REFRACCION DE LA LUZ

Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.

Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío entre la que tiene en un medio transparente obtenemos un valor que llamamos índice de refracción de ese medio.

Si el índice de refracción del agua es n= 1,33, quiere decir que la luz es 1,33 veces más rápida en el vacío que en el agua.

Por lo general cuando la luz llega a la superficie de separación entre los dos medios se producen simultáneamente la reflexión y  la refracción.

• i la luz pasa de un medio más rápido a otro más lento (por ejemplo del vacío al vidrio flint), el ángulo de refracción es menor que el de incidencia.
• Si pasa de un medio de mayor índice de refracción a otro con menor índice de refracción (por ejemplo del diamante al vacío), el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia.
• En éste último caso, si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo límite no se produce refracción, sino lo que se denomina reflexión total.

El fenómeno de la reflexión total permite que podamos canalizar la luz a través de pequeños tubos de diferentes sustancias que se denominan fibras ópticas. Las fibras ópticas se utilizan en muchos campos de la ciencia y de la tecnología. Por ejemplo:

En medicina permiten ver órganos internos sin intervenciones quirúrgicas complejas.

En las telecomunicaciones están alcanzando unos altos niveles de utilización ya que por una fibra del grosor de un cabello pueden transmitirse nformación de audio y video equivalente a 25.000 voces hablando simultáneamente.

El fenómeno de la refracción se rige por la llamada ley de la refracción o ley de Snell:

n1 sen i = n2 sen r

n1 = índice de refracción del medio del que procede

i = ángulo de incidencia

n2= índice de refracción del medio en el que se refracta

r = ángulo de refracción

INDICE DE REFRACCION

Se denomina índice de refracción al cociente de la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio cuyo índice se calcula.¹​ Se simboliza con la letra ${\displaystyle n}$ y se trata de un valor adimensional.

${\displaystyle n={\frac {c}{v}}}$

donde:

${\displaystyle c\,}$: la velocidad de la luz en el vacío

${\displaystyle v\,}$: velocidad de la luz en el medio cuyo índice se calcula (agua, vidrio, etc.).

${\displaystyle n\,}$: índice de refracción del medio.

El índice de refracción de un medio es una medida para saber cuánto se reduce la velocidad de la luz (o de otras ondas tales como ondas acústicas) dentro del medio.

FENÓMENOS CAUSADOS POR LA REFRACCIÓN DE LA LUZ

Dispersión de la luz: cuando al luz atraviesa un prisma, se descompone en los colores que la forman, entonces pueden ser vistos.Cuando los rayos solares atraviesan pequeñas gotas de lluvia, estas actúan como pequeños prismas y dispersan la luz, formándose asi un arco iris.

Absorción de la luz: los materiales pueden absorber la luz que llega a ellos. según el tipo de luz que pueda absorber un material, este va a tener un cierto color. Así , si absorbe toda la luz que recibe sera de color negro , por el contrario, un material que no absorba las luz, reflejandola toda, sera de color blanco.

Reflexión de la luz: Es el cambio de dirección y sentido que sufren los rayos luminosos cuando chocan contra la superficie de un medio distinto al que se desplazan .Los cuerpos que no producen luz propia podemos verlos gracias a que reflejan la luz que llegan a ellos.Un espejo es un objeto opaco que refleja todos los rayos luminosos que llegan a el , viéndose ademas del espejo a los cuerpos reflejados en el.

Refracción de la luz: Cuando un rayo luminosos , por ejemplo, que viaja por el aire pasa d este a otro medio , como el agua , se produce un cambio en su velocidad y en su dirección. Este fenómeno se conoce como refacción de la luz.Debido a ello, cuando introducimos un lápiz en un vaso con agua, se produce una ilusión óptica que hace ver el lápiz como partido.

FORMACIÓN DE IMÁGENES EN LENTES.

Al igual que un espejo, las lentes forman imágenes reales y virtuales de los objetos que se colocan en frente de ellas. 

La posición de la imagen que forma una lente se puede obtener por métodos gráficos trazando los siguientes rayos.  

1.-Rayo paralelo: Es un rayo paralelo al eje principal de la lente que después de la refracción pasa por el foco de lado de la imagen. 

