FISICA III

SEMICONDUCTORES hormando_salomon — 24-04-2007 GTM 1 @ 14:43

“FISICA DE SEMICONDUCTORES”

La Física de Semiconductores es el conjunto de teorías y modelos que explican el comportamiento de los semiconductores, bajo diversas condiciones. Sin embargo gran parte de los semiconductores son estudiados en Física del estado sólido.
Los semiconductores en sí no presentan propiedades prácticas, por esto se los contamina para darles alguna propiedad especial, como alterar la probabilidad de ocupación de las bandas de energía, crear centros de recombinación, y otros.
Por ejemplo, en un cristal de silicio o de germanio, dopado con elementos pentavalentes (As, P o Sb); al tener éstos elementos 5 electrones en la última capa, resultará que al formarse la estructura cristalina, el quinto electrón no estará ligado en ningún enlace covalente, encontrándose, aún sin estar libre, en un nivel energético superior a los cuatro restantes. Si consideramos el efecto de la temperatura, observaremos que ahora, además de la formación de pares e-h, se liberarán también los electrones no enlazados, ya que la energía necesaria para liberar el electrón excedente es del orden de la centésima parte de la correspondiente a los electrones de los enlaces covalentes (en torno a 0,01 eV).

Así, en el semiconductor aparecerá una mayor cantidad de electrones que de huecos; por ello se dice que los electrones son los portadores mayoritarios de la energía eléctrica y puesto que este excedente de electrones procede de las impurezas pentavalentes, a éstas se las llama donadoras. Aún siendo mayor n que p, la ley de masas se sigue cumpliendo, dado que aunque aparentemente sólo se aumente el número de electrones libres, al hacerlo, se incrementa la probabilidad de recombinación, lo que resulta en un disminución del número de huecos p, es decir: :n > ni = pi > p, tal que: n•p = ni² Por lo que respecta a la conductividad del material, ésta aumenta enormemente, así, por ejemplo, introduciendo sólo un átomo donador por cada 1000 átomos de silicio, la conductividad es 24100 veces mayor que la del silicio puro.
En cambio si se ha dopado con elementos trivalentes (Al, B, Ga o In), las impurezas aportan una vacante, por lo que se las denomina aceptoras (de electrones, se entiende). Ahora bien, el espacio vacante no es un hueco como el formado antes con el salto de un electrón, si no que tiene un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia (del orden de 0,01 eV).

En este caso, los electrones saltarán a las vacantes con facilidad dejando huecos en la banda de valencia en mayor número que electrones en la banda de conducción, de modo que ahora son los huecos los portadores mayoritarios. Al igual que en el caso anterior, el incremento del número de huecos se ve compensado en cierta medida por la mayor probabilidad de recombinación, de modo que la ley de masas también se cumple en este caso:
Energía de ionización para impurezas en el silicio

Átomo

Fósforo
0.044 D
Astato
0.049 D
Antimonio
0.039 D
Bismuto
0.067 D
Boro
0.045 A
Aluminio
0.057 A
Galio
0.065 A
Indio
0.16 A
Talio
0.26 A
Zinc
0.55 A
0.31 A
Cobre
0.49 A
0.24 A
Oro
0.54 A
0.35 D
Hierro
0.55 D
0.40 D
Mn 0.53 D
Litio
0.033 D

Materiales Semiconductores:

Entre los materiales conductores, que conducen la electricidad con una resistencia relativamente baja, y los materiales aislantes, que no conducen la electricidad, nos encontramos una gama de materiales con propiedades propias que denominamos semiconductores.

Redes Cristalinas de C, Si y Ge:

Si echamos un vistazo a la tabla periódica, veremos que en la columna donde se encuentra el carbono, también aparecen el silicio y el germanio. Todos ellos se caracterizan porque en la última capa de electrones de su estructura atómica poseen cuatro electrones.
Se sabe que estos elementos tienen una estructura más estable si comparten electrones, formando enlaces covalentes, de forma que al compartir estos electrones con átomos vecinos todos ellos tengan en la última capa ocho electrones, situación que es muy estable.

Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina. El diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de carbono. El silicio y el germanio forman redes similares.
En estas condiciones todos los electrones tienen su lugar en la red, así que estos materiales no permiten la movilidad de electrones y por lo tanto son aislantes.

Cristal De Silicio Puro:

Se denomina semiconductor puro aquél en que los átomos que lo constituyen son todos del mismo tipo, es decir no tiene ninguna clase de impureza.

La disposición esquemática de los átomos para un semiconductor de silicio podemos observarla en la figura, Las regiones sombreadas representan la carga positiva neta de los núcleos y los puntos negros son los electrones, menos unidos a los mismos.
La fuerza que mantiene unidos a los átomos entre sí es el resultado del hecho de que los electrones de conducción de cada uno de ellos, son compartidos por los cuatro átomos vecinos.
A temperaturas bajas la estructura normal es la que se muestra en la figura en la cual no se observa ningún electrón ni hueco libre y por tanto el semiconductor se comporta como un aislante.

Conducción Del Cristal De Silicio Puro:

A la temperatura ambiente (20-25 grados C.) algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello algunos de los electrones pasan a ser libres. En la figura siguiente se representa esta situación. La ausencia del electrón que pertenecía a la unión de dos átomos de silicio se representa por un círculo,
Cuando un electrón puede vencer la fuerza que le mantiene ligado al núcleo y por tanto abandona su posición, aparece un hueco, y le resulta relativamente fácil al electrón del átomo vecino dejar su lugar para llenar este hueco. Este electrón que deja su sitio para llenar un hueco, deja a su vez otro hueco en su posición inicial, De esta manera el hueco contribuye a la corriente lo mismo que el electrón, con una trayectoria de sentido opuesto a la de éste.

