Luz
¡Usamos la luz para ver!
La luz visible es parte del espectro electromagnético que nuestros ojos pueden ver:
Es solo una pequeña parte del espectro completo, ¿no es así?
Espectro visible
Luz visible: las longitudes de onda que son visibles para la mayoría de los ojos humanos.
Los colores principales, en orden, van
Rojo, Naranja, Amarillo, Verde, Azul, Violeta
Tal como vemos en este hermoso arco
iris:
Longitud de onda
La luz tiene una longitud de onda de aproximadamente 380 nm a 750 nm, dependiendo del color.
nm significa nanómetro, una mil millonésima parte de un metro.
Ejemplo: la luz roja tiene una longitud de onda de aproximadamente 700 mil millonésimas de metro (poco menos de una millonésima de metro). ¡Pequeña!
Los valores exactos pueden ser un poco distintos, pero aquí hay una guía aproximada:
| Color | Rango de longitud de onda (nm) |
|---|---|
| Rojo | 620–750 |
| Naranja | 590–620 |
| Amarillo | 570–590 |
| Verde | 495–570 |
| Azul | 450–495 |
| Violeta | 380–450 |
Frecuencia
La frecuencia de la luz roja es de aproximadamente 400 THz (y la de la violeta es de aproximadamente 800 THz).
THz significa teraHertz , un billón de ciclos por segundo
Entonces, la luz roja vibra a unos 400 millones de millones de ciclos por segundo. ¡Rápido!
Una frecuencia más alta (con una longitud de onda más corta) tiene más energía:
- La luz roja tiene una frecuencia más baja, una longitud de onda más larga y menos energía
- La luz azul tiene una frecuencia más alta, una longitud de onda más corta y más energía
Velocidad de la luz
La luz viaja a casi 300,000,000 metros por segundo (para ser exactos: 299,792,458 metros por segundo) en el vacío.
Eso es 300 millones de metros por segundo, o:
- 3 × 108 m/s
- 300,000 km/s
- 186,000 millas por segundo
A esa velocidad, la luz viaja:
| Distancia | Tiempo | |
|---|---|---|
| 1 metro | en | 3.3 ns (3.3 mil millonésimas de segundo) |
| la vuelta al Ecuador | en | 134 ms (134 milésimas de segundo) |
| De la tierra a la luna | en | 1.3 s |
| De la superficie del Sol a la Tierra | en | unos 8 minutos |
Es muy rápido, pero aún toma unos 8 minutos desde la superficie del Sol hasta la Tierra.
El símbolo de esta velocidad es c:c ≈ 300,000,000 m/s
La luz puede viajar más despacio
Realmente no deberíamos llamarla velocidad de la luz , en primer lugar porque se aplica a todo el espectro electromagnético, a las ondas de gravedad y más. ¡Quizás podríamos llamarlo "Velocidad máxima"!
¡Pero también porque la luz solo viaja a esa velocidad en el vacío! Puede viajar más lento ...
| Medio | Rapidez millones m/s |
|---|---|
| Vacío | 299.8 |
| Aire | 299.7 |
| Hielo | 228 |
| Agua | 225 |
| Etanol | 220 |
| Vidrio | 205 |
| Aceite de oliva | 204 |
| Diamante | 123 |
La longitud de onda y la frecuencia están vinculadas
La longitud de onda y la frecuencia están relacionadas:
Frecuencia = Velocidad Longitud de onda
Longitud de onda = Velocidad Frecuencia
Suponiendo que la luz está en el vacío, la velocidad es la velocidad de la luz: 3 × 108 m/s
Probemos con un ejemplo simple (en este caso no una longitud de onda de luz):
Imagina una longitud de onda muy larga de 75,000 km
Frecuencia = 300,000 km/s 75,000 km
= 4 /s
= 4 Hz
Podemos encajar 4 de esas longitudes de onda en 300,000 km, por lo que vibra 4 veces en 1 segundo.
