La óptica y física de la luz

En este artículo hablaremos y explicaremos conceptos como óptica, luz, la física de la luz, algunos fenómeno en esta rama, la reflexión de la luz, refracción de la luz, lentes, prisma óptica, Snell e instrumentos ópticos.

El concepto de la óptica es una rama de la física que se dedica al estudio de la luz visible donde sus propiedades y su comportamiento también se puede analizar con sus eventuales aplicaciones en la vida del ser humano.

El siguiente concepto trata sobre la luz ya que ha sido definida por la óptica como una franja de emisiones electromagnéticas, cuyo comportamiento es parecido al de otras formas invisibles que ante los ojos del ser humano no para nosotros del espectro electromagnético, como la radiación ultravioleta o infrarroja.

Tenemos que tener en cuenta que la óptica es un campo de investigación muy importante y que nutre de herramientas a las demás ciencias y demás cosas, especialmente a la astronomía, la ingeniería, la fotografía y la medicina  que se llaman oftalmología y optometría. A ella debemos herramientas como la existencia de espejos, lentes, telescopios, microscopios, láseres y sistemas de fibra óptica.

¿Qué es la física de la luz?

La luz es la parte del espectro electromagnético que puede ser percibido por el ojo humano. También podemos decir que existen, aparte de la luz, diversas formas de radiación electromagnética en el universo, que se propaga por el espacio y transporta energía de un lugar a otro ejemplos rayos x, pero a ninguna de ellas podemos percibirlas naturalmente.

Características de la luz

Continuando, se puede indicar que la luz es una emisión ondulatoria y corpuscular de fotones, es decir, al mismo tiempo se comporta como si estuviera hecha de ondas y de materia.

La luz en general que puede ser el Sol o como la de una lámpara, se vea blanca, contiene ondas con longitudes de onda que corresponden a cada color del espectro visible.

Otra característica es un objeto lo vemos blanco es porque el pigmento refleja toda la luz que se emite sobre él, todas las longitudes de onda. En cambio, lo vemos negro es porque absorbe toda la luz y no se refleja nada, no vemos nada, es decir, vemos negro. 

La óptica

Óptica electrónica

La óptica electrónica que estudia la modificación en la trayectoria de los haces de electrones por medio de llamado slente electromagnéticos y que permiten el uso de los electrones para observar objetos muy pequeños en lo que llamamos microscopios electrónicos, de telescopios electrónicos,y algunos incluyen al mismo televisor

Óptica física

La óptica física es la rama de la óptica que toma la luz como una onda y explica algunos fenómenos que no se podrían explicar tomando la luz como un rayo. De esta manera, se considera que la luz se propaga como una onda. Este modelo predice fenómenos como la interferencia y la difracción, que no se explican por la óptica geométrica.

Las ondas se propagan en la atmósfera terrestre casi a la misma velocidad de la luz en el vacío, aproximadamente a 3,0×108 m/s. Por otro lado, la longitud de onda de las ondas de luz visible varía entre 400 y 700 nm, pero el término “luz” también se aplica con frecuencia a la radiación infrarroja (0.7-300 nm) y a la radiación ultravioleta (10-400 nm). 

Fenómenos

Los fenómenos de la luz son alteraciones que experimenta al someterse a determinados medios o determinadas condiciones físicas. Muchos de ellos son visibles a diario, incluso si no sabemos bien cómo operan. 

La reflexión

Al impactar sobre determinadas superficies, la luz es capaz de rebotar o sobreponerse, es decir, de cambiar su trayectoria describiendo ángulos determinados y predecibles.

Por ejemplo, si el objeto sobre el que impacta con cierto ángulo es liso y posee propiedades reflectivas ejemplo de este se puede ser la superficie de un espejo, la luz se reflejará formando un ángulo igual al incidente, pero en dirección contraria. Es así como funcionan los espejos.

La refracción

Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro para efectos de la refracción, con diferentes densidades se da un fenómeno conocido como «refracción». El ejemplo clásico lo constituye el paso de la luz entre el aire y el agua como el ejemplo visto en clase, cosa que puede evidenciarse al introducir un cubierto en un vaso con agua y notar cómo la imagen del cubierto parece interrumpirse y duplicarse, como si hubiera un error en la imagen. Esto se debe a que el agua cambia la dirección de propagación al pasar de un medio a otro. 

La difracción

Cuando los rayos de luz rodean a un objeto o pasan a través de aberturas en un cuerpo opaco, experimentará un cambio en su camino, produciendo un efecto de apertura, como ocurre con los faros de un automóvil durante la noche.

La dispersión

Esta es una propiedad de la luz que obtiene el espectro de color completo al dispersar el haz de luz, como ejemplo esto ocurre cuando la luz atraviesa un prisma cuando la luz atraviesa las gotas de lluvia en la atmósfera y genera así un arcoíris.