Cristal Tipo N. Conducción:

Es el que está impurificado con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo n, reciben el nombre de "portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "portadores minoritarios".
Al aplicar una tensión al semiconductor de la figura, los electrones libres dentro del semiconductor se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. Cuando un hueco llega al extremo derecho del cristal, uno de los electrones del circuito externo entra al semiconductor y se recombina con el hueco.

Los electrones libres de la figura circulan hacia el extremo izquierdo del cristal, donde
entran al conductor y fluyen hacia el positivo de la batería. El número de electrones libres se llama n (electrones libres/m3).

Cristal Tipo P. Conducción:
Es el que está impurificado con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.
Al aplicarse una tensión, los electrones libres se mueven hacia la izquierda y los huecos lo hacen hacia la derecha. En la figura, los huecos que llegan al extremo derecho del cristal se recombinan con los electrones libres del circuito externo.

En el circuito hay también un flujo de portadores minoritarios. Los electrones libres dentro del semiconductor circulan de derecha a izquierda. Como hay muy pocos portadores minoritarios, su efecto es casi despreciable en este circuito. Hay tantos huecos como impurezas de valencia 3 y sigue habiendo huecos de generación térmica
(muy pocos). El número de huecos se llama p (huecos/m3).

Unión Pn. Barrera De Potencial. Diodo:

Supongamos que se dispone de un monocristal de silicio puro, dividido en dos zonas con una frontera nítida, definida por un plano. Una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N La zona P tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la red cristalina La zona N dispone de electrones en exceso, procedentes de átomos del grupo V. En ambos casos se tienen también portadores de signo contrario, aunque en una concentración varios órdenes de magnitud inferior (portadores minoritarios).
En cada zona la carga total es neutra: por cada electrón hay un ion positivo, y por cada hueco un ion negativo, es decir, no existen distribuciones de carga neta, ni campos eléctricos internos
El efecto es que los electrones y los huecos cercanos a la unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir:
Electrones de la zona N pasan a la zona P.
Huecos de la zona P pasan a la zona N.
Este movimiento de portadores de carga tiene un doble efecto. Centrémonos en la región de la zona P cercana a la unión:
El electrón que pasa la unión se recombina con un hueco. Aparece una carga negativa, ya que antes de que llegara el electrón la carga total era nula.
Al pasar el hueco de la zona P a la zona N, provoca un defecto de carga positiva en la zona P, con lo que también aparece una carga negativa.
El mismo razonamiento, aunque con signos opuestos puede realizarse para la zona N. En consecuencia, a ambos lados de la unión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en la zona P
Zona P: Semiconductora, con una resistencia Rp
Zona N: Semiconductora, con una resistencia Rn
Zona de agotamiento: No es conductora, puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campo eléctrico, o bien entre los extremos actúa una barrera de potencial.

Diferentes símbolos de los diodos

Diodo Emisor de Luz:

Diodo Led:
Un LED, siglas en inglés de Light-Emitting Diode (diodo emisor de luz) es un dispositivo semiconductor (diodo) que emite luz policromática, es decir, con diferentes longitudes de onda, cuando se polariza en directa y es atravesado por la corriente eléctrica. El color depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo, pudiendo variar desde el ultravioleta, pasando por el espectro de luz visible, hasta el infrarrojo, recibiendo éstos últimos la denominación de IRED (Infra-Red Emitting Diode).
El funcionamiento físico consiste en que, un electrón pasa de la banda de conducción a la de valencia, perdiendo energía. Esta energía se manifiesta en forma de un fotón desprendido, con una amplitud, una dirección y una fase aleatoria. Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs.

A (p)
C ó K (n)

Representación simbólica del diodo LED LEDs.

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED; el voltaje de operación va desde 1,5 hasta 2,2 voltios aproximadamente, y la gama de intensidades que debe circular por él va desde 10 hasta 20 mA en los diodos de color rojo, y de 20 a 40 mA para los otros LEDs.
El primer LED que emitía en el espectro visible fue desarrollado por el ingeniero de General Electric Nick Holonyak en 1962.

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OPTICA CUANTICA hormando_salomon — 24-04-2007 GTM 1 @ 14:41

“OPTICA CUANTICA.EL LASER”

Teoría Cuantica:

La teoría cuántica fue primeramente introducida por Planck, en 1900.Max Planck, (1858 – 1947) nacido en Kiel, Alemania el 23 de abril de 1858. Es el “padre de la cuántica”. Planck dedujo la hipótesis de la discontinuidad de la energía y en el año de 1900 Planck descubre los cuantos y formula la teoría que lo haría famoso, y que daría nacimiento a un campo desconocido hasta entonces, la Mecánica Cuántica, la cual da una nueva y muy especial forma de ver los fenómenos físicos. Gracias a sus esfuerzos, y muy merecidamente, Planck recibió el premio Nobel de Física en 1918. Max Planck muere el 4 de octubre de 1947.
Planck retomó la teoría defendida hace tiempo por Newton, la cual en ese entonces ya no tenía validez alguna. Newton consideraba a la luz como un haz de corpúsculos que se propagaban en línea recta, al aparecer la teoría ondulatoria de Huygens (1678), la teoría de los corpúsculos de Newton se vio destruida, pero era retomada nuevamente por Planck en 1900.
La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega de una manera continua, sino que está compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamamos cuantos. Estos cuantos de energía se llaman fotones. Toda luz que nos llega viene por pequeños paquetes, no es continua.
Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son las partículas fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, de Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia.
La teoría cuántica ha servido para demostrar los fenómenos que no se pudieron explicar con la teoría ondulatoria de la luz, pero hay fenómenos que no pueden ser explicados con la teoría cuántica, y además hay ciertos fenómenos que pueden ser explicados por ambas teorías. Esto nos lleva a una duda: ¿cuál de las dos teorías es la correcta? ¿o son correctas ambas teorías? ¿Cómo pueden asociarse las dos teorías?

