptica ha tenido un gran impacto en la solución de problemas industriales y de ingeniería, igualmente se han implementado técnicas de monitoreo en el área médica. Óptica de Frontera: investiga fenómenos relacionados con radiación luminosa de alta potencia, la rápida detección y transmisión de información generada con luz, nuevos materiales ópticos, fuentes de radiación y detección luminosa, como ejemplo véase las figuras 7a y 7b. Temas relacionados: coherencia, óptica cuántica, fibras fotónicas, óptica no lineal, etc. Las L as aplicaciones derivadas de estos estudios se reflejan en la aparición de nuevos tipos de láseres o bien en el perfeccionamiento perfeccionamie nto de los ya existentes. Estas investigaciones también permiten el empleo de nuevos materiales para aplicaciones diversas como en las comunicaciones y sensores ópticos. La comprensión de nuevos fenómenos en este campo son empleados para mejorar la solución de algunos problemas ya existentes y para solucionar algunos otros que habían sido considerados con anterioridad. Comunicacioness Opticas: en este grupo de aplicaciones se utiliza a la luz como portadora de Comunicacione información y se usan sistemas ópticos para la transmisión y recepción de señales, ver figura 5. Los temas relacionados con esta área ár ea de aplicaciones son: cristales especiales, fibras ópticas, detectores, fuentes de luz (láseres), procesamiento de señales, holografía, óptica no lineal, entre otros. Una aplicación importante de la óptica en comunicaciones, comunicaciones, es el empleo de fibra óptica ó ptica para el envió de información a través de lo que conocemos como "internet". La óptica ha estado presente desde siempre y ha evolucionado desde los inicios de la ciencia. La óptica es una rama de la física y está estrechamente relacionada relacionada con otras áreas ár eas de investigación de la propia física. Sus avances y contribuciones ya son imprescindible imprescindibless para nuestra vida cotidiana. La Física de la Optica se encuentra en la comprensión los fenómenos relacionados con la generación, propagación, interacción y detección de la "luz". Se pueden identificar tres áreas de aplicaciones de la óptica, Instrumentación, Comunicaciones Comunicaciones y Metrología, así como un área más de soporte y generación de nuevos conocimientos: la Optica de Frontera.

 

MONOGRAFIA SOBRE LA OPTICA La óptica (del griego optomai, ver) es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia. Naturaleza de la luz. Antes de iniciar el siglo XIX la luz se consideraba como una corriente de partículas emitidas por el objeto que era visto o que se emitían de los ojos del observador. El principal exponente de la teoría corpuscular de la luz fue Isaac Newton, quien explico que las partículas eran emitidas por una fuente luminosa y que estas estimulaban el sentido de la visión al entrar al ojo. Con base a ello, él pudo explicar la reflexión y la refracción. La mayoría de los científicos acepto la teoría corpuscular de la luz de  Newton. Sin embargo, durante el curso de su vida fue propuesta otra teoría, una que argüía que la luz podría ser un tipo de movimiento ondulatorio. En 1678 un físico y astrónomo holandés, Christian Huygens, demostró que la teoría de la luz podría explicar también la reflexión y refracción. La teoría ondulatoria no fue aceptada de inmediato. Asimismo se argüía que si la luz era alguna forma de onda, debería rodear los obstáculos; por tanto, podríamos ver los objetos alrededor de las esquinas. Ahora se sabe que efectivamente la luz rodea los bordes de los objetos. El fenómeno, conocido como difracción, no es fácil de observar por que las ondas luminosas tienen longitudes de ondas cortas. De este modo, aunque Francesco Grimaldi (1618-1663) proporciono pruebasexperimentales para la difracción aproximadamente en 1660, la mayoría de los científicos rechazo la teoría ondulatoria y acepto la teoría corpuscular de Newton durante más de un siglo. La primera demostración clara de la  naturaleza ondulatoria de la luz fue proporcionada en 1801 por Thomas Young (1773-1829), quien demostró que, en condiciones apropiadas los rayos luminosos interfieren entre sí. En ese entonces dicho comportamiento no podía explicarse mediante la teoría corpuscular debido a que no hay manera m anera concebible por medio de la cual dos o más partículas puedan juntarse y cancelarse una a la otra. o tra. Varios años después u físico francés, Agustín Fresnel (1788-1829), efectuó varios experimentos relacionados con la interferencia y la difracción. En 1850 Jean Foucault (1791-1868) proporciono más pruebas de lo inadecuado de la teoría corpuscular al demostrar que la rapidez de la luz en líquidos es menor que en el aire. Otros experimentos realizados durante el siglo XIX llevaron a la aceptación de la teoría ondulatoria de la luz, y  el trabajo más importante fue el de Maxwell, quien en 1873 afirmo que la luz era una forma de onda electromagnética de alta frecuencia. Aunque el modelo ondulatorio y la teoría clásica de la electricidad y el magnetismo pudieron explicar la mayor parte de las propiedades conocidas de la luz no ocurrió lo mismo con algunos experimentos subsecuentes. subsecuentes. El más impresionante de estos es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Hertz: cuando loas luz incide sobre una superficie metálica, algunas veces los electrones son arrancados de la superficie. Como un ejemplo de las dificultades que surgen, los experimentos

