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Copy of La Luz

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by

jonathan sanhueza

on 28 April 2014

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Transcript of Copy of La Luz

photo credit Nasa / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli
La Luz
Qué es la luz
radiación electromagnética visible para el ojo humano
Naturaleza de la Luz
Teorías

Propagación de la luz
El Espectro visible
Propiedades ópticas de la luz
Magnitudes de la luz
Por qué nos interesa la luz
Porque es la herramienta con la que trabajaremos
Porque gracias a ella vemos lo que vemos
Porque es una forma de energía que puede convertirse de forma natural o artificial en otras formas de energía
Calorífica
Eléctrica
Química
Características de las ondas electromagnéticas
Son ondas planas formadas por un campo eléctrico ‘E’
y otro magnético ‘B’ perpendiculares entre sí
Su intensidad varía sinusoidalmente en el tiempo y el espacio
Su dirección de propagación es perpendicular a los campos
La amplitud de la radiación electromagnética determina indirectamente el brillo o la intensidad de la luz
Dirección y velocidad de propagación
Se propaga en línea recta
Velocidad constante en cada medio específico independiente de la fuente y del observador
Velocidad de propagación
en el Vacío
300.000 km/seg
Al pasar de un medio a otro la única característica que permanece constante es la
frecuencia
, ya que la velocidad varía de forma diferente para cada longitud de onda
Frecuencia
Es el número de vibraciones que se producen en la onda en una unidad de tiempo determinado
Suele medirse en ciclos por segundo o
Hertzio
Longitud de Onda
Es la distancia desde un punto determinado de una onda al punto correspondiente de la siguiente onda
Su unidad es la unidad de longitud, el
metro
en el caso de las radiaciones luminosas se emplean los submúltiplos
nanómetro
(nm), que equivale a la
milmillonésima parte del metro
Velocidad = Frecuencia x Longitud de Onda
Frecuencia = 1/T
T = Periodo o tiempo que se emplea en una vibración completa
Amplitud
La energía radiante puede propagarse tanto en el vacío como a través de medios materiales
Su naturaleza es aún un misterio y son varias las teorías que intentan explicar los fenómenos a que da lugar esa energía al propagarse e interaccionar con la materia y ella misma
Teoría de Newton
la luz está compuesta por partículas llamadas corpúsculos que son emitidas por los cuerpos luminosos
Las partículas se propagan en línea recta y en todas las direcciones, puede atravesar medios transparentes y pueden ser reflejadas por medios opacos
Qué explica
La propagación rectilínea de la luz
Los fenómenos de reflexión
Los fenómenos de refracción

Qué no explica
La formación de irisaciones en las láminas delgada de vidrio (anillos de Newton)

Los fenómenos de interferencia y difracción

1666
Teoría de Huyghens
1678
Las ondas luminosas necesitan un medio para propagarse que se encuentra tanto en el vacío como en los medios materiales
La luz, pues, es generada por la vibración de las partículas incandescentes y se propaga a través del éter
Todos los puntos alcanzados por una onda se convierten a su vez en nuevos focos emisores de ondas
Qué explica
El fenómeno de reflexión
El fenómeno de refracción
Qué no explica
Si el éter es un fluido muy sutil como suponía, no se podía admitir la propagación de la luz por medio de ondas transversales, ya que éstas sólo se propagan en medios sólidos
El prestigio de Newton impidió que esta teoría se aceptase en su época

Los fenómenos de interferencia luminosa (Young-1801)
Los fenómenos de difracción (Fresnel-1815)
El fenómeno de polarización, poco antes descubierto por Malus
Recuperación por Young y Fresnel
Teoría Electromagnética, de James Maxwell
Llegó a demostrar en la teoría la existencia de las ondas electromagnéticas y a deducir que su velocidad es equivalente a la velocidad de la luz en el vacío
1865
define las ondas luminosas como ondas electromagnéticas
Veinte años después, Hertz corrobora que las ondas electromagnéticas tienen las mismas propiedades que las luminosas
Qué no explica
Los fenómenos de radiación por absorción o emisión
Los fenómenos fotoeléctricos
La emisión de luz por cuerpos incandescentes