Estados Meta Estable:

En física, Un estado meta estable es un estado que es un mínimo local de energía, que no es totalmente estable bajo perturbaciones del sistema por encima de cierta magnitud.
Estado electrónico meta estable

En física atómica, un nivel meta estable es aquel en el que un electrón excitado permanece mucho débilmente estable más tiempo antes de decaer a un nivel inferior de energía. La permanencia del electrón en este nivel está determinada por el coeficiente de Einstein (β2) para este nivel. Cuanto mayor sea β2, mayor será la permanencia del electrón en este estado.
La metastabilidad es una propiedad de un sistema con varios estados de equilibrio de exhibir durante un considerable espacio de tiempo un estado de equilibrio débilmente estable. Sin embargo, bajo la acción de perturbaciones externas (a veces no fácilmente detectables) dichos sistemas exhiben una evolución temporal hacia un estado de equilibrio fuertemente estable. Normalmente la metaestabilidad es debida a transformaciones de estado lentas.

En química
Por ejemplo, a temperatura ambiente los diamantes son meta estables porque la transformación a su forma estable, el grafito, es extremadamente lenta. A mayores temperaturas la tasa de transformación se incrementa y el diamante se convierte en grafito.
La martensita es una fase meta estable que se utiliza en el control de la dureza de la mayoría de los aceros mediante las transformaciones martensíticas.
Los enlaces entre los elementos constructivos de los polímeros como el ADN, ARN y las proteínas son también meta estables.

En física atómica
Artículo principal: Modelo atómico de Bohr
Todos los estados energéticos de un electrón en una molécula o átomo, por encima del estado fundamental son meta estables. Todos ellos son estados de equilibrio como prueba el hecho de que sean estados estacionarios del hamiltoniano del modelo atómico de Schrödinger. Sin embargo, cuando un electrón no está en un estado excitado (uno de energía no mínima), y existe algún estado inferior desocupado, las propias perturbaciones del campo electromagnético asociado al electrón hace que este decaiga a un estado de energía inferior emitiendo un fotón.

En electrónica
Los biestables (flip-flop) son unos dispositivos que sufren la metaestabilidad. Tienen dos estados bien definidos, tradicionalmente designados 0 y 1, pero como no dejan de ser un circuito analógico, bajo ciertas circunstancias pueden mantenerse en un punto intermedio durante un periodo mayor que el tiempo normal de decisión. Puede mitigarse el problema poniendo varios biestables en cascada, pero el problema en sí es irresoluble, puesto que lo único que se hace es reducir la probabilidad de que suceda.

El Láser. Características y Parámetros:

Características:

Un láser es un haz de luz colimado, monocromático y coherente. También se llama láser al dispositivo que es capaz de generar este haz.
Las fuentes de luz comunes (tales como las lámparas incandescentes) emiten fotones en casi todas las direcciones, generalmente en una amplia gama de longitudes de onda. La mayoría de las fuentes de luz son también incoherentes; es decir, las fases de los fotones emitidos por la fuente de luz no están relacionadas.

En cambio un láser emite generalmente los fotones en un rayo estrechísimo, perfectamente definido, coherente y a menudo polarizado. Esta luz es prácticamente monocromática (de un solo color), ya que consiste en una sola longitud de onda.

Procesos:

Componentes principales:

1. Medio activo para la formación del láser
2. Energía bombeada para el láser
3. Espejo reflectante al 100%
4. Espejo reflectante al 99%
5. Emisión del rayo láser

Los láseres constan de un medio activo capaz de generar el láser. Hay cuatro procesos básicos que se producen en la generación del láser, denominados bombeo, emisión espontánea de radiación, emisión estimulada de radiación y absorción.

Bombeo
Se provoca mediante una fuente de radiación (una lámpara), el paso de una corriente eléctrica o el uso de cualquier otro tipo de fuente energética que provoque una emisión.

Emisión espontánea de radiación
Los electrones que vuelven al estado fundamental emiten fotones. Es un proceso aleatorio y la radiación resultante está formada por fotones que se desplazan en distintas direcciones y con fases distintas generándose una radiación monocromática incoherente.

Emisión estimulada de radiación
La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estimulo, en cuestión, proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma sino, también, "amplifica" la emisión de luz ya que, por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro fotón.

Absorción
Proceso mediante el cual se absorbe un fotón. El sistema atómico se excita a un estado de energía más alto, pasando un electrón al estado meta estable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación.

