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fisica basica javier

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Contenidos Artículos Magnitud física

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Radiación electromagnética

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Óptica

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Referencias Fuentes y contribuyentes del artículo

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Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentes

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Licencias de artículos Licencia

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Magnitud física

Magnitud física Una magnitud física es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición. Las magnitudes físicas se miden usando un patrón que tenga bien definida esa magnitud, y tomando como unidad la cantidad de esa propiedad que posea el objeto patrón.

Por ejemplo, se considera que el patrón principal de longitud es el metro en el Sistema Internacional de Unidades.

Las primeras magnitudes definidas estaban relacionadas con la medición de longitudes, áreas, volúmenes, masas patrón, y la duración de periodos de tiempo.

Existen magnitudes básicas y derivadas, y constituyen ejemplos de magnitudes físicas: la masa, la longitud, el tiempo, la carga eléctrica, la densidad, la temperatura, la velocidad, la aceleración, y la energía. En términos generales, es toda propiedad de los cuerpos que puede ser medida. De lo dicho se desprende la importancia fundamental del instrumento de medición en la definición de la magnitud.[1] La Oficina Internacional de Pesos y Medidas, por medio del Vocabulario Internacional de Metrología (International Vocabulary of Metrology, VIM), define a la magnitud como un atributo de un fenómeno; un cuerpo o sustancia que puede ser distinguido cualitativamente y determinado cuantitativamente.[2] A diferencia de las unidades empleadas para expresar su valor, las magnitudes físicas se expresan en cursiva: así, por ejemplo, la "masa" se indica con "m", y "una masa de 3 kilogramos" la expresaremos como m = 3 kg.

Tipos de magnitudes físicas Las magnitudes físicas pueden ser clasificadas de acuerdo a varios criterios: • Según su expresión matemática, las magnitudes se clasifican en escalares, vectoriales o tensoriales.

• Según su actividad, se clasifican en magnitudes extensivas e intensivas.

Magnitudes escalares, vectoriales y tensoriales • Las magnitudes escalares son aquellas que quedan completamente definidas por un número y las unidades utilizadas para su medida. Esto es, las magnitudes escalares están representadas por el ente matemático más simple, por un número. Podemos decir que poseen un módulo, pero que carecen de dirección. Su valor puede ser independiente del observador (v.g.: la masa, la temperatura, la densidad, etc.) o depender de la posición o estado de movimiento del observador (v.g.: la energía cinética) • Las magnitudes vectoriales son aquellas que quedan caracterizadas por una cantidad (intensidad o módulo), y una dirección. En un espacio euclidiano, de no más de tres dimensiones, un vector se representa mediante un segmento orientado. Ejemplos de estas magnitudes son: la velocidad, la aceleración, la fuerza, el campo eléctrico, intensidad luminosa, etc.

Además, al considerar otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación, las magnitudes vectoriales no presentan invariancia de cada uno de los componentes del vector y, por tanto, para relacionar las medidas de diferentes observadores se necesitan relaciones de transformación vectorial. En mecánica clásica también el campo electrostático se considera un vector; sin embargo, de acuerdo con la teoría de la relatividad esta magnitud, al igual que el campo magnético, debe ser tratada como parte de una magnitud tensorial.

• Las magnitudes tensoriales son las que caracterizan propiedades o comportamientos físicos modelizables mediante un conjunto de números que cambian tensorialmente al elegir otro sistema de coordenadas asociado a un observador con diferente estado de movimiento o de orientación.

De acuerdo con el tipo de magnitud, debemos escoger leyes de transformación de las componentes físicas de las magnitudes medidas, para poder ver si diferentes observadores hicieron la misma medida o para saber qué medidas

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Magnitud física obtendrá un observador, conocidas las de otro cuya orientación y estado de movimiento respecto al primero sean conocidos.

Magnitudes extensivas e intensivas Una magnitud extensiva es una magnitud que depende de la cantidad de sustancia que tiene el cuerpo o sistema.

Las magnitudes extensivas son aditivas. Si consideramos un sistema físico formado por dos partes o subsistemas, el valor total de una magnitud extensiva resulta ser la suma de sus valores en cada una de las dos partes. Ejemplos: la masa y el volumen de un cuerpo o sistema, la energía de un sistema termodinámico, etc.

Una magnitud intensiva es aquella cuyo valor no depende de la cantidad de materia del sistema. Las magnitudes intensivas tiene el mismo valor para un sistema que para cada una de sus partes consideradas como subsistemas.