Teoría de los Cuantos de Max Plank
Para explicar los fenómenos fotoeléctricos de intercambios de energía entre materia y luz fue necesario recurrir a la teoría corpuscular de Newton y emplear el ‘cuanto’ como átomo de luz que posteriormente se denominará fotón
Qué no explica
Los fenómenos de tipo ondulatorio
1900
Teoría Mecánica Ondulatoria
De Broglie
Este teorema concilia dos teorías, la electromagnética de Maxwell y la de los cuantos de Max Plank, que se pueden considerar herederas de la teoría ondulatoria de Huyghens y de la teoría corpuscular de Newton, respectivamente
Recoge la evidente dualidad de la naturaleza de la luz
Por un lado, la luz tiene naturaleza corpuscular, ya que está formada por fotones (para los procesos de emisión y absorción); y por otro se comporta como ondas electromagnéticas en su propagación
1924
La velocidad de propagación de la luz es de 300.000 kilómetros por segundo
en el vacío
, aunque disminuye al aumentar el
índice de refracción
del medio en el que se propaga
La velocidad es mayor en el aire que en el agua, y en el agua que en el vidrio…
la luz, que se propaga con una
trayectoria rectilínea
y con una
velocidad constante
en cada medio, cuando incide sobre un objeto se comporta de muy diferentes formas, según las características del objeto
Comportamiento de la luz
reflexión
refracción
dispersión
difusión
difracción
absorción
polarización
Los cuerpos pueden ser
Transparentes
Translucidos
Opacos
transmiten los rayos luminosos incidentes pero desordenándolos y dirigiéndolos en todas las direcciones
transmiten los rayos luminosos incidentes según una estructura regular
Objetos cromáticos
transmiten libremente algunas longitudes de onda de la luz incidente y absorben total o parcialmente otras
Objetos Acromáticos o incoloros
transmiten todas las longitudes de onda por igual
transmiten las longitudes de onda de su propio color mientras que absorben los colores complementarios
Según su selectividad de transmisión, pueden ser cromáticos o incoloros
aquellos cuerpos que no transmiten ninguna cantidad de la luz que les llega y, por tanto, la reflejan y/o la absorben
Blancos
reflejan en todas las direcciones y con absorción nula de todas las radiaciones del espectro visible recibidas
Negros
absorben todas las radiaciones recibidas sin transmitir ni reflejar ninguna
Grises
reflejan y absorben parcialmente pero por igual todas las longitudes de onda incidentes
Coloreados
refleja las longitudes de onda incidentes de su propio color y absorbidas todas las demás
Sombra y penumbra
Espacio oscuro perfectamente delimitado que queda detrás de los cuerpos opacos iluminados
zonas cuya iluminación es intermedia entre el máximo correspondiente a la totalidad iluminada y la sombra
La calidad*, tamaño y forma de la sombra varían según
el
área efectiva
de la zona luminosa

el
tamaño del objeto
que produce la sombra

la
distancia relativa
entre la fuente de luz y el objeto y entre éste y la superficie sobre la que se proyecta la sombra
* Calidad entendida como tonalidad y nitidez
Tipos de sombra según las fuentes de luz
producirá sobre una superficie sombras perfectamente nítidas de los objetos opacos independientemente de la distancia existente entre la fuente luminosa, el objeto y la superficie

cuanto más próxima esté la luz al objeto, mayor será el tamaño de la sombra
Una fuente puntual de luz
Una fuente de rayos paralelos
un foco por ejemplo
produce una sombra de bordes definidos que tiene siempre el mismo tamaño que el objeto, independientemente de la distancia a que el objeto y la superficie se encuentren de la fuente luminosa
es la distribución de la intensidad de una radiación en función de una magnitud característica, como la longitud de onda, la energía, la frecuencia o la masa
El espectro electromagnético
formado por todas las radiaciones electromagnéticas, entre las que se encuentran las ondas hertzianas, infrarrojos, la luz visible al ojo humano, los rayos ultravioletas, rayos gamma y los rayos cósmicos
Radiaciones electromagnéticas
Son irradiadas a partir de un manantial o fuente energética

lámpara de filamento
antena transmisora
el Sol
Son capaces de salvar un vacío tal y como el espacio, o pasar a través de cualquier sustancia que sea ‘transparente’ a su energía
En el vacío se desplazan a una velocidad de 300.000 km/seg

En otras materias transparentes como el agua o el vidrio la velocidad disminuye a medida que aumenta la densidad
Son irradiadas en líneas o rayos virtualmente rectos

En el caso de la luz lo podemos comprobar visualmente por la dirección de las sombras
Se desplazan en forma de ondas a partir de un manantial en forma de rayos rectos
Dentro de esta trayectoria, la energía describe ciclos en forma de ondas regulares que vibran perpendicularmente a la dirección de su desplazamiento
A partir de aquí se usa para comunicaciones
se detectan en fotografía con película especial
Espectro visible
Espectro luminoso
formado por la energía radiante electromagnética comprendida entre los 300 nm y 1.500 nm
Espectro luminoso Visible
Espectro luminoso no visible
No excitan el sentido de la vista
humano
es la parte del espectro luminoso capaz de impresionar el sentido de la vista
comprendido ente el violeta (380 nm) y el rojo (780 nm)

cada longitud de onda produce un estímulo diferente dentro del ojo

Cada tipo de estímulo es reconocido como un color y la suma de todos ellos como luz blanca
Los colores son
las sensaciones físicas producidas por la luz

