LABORATORIO VIRTUAL SONIDO
LABORATORIO ELECTROMAGNETISMO
LABORATORIO DE OPTICA
martes, 8 de noviembre de 2016
lunes, 7 de noviembre de 2016
Luz
De manera sencilla la luz se puede definir como la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. Sin embargo, en Física se le otorga un sentido más amplio e incluye el rango completo de radiación, conocido como “espectro electromagnético”, que incluye la radiación ultravioleta e infrarroja y las ondas de radio. Los teóricos modernos en Física, describen la radiación electromagnética como un conjunto de partículas denominadas fotones, los cuales cuentan con energía y momentum bien definidos.
Óptica
La Óptica es la rama de la Física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz en las longitudes de onda del rango visible, infrarrojo y ultravioleta. Comprende la observación, análisis y manipulación de fenómenos como la reflexión y la refracción, por mencionar algunos. Los estudios de óptica más antiguos fueron realizados Euclides en Alejandría y se remontan al año 300 AC. Desde entonces, ha contribuido de manera significativa al desarrollo del conocimiento científico y de la tecnología.
Fotónica
El termino Fotónica fue introducido como una analogía del término electrónica en referencia al reemplazo del electrón por el fotón en operaciones típicas de la electrónica, tales como el procesamiento, la transmisión y el almacenamiento de datos. La Fotónica se ha establecido como ciencia autónoma y actualmente está presente en tecnologías de uso cotidiano, tales como sensores ópticos y telecomunicaciones.
Óptica Cuántica
La Óptica Cuántica es un área de la investigación en Física que aplica las leyes de la Mecánica Cuántica en el estudio de la luz y su interacción con la materia. Una característica en particular que posee, es que analiza luz con muy bajas intensidades, por ejemplo, luz compuesta de un único fotón.
Láser
El Láser es un dispositivo que produce un haz de luz, que se caracteriza por ser delgado, monocromático y con una divergencia muy pequeña. Desde su invención, el Láser ha encontrado aplicaciones en distintas áreas de la ciencia. Por ejemplo en medicina, es utilizado en cirugías de retina; en arte, ha contribuido a la holografía y a la restauración de obras; y en las comunicaciones, ha permitido, junto con el uso de la fibra óptica, desarrollar sistemas más eficientes y rápidos de transmisión de información.
Teledetección
La teledetección es definida como la obtención de información acerca de un objetivo sin tener contacto físico con él. La información, es recibida a través de la detección y medición de los cambios que el objeto genera en los campos circundantes, ya sean, electromagnéticos, acústicos o potenciales.
La electrónica funciona con corrientes de electrones. Con electricidad, para entendernos. Pero la fotónica, funciona con corrientes de fotones....Con luz, en otras palabras. Aquella, forma parte de nuestra civilización de una manera tan profunda que solo cuando nos falta percibimos su valor. Las corrientes de partículas luminosas, los fotones, empiezan a hacerse hueco entre nosotros y algunas de sus aplicaciones ya son imprescindibles: los lectores de código de barras, las aplicaciones del láser en la medicina, la televisión digital..
..
¿Es realista pensar en una televisión 3D en un futuro cercano?
Aquí hay que considerar dos aspectos, la cantidad de información que hay que transmitir para producir un holograma, y la resolución del elemento que forma la imagen. Para producir imágenes 3D en movimiento debemos realizar numerosos “fotogramas holográficos”. Cada fotograma holográfico constará de al menos 100 Megabytes, y por cada segundo de imágenes debemos formar 25 fotogramas. Esta es una cantidad de datos altísima, incluso para las comunicaciones ópticas actuales.
Por otra parte, las películas que permiten grabar hologramas son muy especiales, de muy alta resolución, con más de 25000 puntos por pulgada. Por el momento los proyectores de video tienen una resolución muy inferior, y tendremos que esperar a que esta mejore notablemente.