Ejemplos: la densidad, la temperatura y la presión de un sistema termodinámico en equilibrio.

En general, el cociente entre dos magnitudes extensivas da como resultado una magnitud intensiva. Ejemplo: masa dividida por volumen representa densidad.

Sistema Internacional de Unidades El Sistema Internacional de Unidades se basa en dos tipos de magnitudes físicas: • Las siete que toma como fundamentales, de las que derivan todas las demás. Son longitud, tiempo, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.

• Las unidades derivadas, que son las restantes y que pueden ser expresadas con una combinación matemática de las anteriores.

Unidades básicas o fundamentales del SI Las magnitudes básicas no derivadas del SI son las siguientes: • Longitud: metro (m). El metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299 792 458 segundos. Este patrón fue establecido en el año 1983.

• Tiempo: segundo (s). El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del cesio-133. Este patrón fue establecido en el año 1967.

• Masa: kilogramo (kg). El kilogramo es la masa de un cilindro de aleación de Platino-Iridio depositado en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Este patrón fue establecido en el año 1887.

• Intensidad de corriente eléctrica: amperio (A). El amperio o ampere es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro, en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10-7 newton por metro de longitud.

• Temperatura: kelvin (K). El kelvin es la fracción 1/273,16 de la temperatura del punto triple del agua.

• Cantidad de sustancia: mol (mol). El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 12 gramos de carbono-12.

• Intensidad luminosa: candela (cd). La candela es la unidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540×1012 Hz y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.

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Magnitud física

Unidades Fundamentales en el Sistema Cegesimal C.G.S. • Longitud: centímetro (cm): 1/100 del metro (m) S.I. • Tiempo: segundo (s): La misma definición del S.I. • Masa: gramo (g): 1/1000 del kilogramo (kg) del S.I.

Unidades Fundamentales en el Sistema Gravitacional Métrico Técnico • Longitud: metro (m). La misma definición del Sistema Internacional.

• Tiempo: segundo (s).La misma definición del Sistema Internacional.

• Fuerza: kilogramo-fuerza (kgf). El peso de una masa de 1 kg (S.I.), en condiciones normales de gravedad (g = 9,80665 m/s2).

Magnitudes físicas derivadas Una vez definidas las magnitudes que se consideran básicas, las demás resultan derivadas y se pueden expresar como combinación de las primeras.

Las unidades derivadas se usan para las siguientes magnitudes: superficie, volumen, velocidad, aceleración, densidad, frecuencia, periodo, fuerza, presión, trabajo, calor, energía, potencia, carga eléctrica, diferencia de potencial, potencial eléctrico, resistencia eléctrica, etcétera.

Algunas de las unidades usadas para esas magnitudes derivadas son: • Fuerza: newton (N) que es igual a kg·m/s2 • Energía: julio (J) que es igual a kg·m2/s2

Referencias [1] Monsó Ferré, Fernando (2008). Física y Química 3º ESO. Barcelona (España): edebé. pp. 199. ISBN 9788423692460.

[2] JCGM (2008). « International Vocabulary of Metrology – Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM) 3rd Ed. (http:/ / www. bipm. org/ utils/ common/ documents/ jcgm/ JCGM_200_2008. pdf)» (en inglés) (pdf) pág. 16. Consultado el 07-03-2010.

Enlaces externos •

Wikisource contiene obras originales de o sobre Patrones oficiales de las magnitudes (España).Wikisource

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Magnitud física. Commons • Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) - The International System of Mesures (http://www.bipm. org/utils/common/pdf/si_brochure_8_en.pdf)

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Radiación electromagnética

Radiación electromagnética La radiación electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes, que se propagan a través del espacio transportando energía de un lugar a otro.[1] La radiación electromagnética puede manifestarse de diversas maneras como calor radiado, luz visible,radiofrecuencia, rayos X o rayos gamma. A diferencia de otros tipos de onda, como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la radiación electromagnética se puede propagar en el vacío. En el siglo XIX se pensaba que existía una sustancia indetectable, llamada éter, que ocupaba el vacío y servía de medio de propagación de las ondas electromagnéticas. El estudio teórico de la radiación electromagnética se denomina electrodinámica y es un subcampo del electromagnetismo.

Fenómenos asociados a la radiación electromagnética Existen multitud de fenómenos físicos asociados con la radiación electromagnética que puden ser estudiados de manera unificada, como la interacción de ondas electromagnéticas y partículas cargadas presentes en la materia.