La polarización

La luz está compuesta por oscilaciones del campo eléctrico y magnético que pueden tener distintas direcciones. La polarización de la luz es un fenómeno que ocurre cuando, por ejemplo, por medio de un polarizador como pueden ser los anteojos de sol se disminuyen las direcciones de oscilación de manera que la luz se propaga con menos intensidad. 

Naturaleza de la luz

En un inicio la luz solo se interpretaba como lo opuesto de la oscuridad. Pitágoras propuso su teoría en donde señalaba que los cuerpos luminosos (sol) emitían partículas las cuales chocaban y rebotaban con los objetos y estas partículas llegaba al ojo humano la cual producía la sensación de ver.

Óptica geométrica

En física, la óptica geométrica parte de las leyes fenomenológicas de Snell de la reflexión y la refracción. A partir de ellas, con los rayos luminosos para la frecuencia de las fórmulas, obteniendo así las leyes que gobiernan los instrumentos ópticos que estamos acostumbrados.

La óptica geométrica usa la noción de rayos luminosos es una aproximación del comportamiento que corresponde a las ondas electromagnéticas cuando los y estos están involucrados son de tamaño mucho mayor que la longitud de onda nosotros.

Rayos luminosos

Es una línea imaginaria que representa el trayecto de propagación de la luz por lo que puede decirse que es una construcción teórica para referirse al recorrido que realiza la energía lumínica que representa la trayectoria de los fotones (Gardey, 2014).

Eje óptico

Es una línea imaginaria que pasa por el centro de un sistema óptico, y que por tanto es perpendicular al plano de la imagen. La luz que lo recorre no se refracta y está libre de distorsiones (Acacia, sf).

Espacio objeto: Espacio que queda a la izquierda del dioptrio (Acacia, sf).

Espacio imagen: Espacio que queda a la derecha del dioptrio (Acacia, sf).

Cabe destacar que un dioptrio es el sistema óptico formado por una sola superficie que separa dos medios de distinto índice de refracción (Fisicalab, sf).

Imagen real o imagen virtual: La imagen real es aquella que se forma cuando, tras pasar por el sistema óptico, los rayos de luz son convergentes, mientras que la imagen virtual es aquella que se forma cuando los rayos divergen cuando tras pasar por el sistema óptico. 

Rayo radial: Es un rayo que inicia de la parte superior del objeto y está dirigido hacia el centro de curvatura del dioptrio donde este rayo no se refracta y continúa en la misma dirección debido a que el ángulo de incidencia es igual a cero (Acacia, sf).

Ondas luminosas: Son ondas electromagnéticas que se propagan en línea recta y forman parte del espectro electromagnético, que es el conjunto de longitudes de onda de todas las radiaciones electromagnéticas (Tendencias, 2018).

Reflexión de la luz

La reflexión ocurre cuando los rayos de luz que inciden en una superficie chocan en ella, se desvían y regresan al medio que salieron formando un ángulo igual al de la luz incidente, por lo tanto, se refleja (Fisicalab, sf).

Sobre el fenómeno de la reflexión es importante considerar la trayectoria seguida por un rayo que incide sobre la superficie de separación de los dos medios. 

Además, se define una línea imaginaria perpendicular a la superficie en el punto de incidencia la cual se denomina normal.

De esta manera surgen las dos leyes de la reflexión las cuales son:

Leyes de la reflexión de la luz 1:  El rayo incidente, la normal y el rayo reflejado se encuentran en el mismo plano (Castaños, 2016).

Leyes de la reflexión de la luz 2: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión (Castaños, 2016).

Continuando, cuando un haz de luz choca contra una superficie plana, todos los rayos reflejados son paralelos entre sí también llamados reflexión especular, mientras que si la superficie es irregular refleja los rayos de luz en varias direcciones, denominándose entonces reflexión difusa (Castaños, 2016).

Refracción de la luz  

La refracción de la luz ocurre cuando el haz de luz cambia de dirección al pasar de un material a otro donde también influye el cambio de velocidad que experimenta el rayo al pasar de un medio a otro (Castaños, 2016). 

De esta manera, cuando el rayo llega a la superficie de separación entre dos medios con densidades diferentes, comienza a atravesarlo antes por un lado que por otro, por lo que se va modificando su velocidad al ir ingresando en el segundo medio, por lo tanto, se desvía respecto al ángulo inicial.

Por consiguiente, existe una línea imaginaria perpendicular a la superficie en el punto de incidencia denominada normal, el rayo refractado forma con la normal un ángulo que es denominado ángulo de refracción el cual será mayor que el ángulo de incidencia cuando la velocidad en el segundo medio es mayor que en el primero, y menor si la velocidad en el segundo medio también lo es (Castaños, 2016).