Uso de láseres

El tamaño de los láseres varía ampliamente, desde diodos láser microscópicos (arriba) con numerosas aplicaciones, al láser de cristales de neodimio con un tamaño similar al de un campo de fútbol, (abajo) usado para la fusión de confinamiento inercial, investigación sobre armas nucleares de destrucción masiva u otros experimentos físicos en los que se presenten altas densidades de energía
Cuando se inventó en 1960, se denominaron como "una solución buscando un problema a resolver". Desde entonces se han vuelto omnipresentes. Se pueden encontrar en miles de variadas aplicaciones en cualquier sector de la sociedad actual. Estas incluyen campos tan dispares como la electrónica de consumo, las tecnologías de la información (informática), análisis en ciencia, métodos de diagnóstico en medicina, así como el mecanizado, soldadura o sistemas de corte en sectores industriales y militares.
En bastantes aplicaciones, los beneficios de los láseres se deben a sus propiedades físicas como la coherencia, la alta monocromaticidad y la capacidad de alcanzar potencias extremadamente altas. A modo de ejemplo, un haz láser altamente coherente puede ser enfocado por debajo de su límite de difracción que, a longitudes de onda visibles, corresponde solamente a unos poco nanómetros. Esta propiedad permite al láser grabar giga bytes de información en las microscópicas cavidades de un DVD o CD. También permite a un láser de media o baja potencia alcanzar intensidades muy altas y usarlo para cortar, quemar o incluso vaporizar materiales.
El rayo láser se emplea en el proceso de fabricación de grabar o marcar metales y plásticos.

Tipos de láseres:

• Láseres de estado sólido
Ej.: ND: YAG (1064 nm)
Ho: YAG (2090 nm)
Er.: YAG (2940 nm)
Rubí (694 nm)
Alexandrita (755 nm)

• Láseres de gases (transiciones electrónicas)
Ej.: He - Ne
Argón (488 ó 514.5 nm)
Láseres de gases (transiciones vibracionales de los átomos)
Ej.: CO2
N2

• Láseres de colorantes

• Láseres de diodos semiconductores

Experimento con láser.
Un láser (Del ingles laser, acrónimo de 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 de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.

Efecto Fotoeléctrico:

Diagrama del efecto fotoeléctrico. Los fotones incidentes son absorbidos por los electrones del medio dotándoles de energía suficiente para escapar de éste.
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).
A veces se incluye en el término efecto fotoeléctrico en 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 19.
Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía luminosa 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. La explicación teórica solo fue hecha por Albert Einstein en 1905 quien basó 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... y demostró que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan compartiesen el premio Nobel en 1921 y 1923

Holografía:

La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones.
La holografía fue inventada en el año 1947 por el físico húngaro Dennis Gabor, que recibió por esto el Premio Nobel de Física en 1971. Recibió la patente GB685286 por su invención. Sin embargo se perfeccionó años más tarde con el desarrollo del láser, pues los hologramas de Gabor eran muy primitivos a causa de las fuentes de luz tan pobres que se utilizaban en sus tiempos.
Originalmente, Gabor sólo quería encontrar una manera para mejorar la resolución y definición de las imágenes del microscopio electrónico. Llamó a este proceso holografía, del griego holos, "completo", ya que los hologramas mostraban un objeto completamente y no sólo una perspectiva.
En realidad, los primeros hologramas que verdaderamente representaban un objeto tridimensional bien definido fueron hechos por Emmett Leith y Juris Upatnieks, en Estados Unidos en 1963, y por Yuri Denisyuk en la Unión Soviética.
Uno de los avances más prometedores hechos recientemente ha sido su uso para los reproductores de DVD y otras aplicaciones. También se utiliza actualmente en tarjetas de crédito, billetes y discos compactos, además de su uso como símbolo de originalidad y seguridad.

Naturaleza dual de la Luz:

Comportamiento dual de la luz.
La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un espejo.
La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio.
En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de partículas y en otros como una onda. En las situaciones en que la luz presenta movimiento ondulatorio, la onda vibra perpendicular a la dirección de propagación; por eso, la luz puede polarizarse en dos ondas perpendiculares entre sí.

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OPTICA ONDULATORIA hormando_salomon — 24-04-2007 GTM 1 @ 14:39

“OPTICA ONDULATORIA”

Interferencia de rayos de Luz:

Como muchos han visto una burbuja donde se pueden ver franjas coloreadas en la superficie de las burbujas de jabón. Estas franjas se deben a la interferencia entre los rayos de luz reflejados en las dos caras de la delgada línea de líquido que forma la burbuja. En una parte de la burbuja, vista desde un cierto ángulo, la interferencia puede intensificar ciertas longitudes de onda, o colores, de la luz reflejada, mientras que suprime otras longitudes de onda. La estructura de las franjas de colores depende del espesor de la línea de líquido en los distintos puntos.

Experimento de Young de la doble rendija:
El experimento de Young, también denominado experimento de la doble rendija, fue realizado en 1803 por Thomas Young, en un intento de discernir sobre la naturaleza corpuscular u ondulatoria de la luz. Young comprobó un patrón de interferencias en la luz procedente de una fuente lejana al refractarse en el paso por dos rejillas, resultado que contribuyó a la teoría de la naturaleza ondulatoria de la luz.
Posteriormente, ha sido considerado la experiencia fundamental a la hora de demostrar la dualidad onda corpúsculo, una característica de la mecánica cuántica. El experimento puede realizarse con electrones, átomos o neutrones, produciendo patrones de interferencia similares a los obtenidos cuando se realiza con luz, mostrando, por tanto, el comportamiento dual onda-corpúsculo de la materia.