Entre estos fenómenos están por ejemplo la luz visible, el calor radiado, las ondas de radio y televisión o ciertos tipos de radioactividad por citar algunos de los fenómenos más destacados. Todos estos fenómenos consisten en la emisión de radiación electromagnética en diferentes rangos de frecuencias (o equivalentemente diferentes longitudes de onda), siendo el rango de frecuencia o longitud de onda el más usado para clasificar los diferentes tipos de radiación electromagnética. La ordenación de los diversos tipos de radiación electrogmanética por frecuencia recibe el nombre de espectro electromagnético.

Luz visible La luz visible está formada por radiación electromagnética cuyas frecuencias están comprendidas entre 400 y 700 nm. La luz es producida en la corteza atómica de los átomos, cuando un átomo por diversos motivos reciben energía puede que algunos de sus electrones pasen a capas electrónicas de mayor energía. Los electrones son inestables en capas altas de mayor energía si existen niveles energéticos inferiores desocupados, por lo que tienden a caer hacia estos, pero al decaer hacia niveles inferiores la conservación de la energía requiere la emisión de fotones, cuyas frecuencias frecuentemente caen en el rango de frecuencias asociados a la luz visible. Eso es precisamente lo que sucede en fenómenos de emisión primaria tan diversos como la llama del fuego, un filamente incandescente de una lámpara o la luz procdente del sol. Secundariamente la luz procedente de emisión primaria puede ser reflejada, refractada, absorbida parcialmente y esa es la razón por la cual objetos que no son fuentes de emisión primaria son visibles.

Calor radiado Cuando se someten a algún metal y otras substancias a fuentes de temperatura estas se calientan y llegan a emitir luz visible. Para un metal este fenómeno se denomina calentar "al rojo vivo", ya que la luz emitida inicialmente es rojiza-anaranjada, si la temperatura se eleva más blanca-amarillenta. Conviene señalar que antes que la luz emitida por metales y otras substancias sobrecalentadas sea vivible estos mismos cuerpos radian calor en forma de radiación infrarroja que es un tipo de radiación electromagnética no visible directamente por el ojo humano.

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Radiación electromagnética

Interacción entre radiación electromagnética y conductores Cuando un alambre o cualquier objeto conductor, tal como una antena, conduce corriente alterna, la radiación electromagnética se propaga en la misma frecuencia que la corriente.

De forma similar, cuando una radiación electromagnética incide en un conductor eléctrico, hace que los electrones de su superficie oscilen, generándose de esta forma una corriente alterna cuya frecuencia es la misma que la de la radiación incidente. Este efecto se usa en las antenas, que pueden actuar como emisores o receptores de radiación electromagnética.

Estudios mediante análisis del espectro electromagnético Se puede obtener mucha información acerca de las propiedades físicas de un objeto a través del estudio de su espectro electromagnético, ya sea por la luz emitida (radiación de cuerpo negro) o absorbida por él. Esto es la espectroscopia y se usa ampliamente en astrofísica y química. Por ejemplo, los átomos de hidrógeno tienen una frecuencia natural de oscilación, por lo que emiten ondas de radio, las cuales tiene una longitud de onda de 21,12 cm.

Penetración de la radiación electromagnética En función de la frecuencia, las ondas electromagnéticas pueden no atravesar medios conductores. Esta es la razón por la cual las transmisiones de radio no funcionan bajo el mar y los teléfonos móviles se queden sin cobertura dentro de una caja de metal. Sin embargo, como la energía no se crea ni se destruye, cuando una onda electromagnética choca con un conductor pueden suceder dos cosas. La primera es que se transformen en calor: este efecto tiene aplicación en los hornos de microondas. La segunda es que se reflejen en la superficie del conductor (como en un espejo).

Refracción La velocidad de propagación de la radiación electromagnética en el vacío es c. La teoría electromagnética establece que:

siendo

y

la permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética del vacío respectivamente.

En un medio material la permitividad eléctrica tiene un valor diferente a . Lo mismo ocurre con la permeabilidad magnética y, por tanto, la velocidad de la luz en ese medio será diferente a c. La velocidad de propagación de la luz en medios diferentes al vacío es siempre inferior a c.