sobre un sistema receptor de tres colores que hay en el ojo humano
,
y su correspondiente interpretación por el cerebro
En los
400 nanómetros
la luz aparece como color
violeta oscuro
, haciéndose más
azul
a medida que va aumentando la longitud de onda y pasa a
450 nm
En
600 nm,
en amarillo empieza a evolucionar hacia el
naranja
y en los
650 nm
el naranja ha perdido todo el amarillo para acercarse al
rojo
, que sube de intensidad y se oscurece en los
700 nm
En los
500 nm
el azul empieza a ceder al
azul verdoso
, entre esta longitud de onda y los
580 nm
nuestra interpretación del verde va haciéndose menos azul y más
amarillo
Infrarrojos

y
ultravioletas
no son invisibles para ciertos animales o para algunas emulsiones fotográficas
Cuando la luz incide sobre un cuerpo...
Una parte es absorbida
Una parte es reflejada
Una parte es transmitida
Una parte se desvía
Una parte se dispersa
A veces puede difractarse
Absorción
Reflexión
Transmisión
Refracción
Dispersión
Difracción
Si la luz blanca incide sobre una superficie que absorbe los rayos rojos y verdes, la superficie aparece azul al ojo, debido a que es la única luz visible
reflejada
por la superficie.
Todas las superficies absorben parte de la luz que llega a ellas
La energía luminosa absorbida se convierte en calor
O transformarse en luz de otro color
O emitirse de nuevo (electricidad)
O producir un cambio químico (película)
¿Qué es el color?
es el resultado de la absorción selectiva de los rayos de luz de ciertas longitudes de onda
Entonces, si veo un objeto de color azul, ¿qué parte de la luz se ha absorbido?
Las superficies reflejan los rayos de luz que le llegan en distintas proporciones
Reflexión especular
Reflexión semiespecular
Reflexión difusa
Reflexión cromática/acromática
Producida al incidir la luz sobre una superficie perfectamente pulimentada
Si dos o más rayos son reflejados es posible que produzcan una imagen virtual, vertical o invertida de la fuente, puesto que la trayectoria de los rayos reflejados es ordenada
Producida al incidir la luz sobre una superficie lisa mate
Provoca reflexión en ángulos ligeramente diferentes pero en la misma dirección general, dando lugar a una reflexión intermedia que comprende un porcentaje variable de reflexión especular y otro de reflexión difusa
Cualquier superficie rugosa está formada por muchas superficies pulimentadas con distinta inclinación
La luz que le llega con una sola dirección será reflejada por cada una de estas microscópicas superficies, siguiendo las leyes de Snell, en dirección diferente
Si se reflejan por igual todas las longitudes de onda del espectro se denomina reflexión acromática, apareciendo negra la superficie si el porcentaje de reflexión es mínimo, gris si es medio y blanca si es máximo
Si la reflexión afecta directamente a las distintas longitudes de onda del espectro se obtiene una reflexión cromática y la superficie se percibe coloreada
Es el fenómeno por el cual la luz puede atravesar objetos no opacos
Directa
Selectiva
Difusa
el haz de luz se desplaza en el nuevo medio íntegramente y de forma lineal
Transparencia
El rayo se dispersa en el interior del cuerpo en varias direcciones, tal como ocurre en el vidrio opal, ciertos plásticos, papel vegetal
Translucidez
Ocurre cuando ciertos materiales, vidrios, plásticos o gelatinas coloreadas dejan pasar sólo ciertas longitudes de onda y absorben otras, como es el caso de los filtros fotográficos
Es el cambio brusco de dirección que experimenta un rayo luminoso al cruzar la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta densidad
Es consecuencia de la distinta velocidad de propagación de la luz en cada uno de esos medios
Factores que afectan a la desviación
de las sustancias que componen los dos medios transparentes
Cuanto mayor sea la diferencia de densidad mayor será el grado de desplazamiento
Ángulo de incidencia
Densidad óptica relativa
longitud de onda
del rayo incidente
Índice de refracción
cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio
Vacío
: 1
Aire
: 1,000294.
Agua
: 1,338
Vidrio
: entre 1,4 y 1,6.
Ángulo crítico
ángulo de incidencia al que corresponde un ángulo de refracción de 90º
Dispersión
cuando la luz blanca pasa de un medio a otro sufre diferente desviación para cada longitud de onda
las ondas cortas pierden más velocidad que las ondas largas
Si un rayo cambia oblicuamente de medio, cada una de las radiaciones se refractará de forma desigual, produciéndose un separación de las mismas, desviándose menos las de onda larga como el rojo y más las cercanas al violeta
Determina el color del cielo y por tanto la iluminación natural, así como las aberraciones cromáticas y el diseño de las lentes que veremos más adelante
Es la desviación de los rayos luminosos cuando inciden sobre el borde de un objeto opaco
Como sabemos que es posible que os cueste imaginarlo, veamos algunos vídeos
La luz se propaga en línea recta pero tiene naturaleza ondulatoria
al chocar con un borde afilado se produce un segundo tren circular de ondas, al igual que en un estanque
Da lugar a una zona de penumbra que destruye la nitidez entre las zonas de luz y sombra
Interferencia
Polarización
Puede superponerse a otras luces
Está polarizada
Cuando dos o más rayos luminosos de la misma longitud de onda se superponen, forman una única onda cuya amplitud es el resultado de la suma de las dos amplitudes
Si se superponen en contraste tienden a anularse,
interferencia destructiva
, mientras que si se superponen con la misma fase se intensifican
Debido a la limitación del frente de ondas, la imagen del foco puntual no es exactamente un punto, sino un disco luminoso de difracción, conocido también con el nombre de disco de Airy. Este disco de luz es lo que limita el poder resolutivo del sistema óptico de una cámara fotográfica
Principio de Huyghens
Cuando una onda es interceptada por un obstáculo opaco, cada porción del frente de ondas actúa como un foco luminoso secundario, que emite una onda esférica elemental, formándose un nuevo frente de ondas que aparece como la envolvente de las diversas ondas elementales
Anillos de confusión
Las ondas de la luz vibran en planos en todas las direcciones perpendiculares a la dirección de desplazamiento
relación existente entre las fases y amplitudes del campo eléctrico y magnético
Consiste en modificar los rayos luminosos por medio de refracción o reflexión, de tal manera que queden incapaces de refractarse o reflejarse de nuevo en ciertas direcciones
bajo ciertas circunstancias, las ondas de luz pueden verse obligadas a vibrar en un solo plano
Esta luz se llama polarizada y el plano que queda es el de polarización
la polarización facilita al fotógrafo ciertos efectos visuales útiles y espectaculares
Doble refracción
Reflexión especular
Dispersión simple
Absorción selectiva
Fuentes
Primarias
emiten luz por sí mismas
Secundarias
emiten la luz que reciben de una fuente primaria
depende tanto de la que les llega como del poder de absorción o reflexión que posean
Las que miden la
calidad

