15 de marzo de 2007

Electricidad, magnetismo, vibraciones y ondas

Electricidad
La electricidad es una forma de energía producida por diversas causas, que se manifiesta por fenómenos de potencia y luz.
Todos hemos experimentado alguna vez el hecho de coger un bolígrafo de plástico y frotarlo enérgicamente, para seguidamente acercarlo a unos trozos de papel y observar como son atraídos hacia el bolígrafo. Éste fenómeno se conoce como electricidad estática.

Estructura eléctrica de la materia
Los átomos que conforman la materia están a su vez compuestos por otras partículas menores, entre las cuales los protones (portadores de la electricidad positiva y muy internos en el átomo) y los electrones (negativos, y situados en la zona exterior) se compensan. Al frotar entre sí dos cuerpos, uno de ellos arranca algunos electrones de los átomos superficiales del otro, quedando éste último con electricidad positiva por defecto de electrones, mientras que el primero queda con electricidad negativa. La magnitud física que produce los fenómenos electrostáticos es la carga eléctrica. La unidad elemental de carga es el electrón. El protón tiene la misma carga pero de signo contrario.
El átomo, que en un principio se consideró la unidad más pequeña de la que está compuesta la materia, está compuesto de núcleo y electrones; el núcleo, a su vez de protones y neutrones. Éstos, se componen de partículas llamadas quarks. ¡El espacio existente entre cada componente es equivalente al espacio intergaláctico!

Estructura magnética de la materia
El magnetismo es el poder que tiene el imán para atraer a los metales. Es un agente físico por cuya virtud los imanes y las corrientes eléctricas ejercen acciones a distancia, tales como atracciones y repulsiones, imantación por influencia y producción de corrientes eléctricas inducidas.
Los imanes están presentes en nuestra vida diaria, en infinidad de instrumentos, objetos y utensilios, desde cierres de puertas hasta motores, etc. El fenómeno de la atracción de objetos de hierro es conocido desde la antigüedad.

La tierra genera un campo magnético, hacia el cual se orientan las brújulas.
La tierra genera un campo magnético, evidenciado por las brújulas, que son una agua imantada que puede girar horizontalmente sobre su centro. En un campo magnético existe también un polo positivo y otro negativo, que como bien sabemos, los polos opuestos se atraen, mientras que los iguales se repelen. Los polos de un imán no son independientes entre sí, es decir, que si rompemos un imán por la mitad, cada mitad vuelve a tener un polo de cada signo. El campo magnético es el espacio en donde se manifiestan las fuerzas magnéticas.

Vibraciones
Al apartar la cuerda de una guitarra de su posición de equilibrio comienza a oscilar en un movimiento de vaivén que se repite periódicamente. Este movimiento se denomina vibración.

Ondas
Al caer una piedra sobre en el agua se forman ondas que avanzan por la superficie. Esto es debido a que las partículas de agua golpeadas por la piedra han sido separadas de su posición de equilibrio y empiezan a oscilar como la cuerda de la guitarra, hasta que haya cedido toda la energía acumulada en la percusión. Al estar unidas a las partículas que las rodean en la superficie mediante fuerzas de atracción, arrastran a éstas a moverse, aunque con retraso respecto propio movimiento del primer grupo. Las nuevas partículas hacen lo mismo con las siguientes, y así va avanzando el movimiento radialmente a partir del foco (punto de contacto de la piedra con el agua), con lo que se produce una propagación rectilínea de la onda, en todas direcciones. El grupo de partículas iniciales hace vibrar a las siguientes, con lo que les cede la energía que se transmite y progresa con la onda, la cual no necesita trasladar materia para transportar la energía.
Las ondas más familiares son las mecánicas, llamadas así porque son mecánicas las magnitudes perturbadas: fuerza, posición, densidad, etc. Son las ondas que se producen en la superficie del agua, en las cuerdas, etc.

Existe una sorprendente dualidad en la unidad mínima de materia: puede comportarse como una partícula o como una onda.
La radiación electromagnética también está constituida de ondas, aunque de otras características más complejas, ya que la mecánica cuántica establece la existencia de ondas de materia y el comportamiento dual onda-partícula de la materia.
A nivel atómico, la materia posee un aspecto dual: aparece como partículas y como ondas. El aspecto que muestre dependerá de la situación. En algunas situaciones predominará el aspecto de partículas, en otras, estas partículas se comportarán como ondas. Esta naturaleza dual se manifiesta, como se ha dicho, en la luz y en todas las demás radiaciones electromagnéticas. La luz es emitida y absorbida en forma de "cuantos" o fotones, sin embargo, cuando estas partículas de luz viajan por el espacio aparecen como vibrantes campos eléctricos y magnéticos, que presentan el comportamiento característico de las ondas. A los electrones se les considera normalmente partículas, sin embargo, cuando un rayo de tales partículas es enviado a través de una pequeña hendidura, resulta refractado exactamente del mismo modo en que lo haría un rayo de luz, es decir, que los electrones, a su vez, se comportan como ondas.

