El láser

FÍSICA DEL SIGLO XX

Un láser (del acrónimo inglés LASER, light amplification by stimulated emission of radiation; amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) es un dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente. La coherencia espacial se corresponde con la capacidad de un haz para permanecer con un pequeño tamaño al transmitirse por el vacío en largas distancias y la coherencia temporal se relaciona con la capacidad para concentrar la emisión en un rango espectral muy estrecho.

 

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Efecto fotoeléctrico

FÍSICA DEL SIGLO XX

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). A veces se incluyen en el término otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

Fotoconductividad: Es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo XIX.

Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía lumínica en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, basando su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta, para finalmente concluir que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan fueran condecorados con premios Nobel en 1921 y 1923, respectivamente.

Se podría decir que el efecto fotoeléctrico es lo opuesto a los rayos X, ya que el efecto fotoeléctrico indica que los fotones pueden transferir energía a los electrones. Los rayos X (no se sabía la naturaleza de su radiación, de ahí la incógnita "X") son la transformación en un fotón de toda o parte de la energía cinética de un electrón en movimiento. Esto se descubrió casualmente antes de que se dieran a conocer los trabajos de Planck y Einstein (aunque no se comprendió entonces). 

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Radiación del cuerpo negro y espectros atómicos

FÍSICA DEL SIGLO XX

La ley de Planck describe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. La ley lleva el nombre de Max Planck, quien la propuso originalmente en 1900. Se trata de un resultado pionero de la física moderna y la teoría cuántica.
La intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro (o radiancia espectral) con una cierta temperatura T y frecuencia ${\displaystyle \nu }$, ${\displaystyle I(\nu ,T)}$, viene dada por la ley de Planck: PÁGINA DONDE HAY UNA SIMULACIÓN (no he encontrado la simulación sola, sin todo el texto que hay en esa pagina)

${\displaystyle I(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{kT}}-1}}}$

 

Experimento de Michelson-Morley

FÍSICA DEL SIGLO XX

El experimento de Michelson y Morley fue uno de lo más importantes y famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson (Premio Nobel de Física, 1907 ) y Edward Morley, está considerado como la primera prueba contra la teoría del éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein. En la base de un edificio cercano al nivel del mar, Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el interferómetro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada o semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro. Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales (o caminos ópticos iguales) y recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.  SIMULACIÓN DEL EXPERIMENTO



 

Instrumentos ópticos y trazado de rayos

ÓPTICA GEOMÉTRICA

El trazado de rayos en sistemas de lentes y espejos es particularmente importante para el diseño de los siguientes instrumentos ópticos:  Simulación de trazado de rayos

a) El microscopio: Un microscopio es un sistema de lentes que produce una imagen virtual aumentada de un apequeño objeto. El microscopio más simple es una lente convergente, la lupa. El objeto se coloca entre la lente y el foco, de modo que la imagen es virtual y está a una distancia que es la distancia mínima de visón nítida, alrededor de 25 cm.

El microscopio compuesto consiste en dos lentes convergentes de pequeña distancia focal, llamadas objetivo y ocular. La distancia focal del objetivo f, es mucho menos que la distancia focal f´ del ocular. El objeto AB se coloca a una distancia del objetivo ligeramente mayor que f. El objetivo forma una primera imagen a´b´ que hace de objeto para el ocular. La imagen a´b´ debe estar a una distancia del ocular ligeramente menor que f´. La imagen final ab es virtual, invertida y mucho mayor que el objeto. El objeto AB se coloca de tal manera que ab está a una distancia del ocular igual a la distancia mínima de visión nítida, alrededor de 25 cm. Esta condición se realiza mediante el enfoque que consiste en mover todo el microscopio respecto al objeto.(Se puede observar la imagen a través de una lente convexa).

b) El telescopio: En el telescopio el objetivo es una lente convergente de distancia focal f muy grande, a veces de varios metros. Como el objeto AB es muy distante, su imagen a´b´ producida por el objetivo, está en su foco F0. Sólo se necesitan los rayos centrales para conocer la posición de la imagen. El ocular es una lente convergente de distancia focal f´ mucho menor. De coloca de tal que la imagen intermedia a´b´ esté entre el ocular y su foco. y la imagen final ab esté a la la distancia mínima de visón nítida, alrededor de 25 cm. El enfoque se hace moviendo el ocular ya que nada se gana moviendo el objetivo. (Se puede observar la imagen a través de una lente convexa)