— Vemos que tanto en A como en B sólo permanece abierta UNA de las dos rendijas
— En la situación C permanecen abiertas las DOS rendijas
— El patrón real de registros en C NO es la SUMA de los patrones obtenidos en A y B
— El hecho de que las dos rendijas permanezcan accesibles a los electrones pone de
manifiesto la INTERFERENCIA CUÁNTICA
— El PATRÓN DE INTERFERENCIA en C no permite suponer que cada electrón
pase por una u otra rendija. Debe hacerlo a través de las dos simultáneamente, lo
Mismo que lo haría una ONDA (dualidad onda-partícula)
— En C, el estado SUPERPOSICIÓN que describe a cada electrón es:
E = sup. EP(n) siendo n = 1 y 2 (las dos rendijas posibles)
La SUPERPOSICIÓN y la INTERFERENCIA son comportamientos habituales
de los fenómenos ondulatorios
Por la dualidad onda-partícula de la Teoría Cuántica pasan a ser comportamientos
atribuibles igualmente a las partículas

Anillos de Newton:
Se trata de unas bandas concéntricas estrechas que aparecen cuando dos superficies transparentes entran en contacto imperfecto.

La imagen es una consecuencia del fenómeno de interferencia, que entra en acción cuando la separación entre las dos superficies es de magnitud comparable a la longitud de onda de la luz reflejada.

Suelen presentarse al colocar un negativo no perfectamente seco en un porta negativos con cristales; para evitar el fenómeno, es frecuente grabar finamente dichos cristales.

Polarización de la Luz:
Este fenómeno de polarización solo se da con ondas transversales, pero no con longitudinales, ya que implica, según acabamos de ver, una asimetría respecto del eje en la dirección de propagación. Si se demuestra que un haz luminoso puede ser polarizado, llegaremos a la conclusión de que las ondas luminosas son transversales.
Vimos anteriormente que las ondas electromagnéticas son ondas planas transversales, ya que los campos eléctrico y magnético oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación. Por otro lado, los planos de oscilación del campo eléctrico y magnético son normales entre sí. Consideraremos solo la oscilación del campo eléctrico y asimilaremos las vibraciones luminosas a estas oscilaciones. Un haz luminoso en el que las oscilaciones del campo eléctrico se verifiquen siempre en el mismo plano se denominará, según hemos visto antes, haz luminoso polarizado.
(a)= Haz de luz polarizado (b)= Haz de luz sin polarizar.
La luz natural no está polarizada. La luz emitida por un manantial está constituida por una serie de trenes de ondas procedentes de átomos distintos; en cada uno de estos trenes de ondas el campo eléctrico oscila en un plano determinado, pero, en general, su orientación es distinta de unos a otros.
Dado el enorme número de moléculas y átomos de un manantial luminoso, se comprende el gran número de trenes de ondas que constituye un haz de luz y, por consiguiente, la existencia en éste de ondas polarizadas en todas las direcciones transversales posibles.
Esquema de Polarización de la Luz.

Polarización por reflexión/refracción:

Ángulo de polarización de Brewster
El fenómeno de reflexión a la superficie entre dos medios dieléctricos altera la polarización de la luz reflejada. Para un ángulo incidente específico, denominado Ángulo de Brewster (θc), la reflexión solo ocurre para una dirección de polarización en el plano de incidencia (formado por el haz incidente y la normal a la superficie) (Fig. G5-4). La polarización paralela al plano de incidencia (o sea, perpendicular a la superficie reflectante) no es reflejada. Este fenómeno ocurre cuando el ángulo entre los haces reflejados y refractados (transmitidos) es de 90º.
Consecuentemente y de acuerdo a la ley de Snell, el ángulo de Brewster (θc) esta relacionado con el índice de refracción del material dieléctrico.
En la incidencia de Brewster, la lámina dieléctrica corresponde a un polarizador de luz, apagando completamente una de las componentes de polarización de la luz incidente. Como aplicación, este fenómeno se utiliza para hacer ventanas ópticas de celda que transmiten la máxima intensidad de un haz polarizado y no producen
perdidas por reflexión.

Difracción de la Luz:

En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por culpa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una distancia suficiente del emisor.
Efecto de la difracción de la Luz

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OPTICA GEOMETRICA hormando_salomon — 24-04-2007 GTM 1 @ 14:38

“OPTICA GEOMETRICA”

Propiedades de la Luz:
Cuando la luz encuentra un obstáculo en su camino choca contra la superficie de este y una parte es reflejada. Si el cuerpo es opaco el resto de la luz será absorbida. Si es transparente una parte será absorbida como en el caso anterior y el resto atravesará el cuerpo transmitiéndose. Así pues, tenemos tres posibilidades:
• Reflexión.
• Transmisión-refracción.
• Absorción.
Para cada una se define un coeficiente que nos da el porcentaje correspondiente en tanto por uno. Son el factor de reflexión ( ),el de transmisión ( ) y el de absorción ( ) que cumplen:

La luz tiene también otras propiedades, como la polarización, la interferencia, la difracción o el efecto fotoeléctrico, pero estas tres son las más importantes en luminotecnia.
La reflexión es un fenómeno que se produce cuando la luz choca contra la superficie de separación de dos medios diferentes (ya sean gases como la atmósfera, líquidos como el agua o sólidos) y está regida por la ley de la reflexión. La dirección en que sale reflejada la luz viene determinada por el tipo de superficie. Si es una superficie brillante o pulida se produce la reflexión regular en que toda la luz sale en una única dirección. Si la superficie es mate y la luz sale desperdigada en todas direcciones se llama reflexión difusa. Y, por último, está el caso intermedio, reflexión mixta, en que predomina una dirección sobre las demás. Esto se da en superficies metálicas sin pulir, barnices, papel brillante, etc.