2.-Rayo principal: Rayo que pasa por el centro óptico de la lente, y no se desvía al atravesar la lente. 

3.-Rayo focal: Rayo que pasa por el foco del lado del objeto y al refractarse sale paralelo al eje óptico. 

Para localizar la imagen de un objeto necesitamos conocer únicamente la trayectoria de dos rayos emitidos desde el objeto y utilizar el punto de intersección para conocer la imagen en ese punto. 

Método: 

1.-Definir una escala para el dibujo
2.-Trazar el eje óptico, la lente, el objeto y los focos. 
3.-Se traza una linea vertical en el centro de la lente. 
4.-Rayo paralelo. 
5.-Rayo principal. Desde la punta del objeto se traza un rayo que pase por el centro del lente. 
6.-Estos dos rayo se cruzan en el lado de la imagen. 
7.-Rayo focal. Se traza solo para comprobar. 

Al trazar los rayos obtenemos una imagen real, invertida y de mayor tamaño que el objeto.

LENTES.

Una persona con defecto visual tiene la necesidad de usar anteojos, o cuando estamos en alguna clase que requiera el uso de un microscopio para poder observar cuerpos diminutos, son algunos ejemplos del uso de lentes.

Los lentes se definen como "todo cuerpo transparente que se encuentra limitado por dos superficies esféricas, o por una plana y una esférica" 

Estos se fabrican con un material transparente como vidrio, platico o cristal. En la siguiente imagen se muestran algunas lentes que podemos encontrar. 

ELEMENTOS DE UN LENTE. 

Centro óptico (O): Es el centro geométrico de la lente, donde no se desvía ningún rayo luminoso que pasa por el. 

Eje principal u óptico: Recta que pasa por el centro óptico y por los focos.   

Eje secundario: Es cualquier recta que pase por el centro óptico.

Foco (F): Punto donde ocurren los rayos paralelos al eje principal después de atravesar la lente. 

Distancia focal (f): Es la distancia entre el centro óptico de una lente y el foco en cualquier lado de la lente.

SE CLASIFICAN DE ACUERDO CON SU FORMA. 

Lente convergente o convexa: Son aquellas cuyo espesor va disminuyendo del centro hacia los bordes, por lo que son mas gruesas en el centro que en los bordes. 

 Pueden ser meniscos convergentes (también conocidas como meniscos positivos), biconvexas o plano - convexas.

Estas lentes tienen la particularidad de producir imágenes reales e invertidas de menor tamaño, siempre que el objeto se encuentra por delante del Foco Objeto. Para objetos por detrás del Foco Objeto, forma imágenes derechas, virtuales y de mayor tamaño.

Las lentes convergentes dan siempre dos tipos de imágenes: reales y virtuales. 

Las imágenes reales se forman cuando la luz pasa por la imagen y se pueden proyectar en una pantalla. Las imágenes la luz no pasa a través de la imagen y no se pueden proyectar. 

Lente divergente o cóncava: Son aquellas lentes cuyo espesor disminuye de los bordes hacia el centro, por lo que los extremos son mas gruesos que el centro, 

Tienen la propiedad de que los rayos de luz que inciden paralelos al eje principal de la lente, salen de la lente y se desvían hacia los bordes, como si provinieran de un punto llamado foco situado frente a la lente. 

Magnetismo

Sus orígenes

La magnetita es un mineral ferromagnético, formado principalmente por óxido ferroso férrico.

Los fenómenos magnéticos fueron conocido s por primera vez por los antiguos griegos, a través de una mineral llamado magnetita (de ahí surge el término magnetismo).

Originariamente se pensó que la magnetita se podría utilizar para mantener la piel joven. De hecho, Cleopatra dormía con una magnetita en la frente para retrasar el proceso de envejecimiento. Esta reputación terapéutica de la magnetita se transmitió también a los griegos, los cuales la usaban para la curación de dolencias.

Aristóteles escribió acerca de las propiedades curativas de los imanes naturales, que llamaba "imanes blancos".

¿Para qué sirve un imán?

Un gran número de médicos y sanadores utilizaron los imanes para curar diferentes problemas médicos a lo largo de la historia. Hoy en día la ciencia médica utiliza el magnetismo más que nunca, por ejemplo:

La magnetoencefalografía (MEG) se utiliza para medir la actividad cerebral.