Entonces la frecuencia es de 4 Hz (4 por segundo)
O, al revés, si sabemos que vibra 4 veces por segundo podemos calcular su longitud de onda:
Longitud de onda = 300,000 km/s 4 /s
= 75,000 km
Ejemplo: la luz azul tiene una longitud de onda de aproximadamente 480 nm (480 × 10-9 m)
Entonces la frecuencia es:
Frecuencia = 3 × 108 m/s 480 × 10-9 m
= 6.25 × 1014 /s
= 6.25 × 1014 Hz
Es decir, 625 TeraHertz
La luz viaja en línea recta
La luz viaja en línea recta hasta que golpea algo, o su trayectoria cambia por diferentes densidades o por gravedad.
La
luz del sol sobre la carretera.
Las
sombras también muestran que la luz viaja en línea recta.
Esta luz se va abriendo un poco y es
esparcida por la atmósfera.
Rayos láser que hacen líneas rectas.
Onda
La luz se comporta como una onda, por lo que puede:
- reflejarse (rebotar),
- dispersarse (rebotar en todas direcciones),
- refractarse (cambiar velocidad y dirección)
- difractarse (extenderse más allá de una abertura)
- transmitirse (pasar directamente)
- o ser absorbida
Fotones
La luz también se comporta como paquetes de energía llamados fotones.
- Podemos medir la posición y el momento de un fotón.
- Los fotones no tienen masa, pero cada fotón tiene una cantidad de energía basada en su frecuencia (número de vibraciones por segundo)
- Cada fotón tiene una longitud de onda
Entonces es como una partícula y también como una onda. Esto se llama "dualidad onda-partícula".
Einstein escribió:
"Parece que debemos usar a veces una teoría y a veces la otra, mientras que a veces podemos usar cualquiera de las dos".
Intensidad
La intensidad es la potencia por área , generalmente en vatios por metro cuadrado:
Intensidad = W/m2
Ejemplo: sol en una pequeña casa de 100 metros cuadrados
Se reciben alrededor de 150 a 300 vatios de energía del Sol por metro cuadrado .
Elijamos el número más pequeño:
Intensidad = 150 W/m2
¿Cuánta potencia es eso en todo el techo?
Potencia = 150 W/m2 × 100 m2
Potencia = 15,000 W
Entonces, una casa pequeña tiene alrededor de 15 kilovatios en su techo, que es varias veces más de lo que usa un hogar.
Pero eso es solo mientras el sol brilla, y solo alrededor del 20% puede ser capturado por paneles solares típicos.
Pero sigue siendo mucha energía del sol.
Cuadrado inverso
 |
Inversamente proporcional
al cuadrado: se refiere a cuando un valor disminuye respecto al cuadrado de otro valor. |
Ejemplo: luz y distancia
Cuanto más lejos estamos de una luz, menos brillante es.
Porque:
- la energía que está dos veces más lejos se distribuye en 4 veces el área
- la energía que está 3 veces más lejos se distribuye en 9 veces el área
- etc
Polarización
La luz normalmente es libre de vibrar en cualquier dirección en ángulo recto con su trayectoria.
Pero la luz polarizada vibra en un solo plano:
La luz se polariza parcialmente cuando
rebota en superficies como agua o vidrio.
Las lentes polarizantes pueden bloquear la luz de ese plano para reducir la luz reflejada y hacer que sea más fácil ver el agua:
Izq: sin lente polarizadora. Der: con lente polarizadora
Fibra óptica
La luz y el infrarrojo, se pueden enviar a lo largo de cables de fibra óptica, llevando información codificada en la longitud de onda.
Cables de fibra óptica
La luz permanece en el interior debido a una propiedad especial de la refracción: cuando el índice de refracción es más bajo en el exterior y el ángulo no es demasiado pronunciado, el haz de luz tiene una reflexión interna total en el interior:
La luz rebota en las paredes dentro del
cable.
Los cables de fibra óptica son mucho mejores que los cables eléctricos:
- Los cables reciben más "ruido" (otras señales que distorsionan o interfieren con el original) de las líneas eléctricas, TV, radio, rayos, etc.
- Los fotones no tienen masa, por lo que pueden cambiar entre 0 y 1 rápidamente. Los electrones tienen masa y son lentos en comparación
- El vidrio tiene mucha menos resistencia a la luz que el cobre a las señales eléctricas, por lo que puede llegar mucho más lejos sin necesidad de un estímulo.
¡Refuerza tu aprendizaje resolviendo los siguientes retos sobre este tema! (Nota: están en inglés).