 

mostraban que la energía cinética de un electrón arrancado es independiente de la intensidad luminosa. El hallazgo contradecía la teoría ondulatoria, la cual sostenía que un has más intenso de luz debe agregar más energía al electrón. Una explicación del efecto fotoeléctrico fue propuesta por Einstein en 1905 en una teoría que empleo el concepto de cuantizacion supone que la energía de una onda luminosa está presente en paquetes llamados fotones; por tanto, se dice que la energía esta cuantizada. De acuerdo con la teoría de Einstein la energía de un fotón es proporcional a la frecuencia de onda electromagnética: E=hf   Donde la constante de proporcionalidad h=6.63x10ˆ34J*s es la constante de Planck. Es importante observar que esta teoría retiene algunas características tanto de la teoría ondulatoria como de la teoría corpuscular. El efecto fotoeléctrico es una consecuencia de la transferencia de energía de un solo fotón a un electrón a un metal y aun este fotón tiene características similares a las ondas ya que su energía su energía está determinada por la frecuencia (una cantidad ondulatoria). En vista de los hechos ya referidos, debe considerarse que la luz tiene una naturaleza dual:  En algunos casos la luz actúa como una onda y en otros como una partícula. La luz es luz sin duda. Sin embargo la pregunta, ¿"la luz es onda o partícula""? es inadecuada. En algunos casos la luz actúa como una onda y en otros como una partícula. Mediciones de la velocidad de la luz

Óptica Geométrica  El estudio de las imágenes, producidas por refracción r efracción o por reflexión de la luz se llama óptica geométrica. La óptica geométrica se ocupa de las trayectorias de los rayos luminosos, despreciando los efectos de la luz como movimiento ondulatorio, como las interferencias. Estos efectos se pueden despreciar cuando el tamaño la longitud de onda es muy pequeña en comparación de los objetos que la luz encuentra a su paso. Para estudiar la posición de una  imagen con respecto a un objeto se utilizan las siguientes definiciones: Eje óptico. Eje de abscisas perpendicular al plano refractor. El sentido positivo se toma t oma a la derecha al plano refractor, que es el sentido de avance de la luz. Espacio objeto. Espacio que queda a la izquierda del dioptrio. Espacio imagen. Espacio que queda a la derecha del dioptrio. Imagen real e imagen virtual. virtual. A pesar del carácter ficticio de una imagen se dice que una imagen es real si está formada por dos rayos refractados convergentes. Una imagen real se debe observar en una pantalla. Se dice que es virtual si se toma por las prolongaciones de dos rayos refractados divergentes.

 

  Dos puntos interesantes del eje óptico son el foco objeto y el foco imagen: Foco objeto. Punto F del eje óptico cuya imagen se encuentra en el infinito del espacio imagen. Foco imagen. Punto F´ del eje óptico que es la imagen de un punto del infinito del espacio objeto. La construcción de imágenes es muy sencilla si se utilizan los rayos principales: Rayo paralelo: Rayo paralelo al eje óptico que parte de la parte superior del objeto. Después de refractarse pasa por el foco imagen. Rayo focal: Rayo que parte de la parte superior del objeto y pasa por el foco objeto, con lo cual se refracta de manera que sale paralelo. Después de refractarse r efractarse pasa por el foco imagen. Rayo radial: Rayo que parte de la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio. Este rayo no se refracta y continúa en la mismas dirección ya que el ángulo de incidencia es igual a cero

 

Reflexión y Refracción

Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido. La cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el punto de incidencia. El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo análogo. Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia se encuentran en un mismo plano. Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una imagen reflejada. Si la superficie del segundo medio es rugosa, las normales a los distintos puntos de la superficie se encuentran en direcciones aleatorias. En ese caso, los rayos que se encuentren en el mismo plano al salir de una fuente puntual de luz tendrán un plano de incidencia, y por tanto de reflexión, aleatorio. Esto hace que se dispersen y no puedan formar una imagen. Ley de Snell Esta importante ley, llamada así en honor del matem matemático ático holandés Willebrord van Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una sustancia transparente más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal, mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y refractados en esa misma dirección. Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo que está en realidad. Prismas Cuando la luz atraviesa un prisma — un un objeto transparente con superficies planas y pulidas no  paralelas — , el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro. Puede demostrarse demostrarse que cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma. Ángulo crítico

