Tema 7. Conceptos de Óptica
Conceptos Básicos de Óptica
La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz. La luz se comporta tanto como una onda como una partícula, lo que se conoce como dualidad onda-partícula. En la óptica geométrica, se considera que la luz viaja en líneas rectas llamadas rayos de luz. La interacción de la luz con los materiales puede dar lugar a fenómenos como la reflexión, la refracción y la dispersión.
Trazado de Rayos
El trazado de rayos es una técnica utilizada para predecir la trayectoria de los rayos de luz a medida que interactúan con superficies reflectantes y refractantes. En esta técnica, se dibujan líneas rectas que representan los rayos de luz y se aplican las leyes de reflexión y refracción para determinar la dirección de estos rayos. Este método es fundamental en la óptica geométrica y se utiliza para diseñar y analizar sistemas ópticos, como lentes y espejos. El trazado de rayos ayuda a entender cómo se forman las imágenes y cómo los sistemas ópticos pueden manipular la luz.
Leyes de Snell
Las leyes de Snell describen cómo se comporta la luz cuando pasa de un medio a otro con diferente velocidad de propagación, lo que se conoce como refracción. La velocidad con la que se propaga un medio determina una magnitud del medio que se conoce como índice de refracción n y que se calcula como:
\[n=\frac{c}{v}\]
Donde c es la velocidad de la luz en el vacío y v la velocidad de propagación de la luz en el medio, La primera ley de Snell establece que el rayo incidente, el rayo refractado y el vector normal de la superficie donde se incide están en el mismo plano. La segunda ley de Snell, o ley de la refracción, se expresa matemáticamente como:
\[{{n}_{i}}\cdot
sen\left( {{\theta }_{i}} \right)={{n}_{t}}\cdot sen\left( {{\theta }_{t}}
\right)\]
donde ni y nt son los índices de refracción de los dos medios, el incidente y el transmitido, y $$\theta_i$$ y $$\theta_t$$ son los ángulos de incidencia y transmisión, respectivamente, medidos desde la normal a la superficie de separación entre los dos medios. Esta ley explica por qué un rayo de luz se dobla al entrar en un medio con diferente índice de refracción.
Figura 1.- Dirección de los rayos incidente, reflejado y transmitido, según las Leyes de Snell.
Lentes Convergentes
Las lentes convergentes son lentes que hacen que los rayos de luz que pasan a través de ellas converjan en un mismo punto, conocido como focal. Estas lentes son más gruesas en el centro que en los bordes. La distancia desde el centro de la lente hasta el punto focal se llama distancia focal (𝑓). Las lentes convergentes pueden formar imágenes reales o virtuales, dependiendo de la posición del objeto con respecto a la lente. Estas lentes se utilizan en una variedad de aplicaciones, incluyendo lupas, cámaras y telescopios.
Figura 2.- Rayo colimado a través de una lente convergente, atravesando el foco imagen de la lente.
Lentes Divergentes
Las lentes divergentes son lentes que hacen que los rayos de luz que pasan a través de ellas diverjan, como si procedieran de un punto focal virtual detrás de la lente. Estas lentes son más delgadas en el centro que en los bordes. Al igual que las lentes convergentes, las lentes divergentes tienen una distancia focal, pero en este caso, el punto focal está en el mismo lado de la lente que el objeto. Las lentes divergentes siempre forman imágenes virtuales y más pequeñas que el objeto. Se utilizan en aplicaciones como gafas para corregir la miopía y ciertos tipos de instrumentos ópticos.
Figura 3.- Rayo colimado atravesando una lente divergente. La proyección del rayo en el campo objeto atraviesa virtualmente el punto focal imagen.
Quiero saber más:
Ø Leyes de la Óptica geométrica
Ø Simulador de trazado de rayos
Curiosidades
Ø La lente óptica más grande del mundo
Ø Metamateriales con índice de refracción negativo