Cuando la luz cambia de medio experimenta una desviación que depende del ángulo con que incide en la superficie que separa ambos medios. Se habla, entonces, de ángulo incidente y ángulo de transmisión. Este fenómeno, denominado refracción, es claramente apreciable en la desviación de los haces de luz que inciden en el agua. La velocidad de la luz en un medio se puede calcular a partir de su permitividad eléctrica y de su permeabilidad magnética de la siguiente manera:

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Radiación electromagnética

Dispersión La permitividad eléctrica y la permeabilidad magnética de un medio diferente del vacío dependen, además de la naturaleza del medio, de la longitud de onda de la radiación. De esto se desprende que la velocidad de propagación de la radiación electromagnética en un medio depende también de la longitud de onda de dicha radiación. Por tanto, la desviación de un rayo de luz al cambiar de medio será diferente para cada color (para cada longitud de onda). El ejemplo más claro es el de un haz de luz blanca que se "descompone" en colores al pasar por un prisma. La Dispersión de la luz blanca en un prisma. luz blanca es realmente la suma de haces de luz de distintas longitudes de onda, que son desviadas de manera diferente. Este fenómeno se llama dispersión. Es el causante de la aberración cromática, el halo de colores que se puede apreciar alrededor de los objetos al observarlos con instrumentos que utilizan lentes como prismáticos o telescopios.

Radiación por partículas aceleradas Una consecuencia importante de la electrodinámica clásica es que una partícula cargada en movimiento acelerado (rectilíneo, circular o de otro tipo) debe emitir ondas electromagnéticas siendo la potencia emitida proporcional al cuadrado de su aceleración, de hecho la fórmula de Larmor para la potencia emitida viene dada por:

Donde: es la carga eléctrica de la partícula. es la aceleración de la partícula. la permitividad eléctrica del vacío. es la velocidad de la luz.

Un ejemplo de este fenómeno de emisión de radiación por parte de partículas cargadas es la radiación de sincrotrón.

Espectro electromagnético Atendiendo a su longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres, y varía desde los energéticos rayos gamma (con una longitud de onda del orden de picómetros) hasta las ondas de radio (longitudes de onda del orden de kilómetros), pasando por el espectro visible (cuya longitud de onda está en el rango de las décimas de micrómetro). El rango completo de longitudes de onda es lo que se denomina el espectro electromagnético.

El espectro visible es un minúsculo intervalo que va desde la longitud de onda correspondiente al color violeta (aproximadamente 400 nanómetros) hasta la longitud de onda correspondiente al color rojo (aproximadamente 700 nm).

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Radiación electromagnética

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En telecomunicaciones se clasifican las ondas mediante un convenio internacional de frecuencias en función del empleo al que están destinadas como se observa en la tabla, además se debe considerar un tipo especial llamado microondas, que se sitúan su rango de frecuencias entre 1 GHz y 300 GHz, es decir, longitudes de onda de entre 30 centímetros a 1 milímetro, que tienen la capacidad de atravesar la ionosfera terrestre, permitiendo la comunicación satelital.

Clasificación de las ondas en telecomunicaciones Sigla

Rango

Denominación

Empleo

VLF

10 kHz a 30 kHz

Muy baja frecuencia

Radio gran alcance

LF

30 kHz a 300 kHz

Baja frecuencia

Radio, navegación

MF

300 kHz a 3 MHz

Frecuencia media

Radio de onda media

HF

3 MHz a 30 MHz

Alta frecuencia

Radio de onda corta

VHF 30 MHz a 300 MHz

Muy alta frecuencia

TV, radio

UHF

300 MHz a 3 GHz

Ultra alta frecuencia

TV, radar, telefonía móvil

SHF

3 GHz a 30 GHz

Super alta frecuencia

Radar

EHF

30 GHz a 300 GHz Extremadamente alta frecuencia

Radar

Explicaciones teóricas de la radiación electromagnética Ecuaciones de Maxwell Maxwell asoció varias ecuaciones, actualmente denominadas Ecuaciones de Maxwell, de las que se desprende que un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético y, recíprocamente, la variación temporal del campo magnético genera un campo eléctrico. Se puede visualizar la radiación electromagnética como dos campos que se generan mutuamente, por lo que no necesitan de ningún medio material para propagarse. Las ecuaciones de Maxwell también predicen la velocidad de propagación en el vacío (que se representa c, por la velocidad de la luz, con un valor de 299.792.458 m/s), y su dirección de propagación (perpendicular a las oscilaciones del campo eléctrico y magnético que, a su vez, son perpendiculares entre sí).