Ondas electromagnéticas y polarización

ONDAS

La polarización electromagnética es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de una orientación. Esto se refiere normalmente a las llamadas ondas transversales, en particular se suele hablar de las ondas electromagnéticas, aunque también se puede dar en otras ondas longitudinales. Por otra parte, las ondas de sonido en un gas o líquido son ondas exclusivamente longitudinales en la que la oscilación va siempre en la dirección de la onda; por lo que no se habla de polarización en este tipo de ondas.
En una onda electromagnética, tanto el campo eléctrico y el campo magnético son oscilantes, pero en diferentes direcciones; ambas perpendiculares entre si y perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; por convención, el plano de polarización de la luz se refiere a la polarización del campo eléctrico. SIMULACIÓN

Efecto Doppler

ONDAS

El efecto Doppler, llamado así por el físico austriaco Christian Andreas Doppler, es el cambio de frecuencia aparente de una onda producida por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador.
Hay ejemplos cotidianos del efecto Doppler en los que la velocidad a la que se mueve el objeto que emite las ondas es comparable a la velocidad de propagación de esas ondas. La velocidad de una ambulancia (50 km/h) puede parecer insignificante respecto a la velocidad del sonido al nivel del mar (unos 1235 km/h), sin embargo, se trata de aproximadamente un 4 % de la velocidad del sonido, fracción suficientemente grande como para provocar que se aprecie claramente el cambio del sonido de la sirena desde un tono más agudo a uno más grave, justo en el momento en que el vehículo pasa al lado del observador.
En el caso del espectro visible de la radiación electromagnética, si el objeto se aleja, su luz se desplaza a longitudes de onda más largas, produciéndose un corrimiento hacia el rojo. Si el objeto se acerca, su luz presenta una longitud de onda más corta, desplazándose hacia el azul. Esta desviación hacia el rojo o el azul es muy leve incluso para velocidades elevadas, como las velocidades relativas entre estrellas o entre galaxias, y el ojo humano no puede captarlo, solamente medirlo indirectamente utilizando instrumentos de precisión como espectrómetros. Si el objeto emisor se moviera a fracciones significativas de la velocidad de la luz, sí sería apreciable de forma directa la variación de longitud de onda. Simulación del efecto Doppler

Reflexión total

ONDAS

Reflexión total  

Reflexión total es el fenómeno que se produce cuando un rayo de luz atraviesa un medio de índice de refracción n2 menor que el índice de refracción n1 en el que éste se encuentra, se refracta de tal modo que no es capaz de atravesar la superficie entre ambos medios reflejándose completamente.

Este fenómeno solo se produce para ángulos de incidencia superiores a un cierto valor crítico, i=L.

El ángulo límite se calcula a partir de la ley de Snell: n₁ sen θ₁ = n₂ sen θ_{2 ,} sustituyendo el ángulo θ₂ = 90º

n2 < n1

L(ángulo límite) = arcsen (n2/n1)

La reflexión interna total se utiliza en fibra óptica para conducir la luz a través de la fibra sin pérdidas de energía. En una fibra óptica el material interno tiene un índice de refracción más grande que el material que lo rodea. El ángulo de la incidencia de la luz es crítico para la base y su revestimiento y se produce una reflexión interna total que preserva la energía transportada por la fibra.

Principio de Huygens: interferencia y difracción

ONDAS

Principio de Huygens

El principio de Huygens permite predecir la posición futura de un frente de onda cuando se conoce su posición anterior. Establece que los frentes de onda están formados por frentes de onda más pequeños, es decir, que cada punto de un frente de ondas primario se comporta como un emisor de ondas secundarias. Estas ondas secundarias son esféricas, tienen la misma frecuencia y se propagan en todas las direcciones con la misma velocidad que la onda primaria en cada punto. La envolvente de todas esas ondas secundarias es el nuevo frente de onda formado.
El principio de Huygens explica perfectamente la reflexión y refracción de la luz (también fácilmente explicables por la teoría corpuscular de Newton), así como los fenómenos ondulatorios que presenta, esto es, la difracción y las interferencias

Difracción: Cuando la luz pasa por aberturas o bordea obstáculos se producen fenómenos que contradicen la propagación rectilínea, estos fenómenos, que aparecen más acentuados a medida que los obstáculos y las aberturas se hacen más pequeños en relación con la longitud de onda de la luz utilizada, constituyen la difracción, y son una consecuencia natural del carácter ondulatorio de la luz. La difracción se observa cuando se distorsiona una onda por un obstáculo cuyas dimensiones son comparables a la luz. Applet Difracción  