La refracción se produce cuando un rayo de luz es desviado de su trayectoria al atravesar una superficie de separación entre medios diferentes según la ley de la refracción. Esto se debe a que la velocidad de propagación de la luz en cada uno de ellos es diferente.

La transmisión se puede considerar una doble refracción. Si pensamos en un cristal; la luz sufre una primera refracción al pasar del aire al vidrio, sigue su camino y vuelve a refractarse al pasar de nuevo al aire. Si después de este proceso el rayo de luz no es desviado de su trayectoria se dice que la transmisión es regular como pasa en los vidrios transparentes. Si se difunde en todas direcciones tenemos la transmisión difusa que es lo que pasa en los vidrios translúcidos. Y si predomina una dirección sobre las demás tenemos la mixta como ocurre en los vidrios orgánicos o en los cristales de superficie labrada.

La absorción es un proceso muy ligado al color. El ojo humano sólo es sensible a las radiaciones pertenecientes a un pequeño intervalo del espectro electromagnético. Son los colores que mezclados forman la luz blanca. Su distribución espectral aproximada es:
Tipo de radiación Longitudes de onda (nm)
Violeta 380-436
Azul 436-495
Verde 495-566
Amarillo 566-589
Naranja 589-627
Rojo 627-770

Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las que determinan el color que percibimos. Si las refleja todas es blanco y si las absorbe todas es negro. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las demás componentes de la luz blanca. Si iluminamos el mismo objeto con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe esta componente y no refleja ninguna. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.

Propagación rectilínea de la luz:
Todos hemos observado que las sombras producidas por focos pequeños resultan nítidas y reproducen el contorno de los objetos.
Cuando se trata de un foco extenso la sombra va acompañada de una zona de penumbra, que se explica por la propagación rectilínea de la luz: Ningún foco puede ser perfectamente puntual, por lo tanto cualquier sombra irá acompañada de una zona de penumbra. Cuanto más extenso sea el foco luminoso en relación con el objeto, mayor será la zona de penumbra y menor la de sombra.
Esto que decimos ocurre si la luz se propaga en un medio homogéneo ya que si cambia de medio, por ejemplo del aire al vidrio, se produce un cambio de dirección que se conoce como refracción.
La propagación rectilínea de la luz se explica muy bien con el modelo corpuscular: las partículas de luz emitidas por el foco se mueven en un medio homogéneo con movimiento rectilíneo y uniforme ya que no hay fuerzas resultantes actuando sobre ellas.
La teoría ondulatoria también explica la propagación rectilínea de la luz ya que a medida que nos alejamos del foco luminoso, el frente de ondas se hace más plano:

Propagación rectilínea de la luz el hecho de que la luz se propaga en "línea recta" (más adelante veremos más profundamente cual es la forma de propagación de la luz) es muy fácilmente comprobable, solo vasta con encender una linterna y ver como el haz de luz viaja a través de una línea recta.
El postulado general de la óptica geométrica es la propagación rectilínea de la luz, es decir dedica al estudio de la luz como si fueran rayos rectilíneos sin tener en cuenta ni su naturaleza ni su velocidad. La consecuencia del hecho de tomar a la luz en estos sentidos no es ni más ni menos que la formación de SOMBRAS Y PENUMBRAS y la formación de estas dependen del tipo de fuente luminosa:

Leyes de Refracción:
Al otro lado de la superficie de separación los rayos no conservan la misma dirección que los de la onda incidente:
1. Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda transmitida forman un plano que contiene a la recta normal a la superficie de separación de los dos medios.
2. El ángulo que forma el rayo refractado con la normal (ángulo de refracción) está relacionado con el ángulo de incidencia: n1 seni = n2 sen r

Leyes de Reflexión:
Cada rayo de la onda incidente y el correspondiente rayo de la onda reflejada forman un plano perpendicular al plano de separación de los medios.

El ángulo que forma el rayo incidente con la recta normal a la frontera (ángulo de incidencia) es igual al ángulo de esta normal con el rayo reflejado (ángulo de reflexión)

Cuando la luz pasa de un medio a otro cuyo índice de refracción es mayor, por ejemplo del aire al agua, los rayos refractados se acercan a la normal. Si el índice de refracción del segundo medio es menor los rayos refractados se alejan de la normal (figura 1).
En este caso si consideramos que n1>n2 y aumentamos el ángulo de incidencia, llega un momento en que el ángulo de refracción se hace igual a 90º , figura 2 lo que significa que desaparece el rayo refractado. Como el seno de 90º es uno el ángulo de incidencia para el cual ocurre este fenómeno viene dado por ac =n2/ n1
Este ángulo de incidencia, ac recibe el nombre de ángulo crítico, ya que si aumenta más el ángulo de incidencia, la luz comienza a reflejarse íntegramente, fenómeno que se conoce como reflexión total.
Una aplicación de la reflexión total es la fibra óptica, que es una fibra de vidrio, larga y fina en la que la luz en su interior choca con las paredes en un ángulo superior al crítico de manera que la energía se transmite sin apenas perdida. También los espejismos son un fenómeno de reflexión total.