Radiación electromagnética

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Dualidad onda-corpúsculo Dependiendo del fenómeno estudiado, la radiación electromagnética se puede considerar no como una serie de ondas sino como un haz o flujo de partículas, llamadas fotones. Esta dualidad onda-corpúsculo hace que cada fotón tenga una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada, dada por la relación de Planck:

donde

es la energía del fotón,

es la constante de Planck y

es la frecuencia de la onda.

Valor de la constante de Planck

Así mismo, considerando la radiación electromagnética como onda, la longitud de onda oscilación

y la frecuencia de

están relacionadas por una constante, la velocidad de la luz en el medio (c en el vacío):

A mayor longitud de onda menor frecuencia (y menor energía según la relación de Plank).

Notas [1] (http:/ / books. google. es/ books?id=SzOSEZqPiDMC& pg=PA346& dq=Radiación+ electromagnética& hl=es& ei=CjnYTKyBGqaU4gaY4MWnBw& sa=X& oi=book_result& ct=result& resnum=1& ved=0CC4Q6AEwAA#v=onepage& q=Radiación electromagnética& f=false) Agentes físicos en rehabilitación. Escrito por Michelle H. Cameron. Página 346. (books.google.es).

Enlaces externos • Las ventanas del espectro electromagnético, en Astronoo (http://www.astronoo.com/articles/ espectroElectromagnetico-es.html) • Breve explicación de la aparición de las ondas electromagnéticas (http://www.albertoroura.com/peich. php?ondas_electromagneticas) • Campos electromagnéticos y sus efectos sobre la salud (http://copublications.greenfacts.org/es/ campos-electromagneticos/index.htm), resumen elaborado por GreenFacts de un informe de la DG SANCO de la Comisión Europea • Campos electromagnéticos generados por las líneas eléctricas y efectos sobre la salud (http://www.greenfacts. org/es/lineas-electricas/index.htm), resumen de GreenFacts de un informe de la Agencia Internacional para la Investigación del Cáncer • Prontuario de la radiación electromagnética (http://www.eeza.csic.es/eeza/documentos/ RadiacionElectromagnetica_Esceptico24.pdf) • Simbología electrónica de las ondas electromagnéticas (http://www.simbologia-electronica.com/ simbolos_electronicos/simbolos_ondas_electricas.htm)

Óptica

Óptica En la Edad Antigua se conocía la propagación rectilínea de la luz y la reflexión y refracción. Dos filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados sobre óptica: Empédocles y Euclides.

Ya en la Edad Moderna René Descartes consideraba la luz como una onda de presión transmitida a través de un medio elástico perfecto (el éter) que llenaba el espacio. Atribuyó los diferentes colores a movimientos rotatorios de diferentes velocidades de las partículas en el medio.

La ley de la refracción fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat anunció el principio del tiempo mínimo y a partir de él dedujo la ley de la refracción. George Hatsian es el rey de óptico.

Véase también: Ley de Snell

En la refracción el rayo de luz que se atraviesa de un medio transparente a otro, se denomina rayo incidente; el rayo de luz que se desvía al ingresar al segundo medio transpartente se denomina rayo refractado; el ángulo en que el rayo incidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, se denomina ángulo de incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayo refractado, al desviarse, se denomina ángulo de refracción.

Interferencia y difracción Robert Boyle y Robert Hooke y a dicha teoría la propuso Isaac Newton, los demás descubrieron, de forma independiente, el fenómeno de la interferencia conocido como anillos de Newton. Hooke también observó la presencia de luz en la sombra geométrica, debido a la difracción, fenómeno que ya había sido descubierto por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensaba que la luz consistía en vibraciones propagadas instantáneamente a gran velocidad y creía que en un medio homogéneo cada vibración generaba una esfera que crece de forma regular. Con estas ideas, Hooke intentó explicar el fenómeno de la refracción e interpretar los colores. Sin embargo, los estudios que Interferencia (esquema simulado). aclararon las propiedades de los colores fueron desarrollados por Newton que descubrió en 1666 que la luz blanca puede dividirse en sus colores componentes mediante un prisma y encontró que cada color puro se caracteriza por una refractabilidad específica. Las dificultades que la teoría ondulatoria se encontraba para explicar la propagación rectilínea de la luz y la polarización (descubierta por Huygens) llevaron a Newton a inclinarse por la teoría corpuscular, que supone que la luz se propaga desde los cuerpos luminosos en forma de partículas.