Interferencia: El físico inglés Thomas Young, confirmó la naturaleza ondulatoria de la luz, mediante un experimento que permitía apreciar la interferencia de las ondas luminosas. La mayor dificultad para observar un patrón de interferencia producido por dos fuentes luminosas, es el hecho de que la diferencia de fase entre las ondas electromagnéticas varía muy rápidamente y de manera azarosa, de modo que, es imposible en el lapso de tiempo tan extremadamente corto, observar el fenómeno de interferencia, aún cuando las fuentes sean monocromáticas (una sola longitud de onda) y polarizadas.Es necesario entonces, para producir un patrón observable, contar con dos fuentes luminosas "coherentes" que mantengan la diferencia de fase constante. Recientemente se han podido, por ejemplo, crear patrones de interferencia producidos por dos láser, que son precisamente fuentes de luz con una alta coherencia. El ingenio de Young se puso de manifiesto al crear un par de haces coherentes a partir de la división de un único frente de onda luminosa.  No he conseguido encontrar applets de interferencia

Líneas de campo magnético de una corriente eléctrica rectilínea

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Simulación de líneas de campo magnético de una corriente eléctrica rectilínea

La ley de Biot-Savart

El físico Jean Biot dedujo en 1820 una ecuación que permite calcular el campo magnético B creado por un circuito de forma cualesquiera recorrido por una corriente de intensidad i.

B es el vector campo magnético existente en un punto P del espacio, u_t es un vector unitario cuya dirección es tangente al circuito y que nos indica el sentido de la corriente en la posición donde se encuentra el elemento dl. u_r es un vector unitario que señala la posición del punto P respecto del elemento de corriente, m₀/4p = 10^-7 en el Sistema Internacional de Unidades.

Campo magnético producido por una corriente rectilínea

Utilizamos la ley de Biot para calcular el campo magnético B producido por un conductor rectilíneo indefinido por el que circula una corriente de intensidad i.

El campo magnético B producido por el hilo rectilíneo en el punto P tiene una dirección que es perpendicular al plano formado por la corriente rectilínea y el punto P, y sentido el que resulta de la aplicación de la regla del sacacorchos al producto vectorial u_t´ u_r
Para calcular el módulo de dicho campo es necesario realizar una integración.

Se integra sobre la variable q , expresando las variables x y r en función del ángulo q .
R=r·cosq , R=-y·tanq .

En la figura, se muestra la dirección y sentido del campo magnético producido por una corriente rectilínea indefinida en el punto P. Cuando se dibuja en un papel, las corrientes perpendiculares al plano del papel y hacia el lector se simbolizan con un punto · en el interior de una pequeña circunferencia, y las corrientes en sentido contrario con una cruz ´ en el interior de una circunferencia tal como se muestra en la parte derecha de la figura.
La dirección del campo magnético se dibuja perpendicular al plano determinado por la corriente rectilínea y el punto, y el sentido se determina por la regla del sacacorchos o la denominada de la mano derecha.

La ley de Ampère

La ley de Gauss nos permitía calcular el campo eléctrico producido por una distribución de cargas cuando estas tenían simetría (esférica, cilíndrica o un plano cargado).
Del mismo modo la ley de Ampère nos permitirá calcular el campo magnético producido por una distribución de corrientes cuando tienen cierta simetría.
Los pasos que hay que seguir para aplicar la ley de Ampère son similares a los de la ley de Gauss.

1. Dada la distribución de corrientes, deducir la dirección y sentido del campo magnético
2. Elegir un camino cerrado apropiado, atravesado por corrientes y calcular la circulación del campo magnético.
3. Determinar la intensidad de la corriente que atraviesa el camino cerrado
4. Aplicar la ley de Ampère y despejar el módulo del campo magnético.

Campo magnético producido por una corriente rectilínea

La dirección del campo en un punto P, es perpendicular al plano determinado por la corriente y el punto.   Elegimos como camino cerrado una circunferencia de radio r, centrada en la corriente rectilínea, y situada en una plano perpendicular a la misma.

• El campo magnético B es tangente a la circunferencia de radio r, paralelo al vector dl.
• El módulo del campo magnético B tiene tiene el mismo valor en todos los puntos de dicha circunferencia.