Parece que aún estamos algo lejos de esta aplicación fotónica, aunque la tecnología se desarrolla muy rápidamente en este campo. Aún se tardará unos años en que sea realidad la TV holográfica.
La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica. Algunas de estas propiedades aún no han sido aplicadas, aunque parece que pueden tener mucho interés en campos como el de la computación óptica.
La luz también está relacionada con la relatividad y con la astrofísica. La información que recibimos de los objetos espaciales es principalmente en forma de radiación luminosa. Los efectos relativistas observados en la luz que nos llega de las estrellas permiten obtener datos sobre el origen del universo.
Como se puede apreciar, existe una gran relación con otros campos de la física, y en muchas ocasiones no está clara la frontera entre estos campos.
Esto de la “fotónica suena a película de ciencia-ficción, ¿podrías arrojar algo de “luz” sobre lo que significa para empezar?
La electrónica funciona con corrientes de electrones, y estamos muy acostumbrados a usar aparatos electrónicos como la radio, la televisión, el teléfono, el ordenador, etc. Por el contrario, la fotónica funciona con corrientes de partículas luminosas, los fotones. No estamos aún muy acostumbrados a usar en la vida diaria aparatos fotónicos, aunque cada vez las aplicaciones fotónicas están más presentes a nuestro alrededor. Así tenemos algunos aparatos clásicos como las cámaras fotográficas, telescopios y microscopios, y otros más recientes como los lectores de códigos de barras, los punteros láser, los láseres de las discotecas, etc. Casi todos estos aparatos combinan una parte electrónica y otra fotónica, como las pantallas de los ordenadores, los proyectores de video, las cámaras fotográficas digitales, y muchos otros.
Veo que lo de arrojar luz no iba muy descaminado…. De un tiempo a esta parte parece que estamos rodeados de láseres: impresoras láser, lectoras de CDs. ¿Podrías comentar algo sobre este aspecto?
Si, la luz láser posee unas propiedades muy especiales, que la hacen enormemente útil, y además cada vez se inventan nuevos láseres de colores distintos, y con tamaños cada vez más reducidos. La luz láser se dirige de forma muy precisa comparada con la luz de una bombilla, además es de color muy puro, y muy brillante. Estas son cualidades esenciales para multitud de aplicaciones (cirugía, industria, investigación). Cada día se encuentran nuevas aplicaciones para este tipo de luz.
Fibra óptica, comunicaciones ópticas ¿a la velocidad de la luz?
Si, cada día se requiere más movimiento de información. Internet, la televisión digital por cable … Se hace necesario un sistema de alta capacidad de transmisión. Los conductores eléctricos quedan saturados. Por las fibras ópticas podemos enviar la información en forma de luz láser a la velocidad de la luz. Además, la más moderna tecnología permite enviar muchas comunicaciones a la vez por la misma fibra, una enorme ventaja respecto a los cables eléctricos, simplemente usando luces de varios colores distintos. Cada color lleva una comunicación, ¡y no se mezclan en la fibra!
A mi siempre me han sorprendido los hologramas ¿cómo funcionan?
Intentaré explicarlo de forma sencilla. En una fotografía normal la imagen está impresa en el papel. Es la imagen de intensidad de luz que tomó la cámara con su objetivo. Por el contrario, con el holograma conseguimos fabricar una copia de las ondas luminosas que venían desde el objeto. Es como si tuviésemos delante el mismo objeto (sólo ópticamente, ya que el objeto ahora no está). En su lugar está el holograma, que nos envía información de la intensidad de luz y del relieve del objeto, así que lo veremos en 3D.¿Es realista pensar en una televisión 3D en un futuro cercano?
Por otra parte, las películas que permiten grabar hologramas son muy especiales, de muy alta resolución, con más de 25000 puntos por pulgada. Por el momento los proyectores de video tienen una resolución muy inferior, y tendremos que esperar a que esta mejore notablemente.