Temperatura de color
la temperatura a la que hay que calentar un cuerpo totalmente negro para que emita luz de una determinada longitud de onda
K (-273ºC)
¿Para qué se usa?
Para compara y especificar la blancura de las fuentes luminosas en la fotografía a color, es decir, para expresar la composición espectral de la luz
¿Cómo puedo saber si una temperatura de color es baja o alta?
Cuanto más baja sea, más rica será su luz en rayos amarillos y rojos
Cuanto más alta, mayor proporción de rayos luminosos azules
Claro que sí. Puedes hacerlo con filtros especiales que absorben parte del extremo azul o rojo del espectro. Los filtros de este tipo se llaman filtros de compensación del color
¿Puedo modificar la temperatura de color?
Vela……………………..........1.500 K
Lámpara de 60 W………….2.800 K
Luz de Tungsteno………….3.200 K
Sol a primera hora…...…...5.400 K
Sol directo de mediodía....6.000 K
Las que miden la
Intensidad

Las que miden el
color


Energía o potencia de las fuentes
Intensidad de la luz incidente sobre el sujeto
Intensidad de la luz reflejada por el sujeto
Energía luminosa total
el patrón internacional de emisión luminosa se basaba originalmente en una bujía de cera específica ardiendo en condiciones determinadas
no pueden considerarse sobre una base física absoluta, debido a los factores de tipo fisiológico
Candela
unidad internacional de iluminación
1/60 de la intensidad luminosa de 1 cm2 de un cuerpo negro a la temperatura de solidificación del platino (1.679 ºC)
Flujo
intensidad de luz incidente sobre un metro cuadrado de una esfera hueca de 1 m de radio, en el centro de la cual hay una fuente luminosa de una candela
Lumen
Eficacia
Lúmenes por vatio
los rayos procedentes de un manantial puntiforme tenderán a separarse al aumentar la distancia
la intensidad luminosa decrece al separarnos del foco luminoso
Ley del cuadrado inverso
¿Cuanto?
Si incrementamos la distancia de un foco al sujeto la iluminación desciende a una cuarta parte y no a la mitad
cuando una superficie está iluminada por un manantial de luz puntual, la intensidad de la iluminación es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia respecto al foco de luz
Lux
un lumen por metro cuadrado
Foot-Candles
10,74 lux
Usada en EEUU
Nit
Candela por metro cuadrado
Lúmenes por segundo
cantidad de luz emitida en un segundo por una fuente luminosa que genera un lumen de intensidad
Fotón
mínima cantidad de energía luminosa que puede ser recibida o emitida
¿En qué hemos explicado ya que se mide el color?
K
nanómetros o milmicras o milmillonésima parte del metro
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