Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica

Presentación del tema: "Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica"— Transcripción de la presentación:

1 Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica
INAOE

2 Propedéutico de la coordinación de Óptica

3 Teoría electromagnética

4 Teoría electromagnética
Introdución La carga eléctrica El campo eléctrico El potencial eléctrico La ley de Gauss La capacitancia y la corriente eléctrica Los campos eléctricos en la materia El campo magnético Los campos magnéticos en la materia La ley de Ampere La inducción y la inductancia Las ecuaciones de Maxwell Las ondas electromagnéticas

5 Introducción

6 La Óptica La ÓPTICA es la rama de la Física que estudia el comportamiento y las propiedades de la luz, incluyendo sus interacciones con la materia y la construcción de instrumentos que la usan o la detectan. Wikipedia

7 ¿Qué es la luz?

8 La luz es una onda electromagnética

9 La luz es una onda electromagnética

10 La luz es una onda electromagnética
La longitud de la onda (ó la frecuencia) determina el color de la luz La amplitud de la onda es la intensidad de la luz La dirección de oscilación de los campos determina la polarización

11 La luz es una onda electromagnética

12 La luz es una onda electromagnética
La luz visible va de 0.4 a 0.7 micras Por ejemplo, el color verde corresponde a una longitud de onda de micras y una frecuencia de 6.14x1014 Hertz

13 La luz es una onda electromagnética
El radio AM va de 153 KHz a 26.1 MHz. De 1960 metros a 11.5 metros. El radio FM va de 87.5 MHz a MHz. De 3.43 metros a 2.78 metros. La Tele va de 7 MHz a 1002 MHz. De 42.8 metros a 0.3 metros.

14 Nuestro ojo no ve más que cierto tipo de luz
Luz visible Infrarrojo Ultravioleta Rayos X Rayos Gama Microondas Ondas de radio

15 El espectro de la luz

16 El espectro de la luz

17 El espectro de la luz

18 ¿Por qué sólo vemos eso?

19 ¿Por qué sólo vemos eso?

20 La luz es una onda electromagnética
¿Qué es la luz? La luz es una onda electromagnética

21 La luz es una onda electromagnética
Todo cuadraba perfectamente. La teoría electromagnética era capaz de explicar las leyes de la óptica: La reflexión, la refracción, la interferencia, la difracción, etc.

22 La luz: Ondas vs Partículas
La reflexión. Las dos teorías La refracción. Las dos teorías La doble refracción. Las dos teorías La interferencia. Sólo la ondulatoria La difracción. Sólo la ondulatoria La luz es una onda electromagnética

23 Ondas Una onda es una perturbación de alguna propiedad de un medio, la cual se propaga a través del espacio transportando energía.

24 Ondas Todas las ondas mecánicas requieren de:
Alguna fuente de perturbación Un medio que pueda ser perturbado Algún mecanismo físico a través del cual los elementos del medio pueden influir entre ellos.

25 ¿Cuál es el medio que vibra? ¿En qué medio se propaga la luz?

26 ¿Cuál es el medio que vibra? ¿En qué medio se propaga la luz?
En el éter… La luz era una onda electromagnética que se propagaba en el éter, que a su vez llenaba todo el espacio.

27 La luz es una onda electromagnética
Todo cuadraba perfectamente: La teoría electromagnética era capaz de explicar las leyes de la óptica: La reflexión, la refracción, la interferencia, la difracción, etc. La luz era una onda electromagnética que se propagaba en el éter.

28 Paréntesis: El científico y el ingeniero
Heinrich Hertz “I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application”

29 Paréntesis: El científico y el ingeniero
Heinrich Hertz Alexander Stepanovich Popov Guglielmo Marconi Nikola Tesla “I do not think that the wireless waves I have discovered will have any practical application”

30 Los trabajos de Hertz Hacía 1888 Hertz había construido aparatos para generar y detectar ondas electromagnéticas (ondas VHF y UHF). Explicó la reflexión, la refracción, la polarización, la interferencia y la velocidad de las ondas electromagnéticas. VHF (Very high frequency) is the radio frequency range from 30 MHz to 300 MHz. Ultra high frequency (UHF) designates a range of electromagnetic waves with frequencies between 300 MHz and 3 GHz (3,000 MHz). Also known as the decimetre band or decimetre wave as the wavelengths range from one to ten decimetres (10 cm to 1 metre).

31 La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter.
¿Qué es la luz? La luz es una onda electromagnética que se propaga en el éter.