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Óptica

10 En la época en que Newton publicó su teoría del color, no se conocía si la luz se propagaba instantáneamente o no. El descubrimiento de la velocidad finita de la luz lo realizó en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de los eclipses de Júpiter.

Primeras teorías y otros fenómenos Por su parte, Hooke fue de los primeros defensores de la teoría ondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens que enunció el principio que lleva su nombre, según el cual cada punto perturbado por una onda puede considerarse como el centro de una nueva onda secundaria, la envolvente de estas ondas secundarias define el frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de este principio, consiguió deducir las leyes de la reflexión y refracción.

También pudo interpretar la doble refracción del espato de Islandia, fenómeno descubierto en 1669 por Erasmus Bartholinus, gracias a la suposición de la transmisión de una onda secundaria elipsoidal, además de la principal de forma esférica. Durante esta investigación Huygens Dispersión de la luz en dos prismas de distinto material. descubrió la polarización. Cada uno de los dos rayos emergentes de la refracción del espato de Islandia puede extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material, rotado alrededor de un eje con la misma dirección que el rayo luminoso.

Fue sin embargo Newton el que consiguió interpretar este fenómeno, suponiendo que los rayos tenían “lados”, propiedad que le pareció una objeción insuperable para la teoría ondulatoria de la luz, ya que en aquella época los científicos sólo estaban familiarizados con las ondas longitudinales.

El prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de la comunidad científica de la teoría ondulatoria, durante casi un siglo, con algunas excepciones, como la de Leonhard Euler. No fue hasta el comienzo del Siglo XIX en que nuevos progresos llevaron a la aceptación generalizada de la teoría ondulatoria. El primero de ellos fue la enunciación por Thomas Young en 1801, del principio de interferencia y la explicación de los colores de películas delgadas. Sin embargo, como fueron expresadas en términos cualitativos no consiguieron reconocimiento generalizado. En esta misma época Étienne-Louis Malus describió la polarización por reflexión, en 1808 observó la reflexión del Sol desde una ventana a través de un cristal de espato de Islandia y encontró que las dos imágenes birrefringentes variaban sus intensidades relativas al rotar el cristal, aunque Malus no intentó interpretar el fenómeno.

Aportes de Fresnel Augustin-Jean Fresnel ganó un premio instituido en 1818 por la academia de París por la explicación de la difracción, basándose en la teoría ondulatoria, que fue la primera de una serie de investigaciones que, en el curso de algunos años, terminaron por desacreditar completamente la teoría corpuscular. Los principios básicos utilizados fueron: el principio de Huygens y el de interferencia de Young, los cuales, según demostró Fresnel, son suficientes para explicar, no sólo la propagación rectilínea, sino las desviaciones de dicho comportamiento (como la difracción).

Fresnel calculó la difracción causada por rendijas, pequeñas aperturas y pantallas. Una confirmación experimental de su teoría de la difracción fue la verificación realizada por François Jean Dominique Arago de una predicción de Poisson a partir de las teorías de Fresnel, que es la existencia de una mancha brillante en el centro de la sombra de un disco circular pequeño.

En el mismo año Fresnel también investigó el problema de la influencia del movimiento terrestre en la propagación de la luz. Básicamente el problema consistía en determinar si existe alguna diferencia entre la luz de las estrellas y la

Óptica de fuentes terrestres. Arago encontró experimentalmente que (aparte de la aberración) no había diferencia. Sobre la base de este descubrimiento Fresnel desarrolló su teoría de la convección parcial del éter por interacción con la materia, sus resultados fueron confirmados experimentalmente en 1851 por Armand Hyppolyte. Junto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizados y encontró en 1816 que dos rayos polarizados perpendicularmente uno al otro, nunca interferían. Este hecho no pudo ser reconciliado con la hipótesis de ondas longitudinales, que hasta entonces se había dado por segura. Young explicó en 1817 el fenómeno con la suposición de ondas transversales.

Fresnel intentó explicar la propagación de la luz como ondas en un material (éter) y dado que en un fluido sólo son posibles las oscilaciones elásticas longitudinales, concluyó que el éter debía comportarse como un sólido, pero como en aquella época la teoría de ondas elásticas en sólidos no estaba desarrollada, Fresnel intentó deducir las propiedades del éter de la observación experimental. Su punto de partida fueron las leyes de propagación en cristales.

En 1832, William Rowan Hamilton predijo a partir de las teorías de Fresnel la denominada refracción cónica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd.