La terapia de choque para volver a iniciar corazones.

El uso de imanes en aplicaciones industriales y mecánicas también es muy común.

Los imanes son la fuerza motriz básica para todos los motores eléctricos y generadores eléctricos.

¿Qué es un imán?

Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del magnetismo. Hay que destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. El más común de los imanes naturales es un mineral llamado magnetita.

Los imanes pueden ser permanentes o temporales, según el material con el que se fabriquen y según la intensidad de campo magnético al que le sometan.

Imán artificial temporal (a) y permanente (b)

Partes de un imán: los polos magnéticos

Cualquier imán presenta dos zonas donde las acciones se manifiestan con mayor fuerza. Estas zonas están situadas en los extremos del imán y son los denominados polos magnéticos: Norte y Sur.

Detalle sobre las zonas de acción de mayor fuerza magnética

Efecto repulsión y atracción en un imán

Una de las propiedades fundamentales de la interacción entre imanes es que los polos iguales se repelen, mientras que los  polos opuestos se atraen.

El efecto de atracción y repulsión tiene que ver con las líneas de campo magnéticas. Las líneas de campo magnéticas exteriores suelen ir del polo Norte al polo Sur. Por lo tanto, cuando se acercan dos polos opuestos, estas líneas tienen a saltar de un polo a otro: tienden a pegarse. Y según sea la distancia entre los dos imanes esta atracción será mayor o menor.

En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas líneas de campos no tienden a saltar de un polo a otro, si no que se empiezan a comprimir hacia su propio polo. Cuando esta compresión es máxima, las líneas de campo tienden a expandirse, lo que provoca que los polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se repelan.

Efecto de un imán al ser dividido en varias partes

Otra característica de los imanes es que los polos no se pueden separar. Si un imán se rompe en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino que se obtienen dos imanes, cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur.

Si tenemos un imán supendido por un hilo colocado en su centro de gravedad, observamos que siempre queda orientado hacia una misma dirección. Uno de los polos se orienta hacia el norte y otro hacia el sur, pues los polos del imán se alinean según los polos magnéticos de la Tierra, que actúa como imán natural.

Sentido de los polos magnéticos de La Tierra

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

LA INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA 

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático no uniforme. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (ley de Faraday).

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

En una pista de esquí,  los remontes mecánicos suben a los esquiadores hasta el alto de una colina, después, los esquiadores bajan deslizando pendiente abajo. Los esquiadores son equivalentes a los portadores de carga, el remonte mecánico incrementa la energía potencial del esquiador. Luego, el esquiador baja deslizándose por la colina hasta la base del remonte.

En un conductor los portadores de carga (positivos) se mueven espontáneamente desde un lugar en el que el potencial es más alto hacia otro lugar en el que el potencial es más bajo, es decir, en la dirección del campo eléctrico. Para mantener el estado estacionario es necesario proveer de un mecanismo que transporte los portadores de carga desde un potencial más bajo hasta un potencial más elevado.

El generador de Van de Graaff es un ejemplo de este mecanismo. Las cargas positivas se mueven en dirección contraria al campo eléctrico, en el que el potencial aumenta y las negativas en la misma dirección que el campo, en el que el potencial disminuye. La fuerza o la energía necesaria para este transporte de cargas lo realiza el motor que "bombea" las cargas.

Se denomina fuerza electromotriz o fem Vε al trabajo por unidad de carga que realiza el dispositivo. Aunque la unidad de la fem es la misma que la de una diferencia de potencial, se trata de conceptos completamente diferentes. Una fem produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos físicos cuya naturaleza no es necesariamente eléctrica (en el generador de Van de Graaff es mecánica, en una pila es de naturaleza química, en la varilla que estudiamos en esta página es magnética, etc. ).

Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo no lo realiza necesariamente una fuerza conservativa, mientras que la diferencia de potencial es el trabajo por unidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que es conservativa.

ELECTROMAGNETISMO.
Conjunto de ideas y experimentos que relacionan la electricidad con el magnetismo y que en su conjunto forman la base de muchas aplicaciones de la sociedad moderna.
El electromagnetismo se inicia a partir de un descubrimiento hecho por casualidad por el físico danés HANS CHRISTIAN OERSTED en 1820,nace a partir de una situación fortuita en la que hace un descubrimiento por casualidad, el movimiento de la aguja de una brújula. Demostró  que una corriente eléctrica generaba un campo magnético alrededor de un alambre. 