La circulación (el primer miembro de la ley de Ampère) vale

3. La corriente rectilínea i atraviesa la circunferencia de radio r.
    
4. Despejamos el módulo del campo magnético B.

Llegamos a la expresión obtenida aplicando la ley de Biot.

Movimiento de partículas cargadas en campos magnéticos

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Simulación de movimiento de partículas cargadas en campos magnéticos

Una partícula que se mueve en un campo magnético experimenta una fuerza dada por el producto vectorial . El resultado de un producto vectorial es un vector de

• módulo igual al producto de los módulos por el seno del ángulo comprendido qvBsen(q)
• dirección perpendicular al plano formado por los vectores velocidad y campo.
• y el sentido se obtiene por la denominada regla del sacacorchos. Si la carga es positiva el sentido es el del producto vectorial , como en la figura

Si la carga es negativa el sentido de la fuerza es contrario al del producto vectorial .

Dicha partícula en un campo magnético uniforme y perpendicular a la dirección de la velocidad describe órbita circular ya que la fuerza y la velocidad son mutuamente perpendiculares. El radio de dicha órbita puede obtenerse a partir de la aplicación de la ecuación de la dinámica del movimiento circular uniforme: fuerza igual a masa por aceleración normal.

El Alternador

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Un alternador es una máquina eléctrica, capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética.

Los alternadores están fundados en el principio de que en un conductor sometido a un campo magnético variable se crea una tensión eléctrica inducida cuya polaridad depende del sentido del campo y el valor del flujo que lo atraviesa.

Un alternador de corriente alterna funciona cambiando constantemente la polaridad para que haya movimiento y genere energía. En el mundo se utilizan alternadores con una frecuencia de 50 Hz (Europa,.. ) o 60 Hz (Brasil, Estados Unidos, ...), es decir, que cambia su polaridad 50 o 60 veces por segundo.
Si el alternador, se utiliza para suministrar energía a la red, su velocidad de rotación se mantiene constante y por lo tanto la frecuencia f de la red. Su relación fundamental es:

Donde n representa la velocidad en R.P.M. y p el número de pares de polos.

Applet del Alternador

Experiencias de Faraday y Henry

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Faraday: Michael Faraday fue un físico y químico británico que estudió el electromagnetismo y la electroquímica. Sus principales descubrimientos incluyen la inducción electromagnética, el diamagnetismo y la electrólisis.

La ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente ley de Faraday) establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:

donde:

 es el campo eléctrico,

${\displaystyle d{\vec {l}}}$ es el elemento infinitesimal del contorno C,

${\displaystyle {\vec {B}}}$ es la densidad de campo magnético y

${\displaystyle S}$ es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de ${\displaystyle {\vec {dA}}}$ están dadas por la regla de la mano derecha.

Experiencias de Henry: Joseph Henry descubrió que si un conductor se mueve perpendicularmente a un campo magnético, se origina una diferencia de potencial entre los extremos del conductor. Si el conductor forma parte de un circuito cerrado, aparece una corriente eléctrica.En el experimento de Henry se puede explicar la aparición de la fuerza electromotriz inducida mediante la ley de Lorentz.

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Movimiento de Satélites

INTERACCIÓN GRAVITATORIA

Movimiento de satélites

De entre los tipos de fuerza existentes en la naturaleza, la fuerza gravitatoria es una de las de menor intensidad, pero sin embargo es fundamental en la evolución de nuestro universo: si no fuera por ella no existirían ni estrellas ni planetas, y consecuentemente tampoco podría existir la vida tal y como la conocemos.

Aceleradores de Partículas

INTERACCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Espectrómetro de masas: El Espectrómetro de Bainbridge es un dispositivo que separa iones que tienen la misma velocidad. Después de atravesar las rendijas, los iones pasan por un selector de velocidades, una región en la que existen un campo eléctrico y otro magnético cruzados.
Los iones que pasan el selector sin desviarse, entran en una región donde el campo magnético les obliga a describir una trayectoria circular.

El radio de la órbita es proporcional a la masa, por lo que iones de distinta masa impactan en lugares diferentes de la placa.

El objetivo del programa consiste en contar el número de isótopos de un elemento y hallar sus masas en unidades u.m.a. Para ello, se deberá seleccionar cuidadosamente la magnitud del campo eléctrico y del campo magnético, y medir sobre la escala graduada los diámetros de sus trayectorias semicirculares.

Ciclotrón: Acelerador de partículas de trayectoria circular usado para el bombardeo del núcleo de los átomos para producir transmutaciones y radiactividad artificial.