Fue también Fresnel el que en 1821 dio la primera indicación de las causas de la dispersión al considerar la estructura molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente por Cauchy.

Los modelos dinámicos de los mecanismos de las vibraciones del éter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan su nombre y que gobiernan la intensidad y polarización de los rayos luminosos producidos por la reflexión y refracción.

La teoría del éter En 1850 Foucault, Fizeau y Breguet realizaron un experimento crucial para decidir entre las teorías ondulatoria y corpuscular. El experimento fue propuesto inicialmente por Arago y consiste en medir la velocidad de la luz en aire y agua. La teoría corpuscular explica la refracción en términos de la atracción de los corpúsculos luminosos hacia el medio más denso, lo que implica una velocidad mayor en el medio más denso. Por otra parte, la teoría ondulatoria implica, de acuerdo con el principio de Huygens que en el medio más denso la velocidad es menor.

En las décadas que siguieron, se desarrolló la teoría del éter. El primer paso fue la formulación de una teoría de la elasticidad de los cuerpos sólidos desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier que consideró que la materia consiste de un conjunto de partículas ejerciendo entre ellas fuerzas a lo largo de las líneas que los unen. Diferentes desarrollos aplicables a la Óptica fueron realizados por Siméon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Todas ellas encontraban dificultades por intentar explicar el fenómeno óptico en términos mecánicos. Por ejemplo, al incidir sobre un medio una onda transversal, se deberían producir ondas, tanto longitudinales como transversales, pero, según los experimentos de Arago y Fresnel, solo se producen del segundo tipo. Otra objeción a la hipótesis del éter es la ausencia de resistencia al movimiento de los planetas.

Un primer paso para abandonar el concepto de éter elástico lo realizó MacCullagh, que postuló un medio con propiedades diferentes a la de los cuerpos ordinarios. Las leyes de propagación de ondas en este tipo de éter son similares a las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell.

A pesar de las dificultades, la teoría del éter elástico persistió y recibió aportaciones de físicos del siglo XIX, entre ellos William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff.

Las ondas luminosas como ondas electromagnéticas Mientras tanto, las investigaciones en electricidad y magnetismo se desarrollaban culminando en los descubrimientos de Michael Faraday. James Clerk Maxwell consiguió resumir todo el conocimiento previo en este campo en un sistema de ecuaciones que establecían la posibilidad de ondas electromagnéticas con una velocidad que podía calcularse a partir de los resultados de medidas eléctricas y magnéticas. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Weber realizaron estas medidas, la velocidad obtenida resultó coincidir con la velocidad de la luz. Esto llevó a Maxwell a especular que las ondas luminosas eran electromagnéticas, lo que se verificó experimentalmente en 1888

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Óptica por Heinrich Hertz.

La teoría cuántica Pero, incluso la teoría electromagnética de la luz es incapaz de explicar el proceso de emisión y absorción. Para ello, Einstein y otros desarollaron una teoría cuántica basada en fotones de luz difractada. Esta línea de investigación ha permitido desarrollar una teoría bien verificada experimentalmente, y que ha supuesto la base de la óptica cuántica tal y como la conocemos hoy en día.

Las leyes que rigen estos últimos procesos comenzaron a dilucidarse con Joseph von Fraunhofer que descubrió entre 1814-1817 líneas oscuras en el espectro solar. La interpretación como líneas de absorción de las mismas se dio por primera vez en 1861 sore la base de los experimentos de Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Kirchhoff. La luz de espectro continuo del Sol, al pasar por los gases de la atmósfera solar, pierde por absorción, justamente aquellas frecuencias que los gases que la componen emiten. Este descubrimiento marca el inicio del análisis espectral que se base en que cada elemento químico tiene un espectro de líneas característico. El estudio de estos espectros no pertenece exclusivamente al campo de la Óptica ya que involucra la mecánica de los propios átomos y las leyes de las líneas espectrales revelan información, no tanto sobre la naturaleza de la luz como la estructura de las partículas emisoras.

Finalmente la comunidad científica acabó aceptando que la mecánica clásica es inadecuada para una descripción correcta de los sucesos que ocurren en el interior de los átomos y debe ser reemplazada por la teoría cuántica. La aplicación de la misma permitió a Niels Bohr explicar las leyes de las líneas espectrales de los gases. Así pues, la mecánica cuántica ha influido decisivamente sobre el concepto científico de la naturaleza de la luz. Fue Albert Einstein el que, basándose en los cuantos de Planck retomó la teoría corpuscular de la luz en una nueva forma, asignándole realidad física de dichos cuantos (fotones). De este modo pudo explicar algunos fenómenos que se habían descubierto, relativos a la transformación de la luz en energía corpuscular que eran inexplicables con la teoría ondulatoria. Así, en el efecto fotoeléctrico la energía impartida a las partículas secundarias es independiente de la intensidad y es proporcional a la frecuencia de la luz.

