La luz y las ondas electromagnéticas



En este artículo vamos a hablar un poco de la relación entre el campo eléctrico y el campo magnético. Por otro lado vamos a hablar de la concepción que hubo a lo largo de la historia acerca de la luz ¿Qué es la luz una onda o una partícula?


-ECUACIONES DE MAXWELL:

Existe una relación entre el campo eléctrico y el campo magnético, este científico se dedico a estudiar la relación entre ambos, teniendo en cuenta cuatro leyes:

  1. Teorema de Gauss para el campo eléctrico. "Las líneas de fuerza del campo eléctrico son abiertas".
  2. Teorema de Gauss para el campo magnético. "Como el flujo magnético a través de una superficie cerrada es nulo, las líneas de inducción del campo magnético son cerradas, no existiendo polos magnéticos aislados"
  3. Ley de Faraday. "Un campo magnético variable produce un campo eléctrico". Las variaciones de flujo magnético en el tiempo a través de una superficie no cerrada inducen a un campo eléctrico.
  4. Ley de Ampere generalizada: "Un campo magnético puede ser producido por una corriente eléctrica y por un campo eléctrico variable en el tiempo".
A esta generalización se le denomina campo electromagnético.

-ESTUDIO CUALITATIVO DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS:

Como descubrió Maxwell, existe una relación entre el campo eléctrico y el campo magnético.

Toda carga eléctrica crea un campo eléctrico ,pero, si la carga está en movimiento, se crea un campo magnético.

Si la velocidad de la carga no varía, la energía permanece constante y no se produce campo magnético. 

Si la velocidad de la carga no es constante, esta emite energía en todas las direcciones, en forma de ondas electromagnéticas.

-EVOLUCIÓN DE LAS TEORÍAS DE LA NATURALEZA DE LA LUZ

¿Qué es la luz, una onda o una partícula? 

A lo largo de la historia a habido ciertas teorías acerca de esta cuestión.

En el siglo XVII Huygens propone la teoría ondulatoria, que en esencia lo que dice es: "La luz se propaga mediante ondas mecánicas, semejantes a las ondas sonoras, emitidas por los cuerpos luminosos".

Con esta teoría los fenómenos de reflexión y refracción se entendían a la perfección, pero no quedaba claro porque no se puede ver un objeto a través de una esquina.

En el siglo XVIII, Isaac Newton, propone la teoría corpuscular. "La luz está formada por diminutas partículas materiales, (corpúsculos). Emitidas a gran velocidad y en línea recta por los cuerpos luminosos"

Como esta teoría también explicaba los fenómenos de reflexión y refracción, se tomó por válida.

Con la experiencia de Young de la doble abertura, se pone en duda la teoría corpuscular. 

Más adelante Maxwell también le da un impulso a la teoría ondulatoria al demostrar la velocidad de la luz en el vacío.

Pero Hertz, descubre el efecto fotoeléctrico, lo que hace definir a la luz como partícula.

-EFECTO FOTOELÉCTRICO:

Cuándo iluminamos una placa metálica con un haz de luz de frecuencia f, se desprenden electrones de la placa.

Un fotón (radiación electromagnética) interacciona con un electrón, que absorbe la energía del fotón; parte de ella es utilizada para vencer la energía que liga el electrón al metal y el resto se convierte en energía cinética del electrón.

Einstein, en 1905 hizo la interpretación del efecto fotoeléctrico. Fue este el motivo por el que ganase el Premio Nobel de física en 1921. Llegó a la siguiente ecuación:

Efotón = Wo + Ec electrones



Cada material tiene unas condiciones para que se produzca efecto fotoeléctrico, se tiene que ejercer sobre el como mínimo un determinado trabajo, denominad trabajo umbral (Wo).

El trabajo es h·f , por lo que la luz, tiene que ejercer sobre el material como mínimo una frecuencia (fo, frecuencia umbral) para que se produzca efecto fotoeléctrico. La frecuencia es c(velocidad de la luz)/λ (longitud de onda).

-POTENCIAL DE FRENADO:

Es el potencial que crea una energía equivalente a la energía cinética frenando así a los electrones.

q·V = Ec

-EL EFECTO COMPTON:

Un cuanto de radiación interacciona con un electrón libre o débilmente ligado a un metal y, como consecuencia de la interacción, el fotón se dispersa, disminuyendo su frecuencia.

Se llega a la siguiente relación:


λ>λo - Longitud de onda
θ - Ángulo de dispersión del fotón respecto a la radiación incidente
h - Constante de Planck
c - Velocidad de la luz

Se denomina λc a la longitud de onda compton, y vale 2,246·10^-12 m.

2,426 · 10^-12 = h/(me·c) 

Según estas teorías, la luz es una partícula, pero también puede actuar como una onda, de esto se encarga la dualidad onda-corpúsculo.

-DUALIDAD ONDA-CORPÚSCULO:

Hipótesis de De Broglie: Con la ecuación de la energía de la luz como onda, y de la luz como partícula se plantea un sistema, tratando de unificar ambas teorías.

Si E=mc^2 y E=hf, como en ambos casos se trata de energías puedo igualar una expresión a la otra hf=mc^2, sustituyendo f por su valor (f=c/λ) y simplificando llegamos a λ = h/(mc).

 

Descubrirlaquimica. Estudiante de química en la USC

22/08/2014

 



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