Parece que aún estamos algo lejos de esta aplicación fotónica, aunque la tecnología se desarrolla muy rápidamente en este campo. Aún se tardará unos años en que sea realidad la TV holográfica.
No me gustaría que nos centrásemos únicamente en los aspectos más mundanos, ¿podrías comentarnos cuales son los principales retos en este campo?
Uno de los retos importantes de la fotónica es la computación óptica. Los ordenadores personales actuales no pasan mucho más allá de los 3.000.000.000 de sencillas operaciones por segundo, y aún así a veces nos parecen lentos, pero estamos cerca del límite de velocidad con corrientes de electrones. Usando la luz podríamos aún aumentar mucho la velocidad de cálculo, tal vez hacerlos un millón de veces más rápidos.
¿Cómo se imagina un experto en fotónica el futuro? ¿Brillante?
Cada día que pasa aparecen nuevas aplicaciones de la fotónica. La luz láser está cada vez más presente en nuestras casas. En el campo de la salud también avanzan rápidamente las aplicaciones fotónicas. Por ejemplo, dentro de muy poco las radiografías se harán con luz láser visible, que es mucho menos peligrosa que los rayos X. En la industria cada vez son más los procesos que están controlados mediante la luz y las imágenes. Realmente es un panorama muy brillante, y ya en otros países avanzados como Estados Unidos los expertos en tecnología fotónica están muy cotizados. Nosotros acabamos de inicia el Master en Tecnología Fotónica en la UAM para formar este tipo de profesionales en nuestro país.
¿Podrías comentar la interrelación de la fotónica con otros campos de la física?
La luz interacciona con la materia, y por tanto es un instrumento eficaz para el estudio de los materiales, también se genera en la materia, de ahí su relación con la física atómica y molecular y con la física de sólidos.La luz está compuesta por pequeñas unidades, los fotones, que tienen propiedades de física cuántica. Algunas de estas propiedades aún no han sido aplicadas, aunque parece que pueden tener mucho interés en campos como el de la computación óptica.
La luz también está relacionada con la relatividad y con la astrofísica. La información que recibimos de los objetos espaciales es principalmente en forma de radiación luminosa. Los efectos relativistas observados en la luz que nos llega de las estrellas permiten obtener datos sobre el origen del universo.
Como se puede apreciar, existe una gran relación con otros campos de la física, y en muchas ocasiones no está clara la frontera entre estos campos.
FOTONICA
La fotónica es la ciencia de la generación, control y detección de fotones, en particular en el espectro visible e infrarrojo cercano, pero que también se extiende a otras porciones del espectro que incluyen al ultravioleta (longitudes de onda de 0,2 - 0,35 µm), infrarrojo de onda larga (8 - 12 µm) e infrarrojo lejano (75 - 150 µm), en donde actualmente se están desarrollando de manera activa los láser de cascada cuántica. La fotónica surge como resultado de los primeros semiconductores emisores de luz inventados a principios de 1960 en General Electric, MIT Lincoln Laboratory, IBM, y RCA y hechos factibles en la práctica por Zhores Alferov y Dmitri Z. Garbuzov y colaboradores que trabajaban en el Ioffe Physico-Technical Institute y casi simultáneamente por Izuo Hayashi y Mort Panish que trabajaban en los Bell Telephone Laboratories.
De la misma manera que las aplicaciones de la electrónica se han ampliado de manera contundente desde que el primer transistor fuera inventado en 1948, las nuevas aplicaciones particulares de la fotónica siguen apareciendo. Aquellas de las cuales se consideran aplicaciones consolidadas y económicamente importantes de los dispositivos fotónicos de semiconductores incluyen: almacenamiento óptico de datos, telecomunicaciones por fibra óptica, impresión láser (basada en la xerografía), visualizadores y bombeo óptico en láseres de alta potencia. Las aplicaciones potenciales de la fotónica son virtualmente ilimitadas e incluyen: síntesis química, diagnóstico médico, comunicación de datos on-chip, defensa con armas láser y obtención de energía mediante fusión, entre otras aplicaciones interesantes.