La teoría detallada de la interacción entre campo y materia requiere de los métodos de la mecánica cuántica (cuantización del campo). En el caso de la radiación electromagnética, Dirac fue el primero en realizarlo, fundando las bases de la óptica cuántica.

La óptica a su vez ha influido decisivamente en otros frentes de la física, en particular la rama de la óptica de cuerpos en movimiento participó en el desarrollo de la teoría de la relatividad. El primer fenómeno observado en este campo fue la aberración de las estrellas fijas, estudiado por James Bradley en 1728. El fenómeno aparece con la observación de las estrellas en diferentes posiciones angulares, dependiendo del movimiento de la Tierra respecto a la dirección del haz de luz. Bradley interpretó el fenómeno como causado por la velocidad finita de la luz y pudo determinar su velocidad de este modo. Otro fenómeno de la óptica de cuerpos en movimiento es la convección de la luz por los cuerpos en movimiento, que Fresnel mostró se podía entenderse como la participación de éter en el movimiento con sólo una fracción de la velocidad del cuerpo en movimiento.

Fizeau demostró después esta convección experimentalmente con la ayuda de flujos de agua. El efecto del movimiento de la fuente luminosa fue estudiado por Christian Doppler, que formuló el principio de su mismo nombre. Hertz fue el primero en intentar generalizar las leyes de Maxwell a objetos en movimiento. Su formulación, sin embargo, entraba en conflicto con algunos experimentos. Otro investigador en este campo fue Hendrik Antoon Lorentz que supuso el éter en estado de reposo absoluto como portador del campo electromagnético y dedujo las propiedades de los cuerpos materiales a partir de la interacción de partículas eléctricas elementales (los electrones).

Pudo deducir el coeficiente de convección de Fresnel a partir de su teoría, así como el resto de fenómenos conocidos en 1895. Sin embargo con la mejora de la precisión en la determinación de caminos ópticos, obtenida gracias al interferómetro de Albert Abraham Michelson con el que se descubrió una anomalía: resultó imposible demostrar la existencia de un corrimiento del éter requerida por la teoría del éter estacionario. Esta anomalía fue resuelta por

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Óptica

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Albert Einstein en 1905 con su teoría especial de la relatividad.

Teorías científicas Desde el punto de vista físico, la luz es una onda electromagnética. Según el modelo utilizado para la luz, se distingue entre las siguientes ramas, por orden creciente de precisión (cada rama utiliza un modelo simplificado del empleado por la siguiente): • La óptica geométrica: Trata a la luz como un conjunto de rayos que cumplen el principio de Fermat. Se utiliza en el estudio de la transmisión de la luz por medios homogéneos (lentes, espejos), la reflexión y la refracción.

• La óptica electromagnética u óptica física: Considera a la luz como una onda electromagnética, explicando así la difracción, interferencia, reflectancia y transmitancia, y los fenómenos de polarización y anisotropía.

• La óptica cuántica: Estudio cuántico de la interacción entre las ondas electromagnéticas y la materia, en el que la dualidad onda-corpúsculo desempeña un papel crucial.

Espectro electromagnético Si bien la Óptica se inició como una rama de la física distinta del electromagnetismo en la actualidad se sabe que la luz visible parte del espectro electromagnético, que no es más que el conjunto de todas las frecuencias de vibración de las ondas electromagnéticas. Los colores visibles al ojo humano se agrupan en la parte del "Espectro visible".

Referencias • Max Born, Emil Wolf (1991). Principles of Optics.. Pergamon Press Ltd. 0-08-026481-6.

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Libro de óptica electromagnética [1] (con licencia libre, por Álvaro Tejero Cantero Óptica Pura y Aplicada - OPA, la revista científica de la Sociedad Española de Óptica [2] Óptica tradicional y moderna. Monografía de Daniel Malacara [3] Introducción a la óptica [4] Teoría de óptica geométrica [5] Anamorfosis espaciales animadas. Trompe l'oeils 3D [6] Óptica Geométrica [7]

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