32 La física a finales del siglo XIX
Mecánica Electromagnetismo Óptica Termodinámica Teoría cinética de los gases

33 La mecánica clásica

34 Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
La mecánica clásica Sir Isaac Newton Philosophiae Naturalis Principia Mathematica 1687

35 La mecánica

36 Las leyes del movimiento o leyes de Newton
Todo cuerpo mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que se le apliquen. La fuerza que actúa sobre un cuerpo es directamente proporcional al producto de su masa y su aceleración. Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo.

37 La segunda ley de Newton

38 La ley de la gravitación universal

39 La ley de la gravitación

40 Derivación de las leyes de Kepler

41 ¿Resolver un problema en la Mecánica Clásica?

42 Las cantidades físicas o variables dinámicas

43 La energía cinética

44 El momento lineal

45 El momento angular

46 ¿Resolver un problema en la Mecánica Clásica?

47 ¿Resolver un problema en la Mecánica Clásica?

48 Oscilador armónico clásico

49 La mecánica Está basada en el concepto de continuidad. Las cantidades físicas son variables continuas El espacio (la posición) El tiempo La energía La cantidad de movimiento Etc.

50 Las cantidades físicas son variables continuas
La posición Un cuerpo puedes estar a 1 cm. de una marca Pero también puede estar en cualquier posición, tan cercana como queramos, a dicha marca Puede estar a 1.1 cm Puede estar a 1.01 cm Puede estar a cm Puede estar a cm

51 Las cantidades físicas son variables continuas
La posición Un cuerpo girando puede ocupar cualquier orbita

52 Las cantidades físicas son variables continuas
La energía Una partícula en movimiento puede tener cualquier energía 1 joule 1.1 joule 1.01 joule joule joule joule

53 Las cantidades físicas son variables continuas
Todas las variables dinámicas (posición, tiempo, velocidad, cantidad de movimiento, energía, energía cinética, energía potencial, momento angular) son números reales, es decir; todas las variables dinámicas son continuas.

54 Las partículas tienen una trayectoria
En todo momento la partícula ocupa una posición en el espacio. El conjunto de esas posiciones constituyen la trayectoria de la partícula.

55 Las partículas tienen una trayectoria
B Si la partícula va de A a B lo hace siguiendo una única trayectoria bien definida

56 Logros de la mecánica de Newton
Las leyes de Kepler La estática y las construcciones La mecánica de los fluidos, de los sólidos, etc. La explicación de algunas propiedades termodinámicas de los gases

57 Logros de la mecánica de Newton
Nada más y nada menos, que la revolución industrial se sustentó en la mecánica de Newton

58 Logros de la mecánica de Newton
El determinismo absoluto Denme las fuerzas que rigen el Universo y las condiciones actuales de él y todo podrá ser dicho, del pasado, el presente y el futuro "Nous devons envisager l'état présent de l'univers comme l'effet de son état antérieur et comme la cause de celui qui va suivre. Une intelligence qui, pour un instant donné, connaîtrait toutes les forces dont la nature est animée et la situation respective des êtres qui la composent, si d'ailleurs elle était assez vaste pour soumettre ces données à l'analyse, embrasserait dans la même formule les mouvements des plus grands corps de l'univers et ceux du plus léger atome; rien ne serait incertain pour elle, et l'avenir, comme le passé, serait présent à ses yeux. " Laplace

59 La mecánica de Newton Su reinado, de más de 200 años, era indiscutible y su poder avasallador Cuando Laplace publicó su “Mecánica celeste”, Napoleón lo llamó y al verlo le dijo enojado: Explica usted todo el sistema del mundo, da usted todas las leyes de la creación y en todo su libro no habla una sola vez de la existencia de dios Laplace le respondió: Señor, no tenía yo necesidad de esa hipótesis (je n'avais pas besoin de cette hypothèse).