Reflexión total en un chorro de agua. Dispositivo montado por alumnos de 4º de la E.S.O. del I.E.S. Cristóbal Pérez pastor de Tobarra

Dispersión de los colores:
Uno de los fenómenos de la luz natural es su descomposición en todos los colores del arco iris, desde el rojo hasta el violeta, cuando se refracta a través de algún material de vidrio, este fenómeno recibe el nombre de dispersión y es debido a que la velocidad de la luz en un medio cualquiera varía con la longitud de onda (el índice de refracción de un medio y por tanto la velocidad de la luz en el mismo depende de la longitud de onda. Cada color tiene una longitud de onda distinta). Así, para un mismo ángulo de incidencia, la luz se refracta con ángulos distintos para diferentes colores.

Los prismas se pueden usar para analizar la luz en unos instrumentos llamados espectroscopios.
ARCO IRIS
El arco iris es una consecuencia de la dispersión de la luz del sol cuando se refracta y se refleja en las gotas de agua de lluvia. El color rojo es el que menos se refracta y se encuentra en la parte exterior del arco.

Lentes. Punto Focal y longitud focal:

Los lentes están en cualquier parte de este mundo. Son usados para anteojos, en telescopios, en máquinas fotocopiadoras, etc.
Los lentes convexos son convergentes, y los lentes cóncavos son divergentes.
Como los rayos de luz golpean la lente, ellos curvan hacia el centro, que es la parte más ancha, y los rayos de luz cruzarán entre ellos.

El punto focal es la localización en la que los rayos paralelos al eje óptico de un espejo converge en un punto.

La distancia focal o longitud focal de una lente es la distancia entre el centro óptico de la lente y el foco (o punto focal). La inversa de la distancia focal de una lente es la potencia. Se define como la distancia desde el eje central de la lente hasta donde un haz de luz que atraviesa la lente y se enfoca en un único punto.

Rayos Paralelos y Oblicuos:

Rayos paralelos
Un espejo es una superficie capaz de reflejar la luz y suficientemente clara como para formar una imagen.
En él, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente como conjunto y continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real.

Rayos oblicuos

Se manifiesta en los rayos oblicuos debido a que la refracción de las secciones del haz de luz es asimétrica.

Aberraciones de Lentes:
Uno de los principales problemas de los lentes y de los sistemas de lentes son las imágenes imperfectas, producidas en gran medida por los defectos en la configuración y forma de los lentes. La teoría simple de espejos y lentes supone que los rayos forman ángulos pequeños con el eje óptico. En este sencillo modelo, todos los rayos que parten de la fuente puntual se enfocan en un solo punto produciendo una imagen nítida. Sin embargo, es claro que esto no es siempre cierto. Cuando las aproximaciones usadas en esta teoría no se cumplen, se forman imágenes imperfectas.
Si uno desea efectuar un análisis preciso de la formación de imágenes, es necesario trazar cada rayo empelando la ley de Snbell en cada superficie reflectora. Este procedimiento muestra que los rayos provenientes de un objeto puntual no se enfocan en un sólo punto. Es decir, no hay una sola imagen puntúa; en vez de eso, la imagen está difusa. Las desviaciones (imperfecciones) de las imágenes reales de una imagen ideal predicha por la teoría simple se denominan aberraciones.
Aberraciones esféricas.
Las aberraciones esféricas son producidas por el hecho de que los puntos focales de rayos luminosos alejados del eje óptico de un lente esférico (o espejo) son diferentes de los puntos focales de los rayos de la misma longitud de onda que pasan cerca del centro. Los rayos cercanos a la mitad del lente forman la imagen mas lejos del lente que los rayos en los bordes. En consecuencia, no hay una sola longitud focal para un lente.
La aberración esférica ocurre cuando la luz que atraviesa el lente a diferentes distancias del eje óptico se enfoca en diferentes puntos.El astigmatismo es una aberración que ocurre para objetos no localizados sobre el eje óptico del lente.
Aberración de coma. Esta aberración ocurre cuando la luz que pasa a través del lente del eje óptico y la luz que pasa a través del lente cerca del foco del lente, se enfocan en diferentes partes del plano focal.
En este applet puedes estudiar todas las aberraciones en las lentes debidas a que los rayos no son paraxiales.

Aberración Cromática.

Se origina debido a que la luz no es monocromática. Los distintos colores de la luz tienen distintas velocidades dentro del material de las lentes y por lo tanto distinto índice de refracción.
La distancia focal depende del índice de refracción.

Cada color tiene un foco distinto y experimenta una desviación distinta. Esto hace que la imagen no se forme en un único punto y aparece una distorsión.

Este defecto se corrige combinando adecuadamente una lente convergente con otra divergente de distinto índice de refracción.
Los espejos no producen esta aberración porque en ellos no hay refracción.

Distorsión.

Se debe a que el aumento lateral del sistema óptico depende de la distancia del objeto al eje óptico, resultando que la imagen de un objeto, que tiene largo y alto, se ve con sus dimensiones amplificadas de distinta manera.
No se mantiene la semejanza entre el objeto y la imagen.