 

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso, y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia, hay un determinado ángulo de incidencia, denominado denominado ángulo crítico o ángulo límite, para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por lo que avanza justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente reflejados. La reflexión reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 6 muestran la refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total. La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente totalmente en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles, que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e incluso en vasos sanguíneos. Superficies esféricas y asféricas La mayor parte de la terminología tradicional de la óptica geométrica se desarrolló en relación con superficies esféricas esféricas de reflexión y refracción. Sin embargo, a veces se consideran superfic superficies ies no esféricas o asféricas. El eje óptico es una línea de referencia que constituye un eje de simetría, y pasa por el centro de una lente o espejo esféricos y por su centro de curvatura. Si un haz de rayos estrecho que se propaga en la dirección del eje óptico incide sobre la superficie esférica de un espejo o una lente delgada, los rayos se reflejan o refractan de forma que se cortan, o  parecen cortarse, cortarse, en un punto situa situado do sobre el ej ejee óptico. La distan distancia cia entre es esee punto (ll (llamado amado foco) y el espejo o lente se denomina distancia focal. Cuando una lente es gruesa, los cálculos se realizan refiriéndolos a unos planos denominados planos  principales,, y no a llaa superficie real de la lente. Si las dos su  principales superficies perficies de una lente no son iguales iguales,, ésta  puede tener dos distanci distancias as focales focales,, según cuá cuáll sea la ssuperficie uperficie sobre la que incide la lluz. uz. Cuando un objeto está situado en el foco, los rayos que salen de él serán paralelos al eje óptico después de ser reflejados o refractados. Si una lente o espejo hace converger los rayos de forma que se corten delante de dicha lente o espejo, la imagen será real e invertida. Si los rayos divergen después de la reflexión o refracción de modo que parecen venir de un punto por el que no han pasado realmente realmente,, la imagen no está invertida y se denomina imagen virtual. La relación entre la altura de la imagen y la altura del objeto se denomina aumento lateral. La distancia focal de un espejo esférico es igual a la mitad de su radio de curvatura. Si el objeto está situado entre la superficie del espejo y su foco, la imagen es virtual, aumentada y no invertida. Un espejo convexo sólo forma imágenes virtuales, reducidas y no invertidas, a no ser que se utilice junto con otros componentes ópticos. Lentes

 

Las lentes con superficies de radios de curvatura pequeños tienen distancias focales cortas. Una lente con dos superficies convexas siempre refractará los rayos paralelos al eje óptico de forma que converjan en un foco situado en el lado de la lente opuesto al objeto. Una superficie de lente cóncava desvía los rayos incidentes paralelos al eje de forma divergente; a no ser que la segunda superficie sea convexa y tenga una curvatura mayor que la primera, los rayos divergen al salir de la lente, y parecen provenir de un punto situado en el mismo lado de la lente que el objeto. Estas lentes sólo forman imágenes virtuales, reducidas y no invertidas. Si la distancia del objeto es mayor que la distancia focal, una lente convergente forma una imagen real e invertida. Si el objeto está lo bastante alejado, la imagen será más pequeña que el objeto. Si la distancia del objeto es menor que la distancia focal de la lente, la imagen será virtual, mayor que el objeto y no invertida. En ese caso, el observador estará utiliz utilizando ando la lente como una lupa o microscopio simple. El ángulo que forma en el ojo esta imagen virtual aumentada (es decir, su dimensión angular aparente) es mayor que el ángulo que formaría el objeto si se encontrara a la distancia normal de visión. La relación de estos dos ángulos es la potencia de aumento de la lente. Una lente con una distancia focal más corta crearía una imagen virtual que formaría un ángulo mayor,  por lo que su su potencia de aumento sería may mayor. or. La potencia de aumento de un sist sistema ema óptico iindica ndica cuánto parece acercar el objeto al ojo, y es diferente del aumento lateral de una cámara o telescopio, por ejemplo, donde la relación entre las dimensiones reales de la imagen real y las del objeto aumenta según aumenta la distancia focal La cantidad de luz que puede admitir una lente aumenta con su diámetro. Como la superficie que ocupa una imagen es proporcional al cuadrado de la distancia focal de la lente, la intensidad luminosa de la superficie de la imagen es directamente proporcional al diámetro de la lente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia focal. Por ejemplo, la imagen producida por una lente de 3 cm de diámetro y una distancia focal de 20 cm sería cuatro veces menos luminosa que la formada por una lente del mismo diámetro con una distancia focal de 10 cm. La relación entre la distancia focal y el diámetro efectivo de una lente es su relación focal, llamada también número f. Su inversa se conoce como abertura relativa. Dos lentes con la misma abertura relativa tienen la misma luminosidad, independientemente de sus diámetros y distancias focales. Aberración La óptica geométrica predice que la imagen de un punto formada por elementos ópticos esféri esféricos cos no es un punto perfecto, sino una pequeña mancha. Las partes exteriores de una superficie esférica tienen una distancia focal distinta distinta a la de la zona central, y este defecto hace que la imagen de un punto sea un  pequeño círculo. círculo. La dif diferencia erencia en dis distancia tancia focal entre las distintas partes de llaa sección esférica ssee denomina aberración esférica. Si la superficie de una lente o espejo, en lugar de ser una parte de una esfera es una sección de un  paraboloide de revolución, llos os rayos paralelos que inciden en cual cualquier quier zona de la super superficie ficie se concentran en un único punto, sin aberración esférica. Mediante combinaciones de lentes convexas y cóncavas puede corregirse la aberración esférica, pero este defecto no puede eliminarse con una única lente esférica para un objeto e imagen reales.