Leyes de la refracción de la luz 1:  Se debe cuando se encuentran en el mismo plano el rayo de incidencia, el rayo de reflexión y la línea normal, observando desde arriba la continuidad entre ambos rayos (Castaños, 2016).

Leyes de la refracción de la luz 2: Determina que esta se produce cuando el índice de refracción de los dos medios es distinto y el rayo de luz incide de manera oblicua sobre la superficie que los separa (Castaños, 2016).

Lentes 

Un lente es un dispositivo óptico transmisor que enfoca un haz de luz por medio de la refracción (Educaplus, sf).

Un lente se compone de un medio transparente que está limitado por dos superficies; el lente está hecho de materiales tales como vidrio o plástico de tal manera que enfocan la luz para formar una imagen (Varilux, sf).

Tipos de lentes

Lentes Convergente

Los lentes convergentes son aquellos cuyo espesor va disminuyendo del centro hacia los bordes. Los rayos de luz llegan al lente desde un objeto de manera paralela por lo que el lente los une en un solo punto llamado foco principal (Lux, sf).

Cabe destacar que la convexidad de una superficie, es la zona que se asemeja al exterior de una circunferencia o una superficie esférica (Cebrian, 2017).

Tipos de lentes convergentes

• Biconvexas: Tienen dos superficies convexas (Lux, sf).
• Planoconvexas: Tienen una superficie plana y otra convexa (Lux, sf).
• Cóncavoconvexas (o menisco convergente): Tiene una superficie ligeramente cóncava y otra convexa (Lux, sf).

Lentes Divergentes

Los lentes divergentes están delimitados por dos superficies donde una de ellas es cóncava, de esta manera se logran separar los rayos de luz que inciden en los lentes (Varilux, sf).

La luz que incide perpendicularmente se refracta, los lentes divergentes son más gruesos en los bordes para separar los rayos que llegan (Varilux, sf).

Es importante destacar que la concavidad de una curva es la parte que se asemeja a la zona interior de una esfera (Cebrian, 2017).

Tipos de lentes divergentes:

• Bicóncavas: Tienen ambas superficies cóncavas (Varilux, sf).
• Planocóncavas: Tienen una superficie plana y otra cóncavas (Varilux, sf).
• Convexocóncavas (o menisco divergente): Tienen una superficie ligeramente convexa y otra cóncava (Varilux, sf).

Autores: Andrés Felipe Murcia Naranjo, Julieth Paola Pachón López, Karen Lorena Ruíz Tunjo.

Editor: Carlos Iván Pinzón Romero

Código: UCCG-10-2

Universidad: Universidad Central

Fuentes

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https://asselum.com/fenomeno-fisico-la-luz/ 

Castaños, E. (2016). La reflexión y la refracción de las ondas. Cienciadelux.

https://cienciadelux.com/2016/03/18/la-reflexion-y-la-refraccion-de-las-ondas/

Cebrian, M. (2017). Concavidad y convexidad. Recursos TIC.

http://recursostic.educacion.es/descartes/web/materiales_didacticos/aplicaciones_derivada/concavidad_1.htm

Educaplus. (sf). Lentes. Educaplus.

https://www.educaplus.org/luz/lente1.html

Fibra Óptica Hoy. (2014). Fenómenos de la Luz. Fibra Óptica Hoy.

 https://www.fibraopticahoy.com/blog/fenomenos-de-la-luz/

Fisicalab. (sf). Reflexión y Refracción de la luz. Fisicalab.

 https://www.fisicalab.com/apartado/reflexion-refraccion-luz

Lux. (sf). Lentes Convergentes. Lux.

 https://lux.mx/pages/lentes-convergentes

Significados. (2021). Refracción de la luz. Significados.

 https://www.significados.com/refraccion-de-la-luz/

Teleformación. (sf). Reflexión y Refracción. Teleformación.

http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Ondasbachillerato/reflex_Refrac

Varilux. (sf). Lentes divergentes. Varilux.

 https://varilux.es/salud-visual/lentes-divergentes/

CurioSfera. (sf). Qué es la luz y sus características. CurioSfera [Imágen].

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Fisicalab. (sf). Reflexión, Refracción y Difracción. Fisicalab [Imágen].

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Fisicalab. (sf). Eje Óptico. Fisicalab [Imágen].

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FotoNostra. (sf). ¿Qué es la reflexión de la luz?. FotoNostra [Imágen].

https://www.fotonostra.com/fotografia/reflexion.htm

Lifeder. (sf). Óptica geométrica: qué estudia, leyes, aplicaciones, ejercicios. Lifeder [Imágen].

https://www.lifeder.com/optica-geometrica/

Mundo Microscopio. (sf). Lente convergente y divergente. Mundo Microscopio [Imágen].

https://www.mundomicroscopio.com/lente-convergente/