Las ondas dependen del movimiento, las vibraciones, la longitud, la frecuencia, y la intensidad de su emisión.
Veamos algunos datos de interés para comprender mejor las ondas:
  • El movimiento de una onda es como el de una cuerda que se agita hacia arriba y hacia abajo.
  • Las vibraciones son perpendiculares a la dirección en que se propaga la onda.
  • La longitud de onda es la distancia que recorre en un ciclo de vibraciones, entre dos crestas y valles.
  • La frecuencia es el número de ondas que pasan por un punto determinado en un segundo.
  • La intensidad o energía de la onda es determinada por la amplitud entre la cresta y el valle y la línea central (o dirección).
El aspecto dual entre la materia y la radiación resulta de lo más sorprendente para los físicos.
En la naturaleza, no existen partículas que se muevan dentro de patrones de onda. En una onda de agua, por ejemplo, las partículas de agua no se desplazan con la onda, sino que se mueven en círculos a medida que la onda pasa. Del mismo modo, las partículas de aire en una onda sonora simplemente oscilan hacia delante y hacia atrás, pero no se propagan a lo largo de la onda. Lo que es transportado a lo largo de la onda es la perturbación causante del fenómeno ondulatorio, pero no alguna partícula material.


Los colores son la percepción de nuestro sistema sensorial (la visión) interpretados por el cerebro, de las diferentes longitudes de onda de la luz llamada visible, y sus mezclas.

El color onda-partícula

La teoría cuántica tuvo su origen en 1887, cuando el físico Philipp Lenard descubrió el efecto fotoeléctrico: que determinados metales emiten electrones, y que fluye corriente eléctrica cuando la luz es absorbida. Por entonces no había nada en la teoría de las ondas de luz que pudiese explicar este mecanismo. En 1900, el físico Max Planck propuso la idea de que los átomos oscilantes emiten y absorben energía en paquetes o "cuantos". Einstein demostró que la luz está compuesta de cuantos, que el mismo denominó fotones (photos del griego, que significa luz). Cuando están en movimiento como en la luz propagada, se comportan como ondas, desplazándose por el espacio libre a diferentes frecuencias o longitudes de onda.


Las diferentes longitudes de onda de la luz se componen de fotones con diferente carga de energía y sus correspondientes colores. Los fotones de onda corta tienen mayor energía, como se ha dicho. Así, cuando un material es iluminado, los fotones no se comportan como ondas sino como partículas. Ciertas partículas son absorbidas, otras son reflejadas y/o transmitidas. Por lo tanto, el ojo humano ve el color o colores que el objeto iluminado rechaza (refleja). Aunque tampoco es esa luz reflejada (denominada residuo lumínico) el color en sí. Según la estructura fisicoquímica de la materia se absorberán o rechazarán longitudes de onda distintas.

La nieve, por ejemplo, rechaza prácticamente todas las longitudes de onda del espectro. El color de una zanahoria se debe a que absorbe los fotones violetas, azules y verdes, mientras que rechaza los rojos, naranjas y amarillos. El color gris, por ejemplo es debido a que se absorben proporciones similares de todas las longitudes de onda, y su tonalidad dependerá de la proporción rechazada.


Por lo tanto el color de un objeto deriva de la absorción selectiva de la energía incidente sobre sus átomos. (Recordemos que un átomo consiste en un núcleo, de carga positiva, alrededor del cual giran electrones de carga negativa. Ambas cargas están equilibradas).
La luz, que se propaga en forma de ondas, es captada por la materia en forma de fotones.

Pongamos un ejemplo:
Un electrón se interfiere selectivamente con un fotón de luz azul. Absorbe su pequeña cantidad de energía y salta a una nueva órbita, de mayor energía. Se estaciona allí antes de volver finalmente a su órbita original, liberando la energía absorbida en forma de una pequeña e indefinida cantidad de calor. La energía de los fotones rojo y verde no es suficiente para excitar los electrones atómicos, por lo que son rechazados. Cuando éstos lleguen al ojo, su mezcla producirá una sensación de color, y la sustancia parecerá amarilla.

8 de marzo de 2007

La Naturaleza del Color

El espectro cromático
El físico Isaac Newton, descomponiendo un rayo de luz solar con la ayuda de un prisma transparente, descubrió que estaba compuesta de una serie de colores, siempre con la misma disposición cromática que el denominó el espectro.

Espectro electromagnético. Imagen wikipedia


Nombró siete colores: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Newton partía de la base de que el blanco era, no la ausencia de color, sino más bien la suma de todos los colores
Y demostró que estos colores no eran agregados por el prisma, sino que estaban contenidos en la "luz blanca".
El espectro más impresionante y a la vez más natural que forma la luz solar es el arco iris. Éste aparece cuando al llover las gotas de agua refractan los rayos solares
Cada una de las gotas forma su propio espectro completo de colores. La razón de que veamos bandas de colores diferenciados reside en el hecho de que según el ángulo del observador sólo se ve una parte de la reflexión de las gotas.
El nanómetro es la unidad de longitud que equivale a una milmillonésima parte de un metro. Normalmente se usa para medir la longitud de onda de la luz

ROJO
NARANJA
AMARILLO
VERDE
TURQUESA
AZUL
INDIGO
VIOLETA
760
600
580
530
500
470
420
400
Longitudes de onda (frecuencias) de los colores en nanómetros. 


El color es pues una propiedad de la luz. Pero también es la respuesta que nuestro cerebro da a esa luz. Por lo tanto el color es una percepción sensorial.