 

 Defectos de la Visión La miopía y la hipermetropía están causadas por una falta de simetría en la forma del globo ocular, o por defecto, por la incapacidad de los músculos oculares para cambiar la forma de las lentes y enfocar de forma adecuada la imagen en la retina. La miopía puede corregirse con el empleo de lentes bicóncavas y la hipermetropía requiere lentes convexas. La presbicia se ydebe a la pérdida de elasticidad Todas de los estas tejidosalteraciones oculares con edad; suele empezarcon a partir de los 45 años, es similar a la hipermetropía. se la corrigen con facilidad el uso de lentes adecuadas El astigmatismo resulta de la deformación de la córnea o de la alteración de la curvatura de la lente ocular, con una curvatura mayor a lo largo de un meridiano que del otro; el resultado es una visión distorsionada distorsiona da debido a la imposibilidad de que converjan los rayos luminosos en un sólo punto de la retina. Los defectos, debilidad o parálisis de los músculos externos del globo ocular pueden originar defectos de la visión como la diplopía o visión doble, y el estrabismo, o bizquera. En los casos incipientes, el estrabismo puede curarse con el uso de lentes con forma de cuña; en estados avanzados suele ser necesaria la cirugía de los músculos oculares Espejos Espejo, dispositivo óptico, generalmente de vidrio, con una superficie lisa y pulida, que forma imágenes mediante la reflexión de los rayos de luz.En la Biblia ya se mencionan espejos hechos de latón, y los antiguos egipcios, griegos y romanos empleaban habitualmente espejos de bronce. Los griegos y romanos también utilizaban plata pulida para producir reflexión. Los primeros espejos de vidrio rudimentarios comenzaron a fabricarse en Venecia alrededor de 1300. A finales del siglo XVII ya se hacían espejos en Gran Bretaña, y posteriormente su fabricación se convirtió en una industria importante en otros países europeos y americanos.El primero en intentar cubrir el reverso del vidrio con una solución de plata fue el químico alemán Justus von Liebig, en 1836; desde entonces se han desarrollado diferentes métodos que se basan en la reducción química a plata metálica de una sal de plata.En la actualidad, para fabricar espejos según este principio, se corta una plancha de vidrio del tamaño adecuado y se eliminan todos sus defectos puliéndola puliéndola con rojo de joyero.El vidrio se frota y se baña con una disolución reductora como cloruro de estaño, tras lo cual se coloca el vidrio sobre un soporte hueco de hierro colado, se cubre con fieltro y se mantiene caliente con vapor. Después se vierte una disolución de nitrato de plata sobre el vidrio y se deja reposar durante aproximadamente una hora. El nitrato de plata se reduce a plata metálica, con lo que se forma gradualmente un reluciente depósito de plata que se deja secar, se cubre con goma laca y se pinta. En otros métodos de fabricación de espejos, se añade a la disolución de plata un agente reductor, como formaldehído o glucosa. Frecuentemente, los compuestos químicos para el plateado se aplican en forma de aerosol. A veces, algunos espejos especiales se recubren de metal vaporizando eléctricamente plata sobre ellos en un vacío. Muchas veces, los espejos grandes se recubren de aluminio con este mismo sistema. Además de suimportantes uso habitualdeenlos el microscopios hogar, los espejos emplean en aparatos científicos; por ejemplo, son componentes y lossetelescopios.