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LA NATURALEZA DE LA LUZ hormando_salomon — 24-04-2007 GTM 1 @ 14:35

“NATURALEZA Y PROPAGACION DE LA LUZ”

Composición de la Luz:

es una onda electromagnética, compuesta por partículas energizadas llamadas fotones, capaz de ser percibida por el ojo humano y cuya frecuencia o energía determina su color. La ciencia que estudia las principales formas de producir luz, así como su control y aplicaciones se denomina luminotecnia.
La luz se compone de partículas energizadas denominadas fotones, cuyo grado de energía y frecuencia determina la longitud de onda y el color. Según estudios científicos, la luz sería una corriente de paquetes fotónicos que se mueven en el campo en forma ondulatoria por un lado y en forma corpuscular por otro.

Refracción de la luz:

Una refracción es la desviación de un haz de luz provocado por el cambio de medio a otro con distinto IOR (Índice de refracción). Este fenómeno puede ser observado cuando uno introduce un lápiz en un vaso con agua o cuando una lupa concentra los rayos de luz en un sólo punto.
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad que experimenta la onda. El índice de refracción es precisamente la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio de que se trate.
Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado.
También se produce cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total.

Lápiz en un vaso con agua

Al colocar un lápiz en un vaso con agua, se puede observar el lápiz como que estuviera quebrado. Esto es debido a la refracción de la luz en la interfase aire-agua.

Reflexión de la Luz:

Ocurre cuando una onda luminosa incide sobre una superficie lisa que separa dos medios y es reemitida hacia la fuente.
Pero si la velocidad de propagación luminosa es distinta en cada medio, el rayo es desviado y se produce la refracción.
La relación entre la energía de la luz reflejada y el incidente se llama factor de reflexión.

1.- Efecto de reflexión:

Luz incidente proviene en la dirección de la flecha, y parte es reflejada. El efecto de refracción es producido a través del cuerpo con la parte de luz absorbida por la materia.

Reflexión de un objeto en un espejo plano

Se coloca un objeto delante de un espejo plano. Utilizando un papel cuadriculado se puede determinar la ubicación de la imagen del objeto en el espejo.

Reflexión de la Luz en el agua:

Ondas Esféricas:

En física, las ondas esféricas son ondas tridimensionales que se propapan a la misma velocidad en todas direcciones. Se llaman ondas esféricas porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas, cuyo centro coincide con la posición de la fuente de la perturbación en todas las direcciones.
Las ondas sonoras es una onda esférica tridimensional cuando se propaga a través del aire en reposo. También la luz se propaga en forma de ondas esféricas a través del aire, el vacío o el agua.

Difracción de la Luz:

En física, la difracción es un fenómeno característico de las ondas que consiste en la dispersión y curvado aparente de las ondas cuando encuentran un obstáculo. La difracción ocurre en todo tipo de ondas, desde ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido y ondas electromagnéticas como la luz y las ondas de radio. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga; por ejemplo, por culpa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser deben finalmente divergir en un rayo más amplio a una distancia suficiente del emisor.

Comparación entre los patrones de difracción e interferencia producidos por una doble rendija (arriba) y cinco rendijas (abajo).

Difracción de la luz por una hojilla de rasurar

Al colocar una hojilla de rasurar entre una fuente de luz monocromática y una pantalla de proyección, se puede obtener el patrón de difracción de la hojilla y observar la franja claro-obscura de los márgenes.

Polarización y sus estados:

Este fenómeno de polarización solo se da con ondas transversales, pero no con longitudinales, ya que implica, según acabamos de ver, una asimetría respecto del eje en la dirección de propagación. Si se demuestra que un haz luminoso puede ser polarizado, llegaremos a la conclusión de que las ondas luminosas son transversales.
Vimos anteriormente que las ondas electromagnéticas son ondas planas transversales, ya que los campos eléctrico y magnético oscilan perpendicularmente a la dirección de propagación. Por otro lado, los planos de oscilación del campo eléctrico y magnético son normales entre sí. Consideraremos solo la oscilación del campo eléctrico y asimilaremos las vibraciones luminosas a estas oscilaciones. Un haz luminoso en el que las oscilaciones del campo eléctrico se verifiquen siempre en el mismo plano se denomonará, según hemos visto antes, haz luminoso polarizado.
(a)= Haz de luz polarizado (b)= Haz de luz sin polarizar.
La luz natural no está polarizada. La luz emitida por un manantial está constituida por una serie de trenes de ondas procedentes de átomos distintos; en cada uno de estos trenes de ondas el campo eléctrico oscila en un plano determinado, pero, en general, su orientación es distinta de unos a otros.
Dado el enorme número de moléculas y átomos de un manantial luminoso, se comprende el gran número de trenes de ondas que constituye un haz de luz y, por consiguiente, la existencia en éste de ondas polarizadas en todas las direcciones transversales posibles.

Doble Refracción:

Birrefringencia o doble refracción.
La birrefringencia, también conocida como doble refracción, se observa cuando una radiación luminosa incide sobre un medio no isótropo, la onda se descompone en dos distintas que se propagan en diferentes direcciones.
La primera sigue las leyes normales de la refracción y se llama rayo ordinario; la otra tiene una velocidad y un índice de refracción variables y se llama rayo extraordinario. Ambas ondas están polarizadas perpendicularmente.
Este efecto se puede observar en la calcita o espato de Islandia.
Doble refracción en una interfase aire-agua y agua-aire

Se tiene una caja de vidrio en cuyo interior se encuentra otra caja de vidrio más pequeña que contiene agua con una gotita de leche. En la caja externa se coloca un poco de humo. Al hacer incidir un rayo láser con un ángulo en la caja de vidrio externa, se puede observar la refracción del mismo en la interfase aire-agua y posteriormente en la interfase agua-aire.

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