Experimento de Hans Christian Oersted.
En 1820,hizo un descubrimiento muy importante acerca del magnetismo.
Al experimentar con corrientes eléctricas en los alambres,Oersted colocó uno de los alambres sobre una brújula pequeña. Observò que cada vez que hacìa pasar una corriente por el alambre,la aguja de la brújula se movía,demostrándose que había una relación estrecha entre la electricidad y el magnetismo.
Los estudios posteriores que realizó le permitieron demostrar que cuando una corriente eléctrica pasa a través de cualquier conductor,genera un campo magnético del mismo. 

Antecedentes del Magnetismo. 
Las primeras observaciones de fenómenos magnéticos fueron hechas por los antiguos griegos en una ciudad de Asia menor,denominada  Magnesia.Ellos conocían ya las propiedades de un material magnético natural llamado magnetita.
Algunas aplicaciones màs comunes de los imanes las encontramos en la brújula, el receptor telefónico y las bocinas.

Propiedades de los  imanes.
Cuando una barra imantada se introduce dentro de una caja que contiene limaduras de fierro,se observa que las partículas se adhieren a los extremos de la barra.A estas regiones de atracción se les llama polos magnéticos. 
Los polos magnéticos de un imán reciben las denominaciones de polo magnético norte y polo magnético sur. 
Se puede demostrar que los polos norte-sur de un imán son diferentes acercándolos a una brújula. Así podemos observar experimentalmente que polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen. 


A las sustancias que pueden ser atraídas y pueden magnetizarse se les llama ferromagnéticas.

Al grupo de átomos alineados se les llama dominios magnéticos. 

El electroimàn. 
El fierro puro (hierro dulce) cuando se imana, se conserva su magnetismo pero se emplea para construir electroimanes. 
Bobina mas barra de fierro constituye un electroimàn. Los electro imanes tienen una gran variedad de aplicaciones en la ciencia y la tecnología.
Cuando la corriente de un electroimàn cesa, el poder de atracción del mismo también se detiene y entonteces el material férreo se desprende. 

El campo magnético de la Tierra. 
Se debe a Sr William Gilbert la observación de que la tierra es un gran imán. Para probar esta teoría,tallo una esfera de magnentita  y demostró que una pequeña brújula colocada en cualquier punto de esa esfera siempre apuntaba como lo hace la Tierra,hacia el polo norte. 
Por su polaridad el polo norte magnético es un polo sur y el polo sur magnético es un polo norte. Esto resulta evidente por las lineas de fuerza magnéticas las cuales siempre se inician en un polo norte y terminan en un polo sur. 
La Tierra es como un enorme imán rodeado por un campo magnético. 

  

LEY DE FARADAY.

El fenómeno de inducción electromagnética se puede resumir en un enunciado que se conoce como ley de Faraday. 

"El voltaje inducido en una bobina es directamente proporcional al numero de espiras y la razón de cambio del campo magnético dentro de dichas espiras" 

Se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y 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 E es el campo eléctrico, dl es el elemento infinitesimal del contorno C, B es la densidad de campo magnético y S es una superficie arbitraria, cuyo borde es C. Las direcciones del contorno C y de dA están dadas por la regla de la mano izquierda.La permutacion de la integral de superficie y la derivada temporal se puede hacer siempre y cuando la superficie de integración no cambie con el tiempo.

Por medio del teorema de Stokes puede obtenerse una forma diferencial de esta ley:

Ésta es una de las ecuaciones de Maxwell, las cuales conforman las ecuaciones fundamentales del electromagnetismo. La ley de Faraday, junto con las otras leyes del electromagnetismo, fue incorporada en las ecuaciones de Maxwell, unificando así al electromagnetismo.

En el caso de un inductor con N vueltas de alambre, la fórmula anterior se transforma en:

donde E es la fuerza electromotriz inducida y dΦ/dt es la tasa de variación temporal del flujo magnético Φ. La dirección de la fuerza electromotriz (el signo negativo en la fórmula) se debe a la ley de Lanz.