*Relacion entre Campo Electrico y Potencial Electrico. Gradiente de potencial
En la figura se representa un campo eléctrico uniforme,
y una carga positiva en su interior.
F es la fuerza que debe realizarse para trasladar, a
velocidad constante, la carga
q desde
A a
B. El
módulo de esta fuerza (igual al módulo de la
fuerza eléctrica) es qE. El trabajo que realiza la
fuerza
F para cubrir esta trayectoria
W
= qEl
La cantidad dV/dl, se denomina gradiente de potencial. Indica cuán rápido varía el
potencial con la distancia. El signo menos significa que la dirección del campo eléctrico es
opuesta a la dirección en la cuál aumenta el potencial.
Consecuencias:
-Las cargas positivas se desplazan de las zonas de mayor
potencial hacia las de menor.
-Las cargas positivas se desplazan en el sentido de las líneas
de campo eléctrico.
- El potencial eléctrico aumenta cuando nos movemos en
sentido contrario a la líneas de campo eléctrico.
Superficies equipotenciales
Cualquier punto de una superficie imaginaria esférica de radio
r,
en cuyo centro se encuentra la carga
Q, tendrá el mismo
potencial eléctrico:
V = K
Q
r
A una superficie con estas características se la denomina
superficie equipotencial.
En el caso de una carga puntual, las superficies equipotenciales son cascarones esféricos
centrados en el punto donde se encuentra la carga.
Cuando una carga se mueve en equilibrio, formando un ángulo recto con el campo
eléctrico, al ser la fuerza externa perpendicular al movimiento, el trabajo realizado es nulo,
por lo tanto el potencial permanece constante, la carga se ha trasladado a lo largo de
una equipotencial. Se concluye, entonces, que:
Las líneas de campo eléctrico son siempre perpendiculares
a las superficies equipotenciales
*Potencial Eléctrico
La fuerza eléctrica, del mismo modo que la fuerza gravitatoria, es una fuerza conservativa. Siguiendo el análisis del problema gravitacional, podemos definir la Energía Potencial Eléctrica de un sistema de cargas. Energía Potencial Eléctrica (UE) de una dada configuración de cargas, es el trabajo que debe realizarse para traer las cargas, a velocidad constante, desde el infinito (UE = 0) hasta la posición que ocupan.La Energía Potencial Eléctrica en el caso de dos cargas puntuales separadas una distancia r Se define Potencial Eléctrico (V) debido a la carga Q en el punto P (donde se encuentra la carga de prueba q) a la Energía Potencia Eléctrica por unidad de carga.
La fuerza eléctrica, del mismo modo que la fuerza gravitatoria, es una fuerza conservativa. Siguiendo el análisis del problema gravitacional, podemos definir la Energía Potencial Eléctrica de un sistema de cargas. Energía Potencial Eléctrica (UE) de una dada configuración de cargas, es el trabajo que debe realizarse para traer las cargas, a velocidad constante, desde el infinito (UE = 0) hasta la posición que ocupan.La Energía Potencial Eléctrica en el caso de dos cargas puntuales separadas una distancia r Se define Potencial Eléctrico (V) debido a la carga Q en el punto P (donde se encuentra la carga de prueba q) a la Energía Potencia Eléctrica por unidad de carga.
-Líneas de Campo Eléctrico
Las líneas de campo eléctrico (o líneas de fuerza), son líneas imaginarias que tienen como objetivo generar una representación visual del campo eléctrico en una región del espacio.
Sus propiedades mas importantes son:
* La densidad de líneas de fuerza es proporcional a la intensidad del campo eléctrico
* En un punto de una línea, la tangente coincide con la dirección del campo eléctrico en este punto.
* Las líneas de campo eléctrico (o líneas de fuerza), son líneas imaginarias que tienen como objetivo generar una representación visual del campo eléctrico en una región del espacio.