60 Logros de la mecánica de Newton
El descubrimiento de Neptuno Urbain Jean Joseph Le Verrier y John Couch Adams Observando discrepancias entre la órbita de Urano y las predicciones teóricas de la Mecánica de Newton, se pensó que debería existir un octavo planeta. Le Verrier pasó años haciendo los cálculos y el 18 de septiembre de 1846, escribió a Johann Gottfried Galle del Observatoire de Berlin y el 23 septiembre Galle apunta su telescopio al lugar calculado y descubre Neptuno a 8 minutes

61 Es totalmente causal, no sólo eso, es totalmente DETERMINISTA
La mecánica Es totalmente causal, no sólo eso, es totalmente DETERMINISTA Denme las fuerzas que rigen el Universo y las condiciones actuales de él y todo podrá ser dicho, del pasado, el presente y el futuro

62 La física a finales del siglo XIX
Mecánica (y todas sus derivaciones) Continuidad. Invención y aplicación del cálculo diferencial e integral y del análisis matemático Concepto de partícula Óptica Electromagnetismo Termodinámica Teoría cinética de los gases

63 El concepto del mundo al final del siglo XIX
Realista y materialista El mundo existe, independientemente del observador: “Ahí está” El mundo es causal Es más, es determinista (Laplace) El mundo es local Sólo influyen los eventos cercanos Laplace went in state to beg Napoleon to accept a copy of his work, and the following account of the interview is well authenticated, and so characteristic of all the parties concerned that I quote it in full. Someone had told Napoleon that the book contained no mention of the name of God; Napoleon, who was fond of putting embarrassing questions, received it with the remark, "M. Laplace, they tell me you have written this large book on the system of the universe, and have never even mentioned its Creator." Laplace, who, though the most supple of politicians, was as stiff as a martyr on every point of his philosophy, drew himself up and answered bluntly, "Je n'avais pas besoin de cette hypothèse-là (I did not need to make such an assumption)." Napoleon, greatly amused, told this reply to Lagrange, who exclaimed, "Ah! c'est une belle hypothèse; ça explique beaucoup de choses (Ah! that is a beautiful assumption; it explains many things)." Sacado del artículo sobre Laplace en la Wikipideia

64 La física a finales del siglo XIX
Había un sentimiento subyacente que ya todo estaba esencialmente explicado. Se pensaba que aún había cosas que resolver, pero eran detalles, lo fundamental ya estaba hecho. La Física había explicado todo, pero a la vez había perdido su interés.

65 La física a finales del siglo XIX
The Munich physics professor Philipp von Jolly advised Planck against going into physics, saying, “in this field, almost everything is already discovered, and all that remains is to fill a few holes.” Planck replied that he did not wish to discover new things, but only to understand the known fundamentals of the field, and so began his studies in 1874 at the University of Munich. Wikipedia

66 La física a finales del siglo XIX
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin): Dos pequeñas nubes en el horizonte El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley El problema del cuerpo negro

67 El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley

68 ¿Podemos detectar el movimiento de la tierra respecto al ETER?
La tierra se mueve alrededor del sol a la inmensa velocidad de 30 km/s, es decir, 100,000 km/h

69 ¿Podemos detectar el movimiento de la tierra respecto al ETER?
El río fluye hacía arriba

70 ¿Podemos detectar el movimiento de la tierra respecto al ETER?
El río fluye hacía arriba

71 El experimento de Michelson y Morley

72 El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley

73 El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley

74 La física a finales del siglo XIX
William Thomson Kelvin (Lord Kelvin): Dos pequeñas nubes en el horizonte El resultado negativo del experimento de Michelson y Morley El problema del cuerpo negro

75 El problema del cuerpo negro

76

77 Absorción y emisión de radiación

78 La radiación del cuerpo negro
Todos los cuerpos en el Universo emiten radiación La intensidad y el “color” de la radiación depende de la temperatura a la que esté el cuerpo Los cuerpos más calientes emiten radiación más azul Los cuerpos más fríos emiten radiación más roja

79 Radiación térmica o calor de radiación
La radiación térmica o calor de radiación es radiación electromagnética de un objeto causada por su temperatura. Es la radiación emitida por un objeto en virtud de su temperatura

80 La ley de Kirchhoff de la radiación térmica
En equilibrio termodinámico, la emisividad de un cuerpo o superficie es igual a su absorbencia

81 El cuerpo negro Un cuerpo negro es un objeto que absorbe toda la radiación electromagnética que incide sobre él. Ninguna radiación pasa a través de él y ninguna radiación es reflejada. Un cuerpo negro es un absorbedor y un emisor perfecto

82 La radiación del cuerpo negro
El emisor y absorbedor perfecto

83 La radiación del cuerpo negro
La radiación electromagnética y la cavidad se dejan mucho tiempo hasta que se alcance el equilibrio termodinámico

84 La radiación del cuerpo negro
La radiación electromagnética y la cavidad se dejan mucho tiempo hasta que se alcance el equilibrio termodinámico. Se observa la radiación de la cavidad a través de un pequeño hoyo. Se mide la energía por unidad de volumen por unidad de frecuencia.