* El sentido de la línea, determina el sentido del campo eléctrico Las líneas parten de las cargas positivas y arriban a las cargas negativas
Las líneas de campo eléctrico (o líneas de fuerza), son líneas imaginarias que tienen como objetivo generar una representación visual del campo eléctrico en una región del espacio.
Sus propiedades mas importantes son:
* La densidad de líneas de fuerza es proporcional a la intensidad del campo eléctrico
* En un punto de una línea, la tangente coincide con la dirección del campo eléctrico en este punto.
* Las líneas de campo eléctrico (o líneas de fuerza), son líneas imaginarias que tienen como objetivo generar una representación visual del campo eléctrico en una región del espacio.
* El sentido de la línea, determina el sentido del campo eléctrico Las líneas parten de las cargas positivas y arriban a las cargas negativas
*El Campo Eléctrico
Campo eléctrico es la fuerza por unidad de carga que se ejerce sobre una carga q colocada en una región de espacio donde experimenta una fuerza eléctrica F
Si el campo eléctrico es generado por una carga Q, utilizando la Ley de Coulomb concluimos que a una distancia r de la carga
Campo eléctrico es la fuerza por unidad de carga que se ejerce sobre una carga q colocada en una región de espacio donde experimenta una fuerza eléctrica F
Si el campo eléctrico es generado por una carga Q, utilizando la Ley de Coulomb concluimos que a una distancia r de la carga
*Fuerzas Eléctricas. Ley de Coulomb
Ley de Coulomb: la fuerza eléctrica entre dos
cargas es proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa
En el Sistema Internacional la unidad para la carga es el Coulomb (C) y la constante K es 9 x 10 9 Nt m 2 C-2
en estas imagenes puedes observar las fuerzas electricas
Ley de Coulomb: la fuerza eléctrica entre dos
cargas es proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia que las separa
En el Sistema Internacional la unidad para la carga es el Coulomb (C) y la constante K es 9 x 10 9 Nt m 2 C-2
en estas imagenes puedes observar las fuerzas electricas
*Electrostática
La electrostática es la parte de la física que estudia las cargas eléctricas en reposo. Experiencias simples muestran que existen dos tipos de cargas eléctricas, según la convención propuesta por Franklin (siglo XVIII), cargas positivas y cargas negativas. Cargas de igual signo se repelen, y cargas de distinto signo se atraen. La materia está compuesta por átomos. En un modelo simple, lo podemos suponer formado por un núcleo positivo y electrones (negativos) que giran a su alrededor (Modelo de Bohr). Estos son retenidos debido a la fuerza de atracción que los liga al núcleo. Dos propiedades fundamentales de las cargas eléctricas son las siguientes: 9 La carga eléctrica esta cuantizada, ésto significa que cualquier valor de carga es un múltiplo de la carga fundamental (carga del electrón). 9 La carga eléctrica se conserva. En cualquier proceso físico la carga eléctrica total permanece constante.
La electrostática es la parte de la física que estudia las cargas eléctricas en reposo. Experiencias simples muestran que existen dos tipos de cargas eléctricas, según la convención propuesta por Franklin (siglo XVIII), cargas positivas y cargas negativas. Cargas de igual signo se repelen, y cargas de distinto signo se atraen. La materia está compuesta por átomos. En un modelo simple, lo podemos suponer formado por un núcleo positivo y electrones (negativos) que giran a su alrededor (Modelo de Bohr). Estos son retenidos debido a la fuerza de atracción que los liga al núcleo. Dos propiedades fundamentales de las cargas eléctricas son las siguientes: 9 La carga eléctrica esta cuantizada, ésto significa que cualquier valor de carga es un múltiplo de la carga fundamental (carga del electrón). 9 La carga eléctrica se conserva. En cualquier proceso físico la carga eléctrica total permanece constante.
en nuestra vida diaria la utilizamos asi
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