Inciso de ondas Onda

1 Inciso de ondas

Onda: fenómeno físico de propagación de energía sin propagar materia. Por ejemplo, una onda en una cuerda, el sonido, etc.

Existen dos tipos de ondas: mecánicas y electromagnéticas.

-Las ondas mecánicas necesitan un soporte material para propagarse: el sonido necesita aire, una onda en una cuerda necesita la cuerda….

-Las ondas electromagnéticas no necesitan un soporte material para su propagación, pudiéndose propagar incluso en el vacío: luz del sol, ondas de radio…A las ondas electromagnéticas también se las llama radiaciones electromagnéticas

Magnitudes que caracterizan a las ondas

Supongamos una onda en una cuerda formada por puntos de la misma que vibran arriba y abajo propagando la onda en dirección perpendicular.

-Foco: lugar donde se inicia la perturbación u onda

-Longitud de onda,

λ

, :distancia entre dos puntos consecutivos de una onda que se hallan en el mismo estado de vibración, por ejemplo, entre dos máximos. Se mide en m, cm….

-Frecuencia,

f

ó

υ

, número de vibraciones por segundo que vibra cada punto de la onda y el foco emisor . Se mide en s^-1 o hertzios (Hz) o vibraciones • s^-1 en el S.I.

-Periodo, T, tiempo que tarda un punto de la onda en completar una vibración. Se mide en s en el S.I. La relación del periodo con la frecuencia: 1

T =

———

υ

-Velocidad de propagación de una onda, v, es la velocidad con la que la onda viaja o se propaga por el medio. Se mide en el S.I en m• s^-1 Se relaciona con el periodo y la frecuencia así:

Espacio λ λ

v = ————— = ——— Luego v = —— = λ

•

υ IMPORTANTE Tiempo T T

-La energía que transportan las ondas es proporcional a su frecuencia: a mayor frecuencia, mayor energía y viceversa

Ejercicios

1.-La velocidad del sonido en el aire es de 340 m/s. Calcula para una onda de 2 m de longitud de onda a)número de veces que vibra un punto del medio (frecuencia) b)tiempo que tarda en hacer una oscilación (periodo)

2.-Se hace vibrar una onda en una cuerda a razón de 10 oscilaciones por segundo transmitiéndose una onda con una velocidad de 20 m/s Calcula su longitud de onda

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Características de las ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas o radiaciones electromagnéticas no necesitan un medio material para propagarse. Todas las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío con la misma velocidad, llamada velocidad de la luz, c, cuyo valor es: 3•10⁸ m•s^-1 .

Las ondas electromagnéticas se diferencian en su distinta frecuencia (o su distinta longitud de onda). De acuerdo a la ecuación c = λ• υal ser c un valor constante, se observa que, a mayor frecuencia, menor longitud de onda y viceversa

c = λ•υ Al ser c constante ocurre: Si ↑ υ  ↓ λ y si ↓υ  ↑ λ

La clasificación de las distintas ondas electromagnéticas de acuerdo a su frecuencia ( o longitud de onda) se denomina espectro electromagnético, que es el que se muestra en la imagen inferior:

La luz blanca es una mezcla de ondas electromagnéticas de distinta frecuencia que en el vacío viajan todas a la velocidad de la luz. Pero al atravesar ciertos medios dispersivos, por ejemplo los prismas transparentes de vidrio, se descomponen separándose según su frecuencia en 7 diferentes colores.

Newton denominó al conjunto de los 7 colores en que se descompone la luz visible como el espectro continuo de la luz

El fenómeno de la dispersión de la luz blanca se debe a que las ondas electromagnéticas que la componen, al atravesar medios transparentes (vidrio, agua…), ya no se propagan todas a la misma velocidad, por lo que se desvían con distintos ángulos de refracción, lo que ocasiona la separación de las diferentes luces simples o monocromáticas que componen la luz original compleja.

Por tanto:

-La luz visible está formada por una infinidad de colores, que nuestros ojos agrupan en 7

-Cada uno de esta infinidad de colores es una radiación u onda electromagnética que se puede describir como una onda

-Al ser cada una de estas radiaciones o colores una onda, pueden ser caracterizados por una longitud de onda , λ, y por una frecuencia, υ.

Todas las distintas ondas que componen la luz blanca se agrupan en lo que se conoce como luz visible, siendo una parte muy pequeña en la clasificación de las ondas electromagnéticas anteriormente vistas

Este fenómeno de la dispersión se usa para separar cualquier tipo de mezclas de ondas electromagnéticas en las ondas que las componen, sean o no visibles. Cualquier onda electromagnética o radiación, al ser una onda, están caracterizados por una longitud de onda , λ, y por una frecuencia, υ.

Por tanto para cualquier onda electromagnética se cumple:

c = λ•υ

donde c tiene el valor de 3•10⁸ m•s^-1 para cualquier radiación que se propaga en el vacío

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De todas las posibles ondas electromagnéticas que existen solo podemos ver las que están en la zona visible, es decir, entre 400 nm (violeta) y 780 nm (rojo) . A un lado y al otro lado de este rango existen numerosas radiaciones electromagnéticas que no podemos ver, pero sí podemos detectar con ciertos instrumentos y que tienen múltiples aplicaciones

Las ondas electromagnéticas también transportan energía. A mayor frecuencia posea una onda electromagnética, mayor energía transporta (y viceversa)

Ejercicios

1.-Una onda electromagnética tiene una frecuencia de 5•10¹⁴ Hz. Calcula su longitud de onda e indica a qué tipo de onda pertenece en el espectro electromagnético

2.-Una onda de radio FM tiene una longitud de onda de 30 m . Calcula su frecuencia

4 Hipótesis de Planck, cuantos, fotones y efecto fotoeléctrico

En 1900, estudiando la radiación del cuerpo negro, Max Planck lanzó la revolucionaria hipótesis de que las partículas de estos cuerpos , al vibrar, emiten o absorben energía en forma de “paquetes” o “cuantos”

de energía. A esta hipótesis se le conoce como hipótesis de Planck

El valor de cada paquete de energía es: E_o = h•υ donde υ es la frecuencia de la vibración y h es una constante, llamada constante de Planck, cuyo valor es h= 6,63•10^-34 J•s

Esta hipótesis, posteriormente comprobada, indicaba que los átomos no emiten ni absorben energía en cualquier cantidad, sino solo aquellas cantidades múltiplos enteros del valor mínimo Eo , es decir, 2 Eo , 3E_o ,….. en general E= n h•υ

En 1887, Hertz observó que al iluminar con luz UV una lamina metálica, se conseguía arrancar

electrones en ella. A esta emisión de electrones por parte de ciertos metales cuando sobre ellos incide una luz de pequeña longitud de onda se llama efecto fotoeléctrico.

Einstein interpretó el efecto fotoeléctrico. Para ello hay que considerar que una onda electromagnética está compuesto de paquetes de energía llamados fotones, cada uno de ellos con un valor de energía h•υ donde h es la constante de Planck y υ es la frecuencia de la onda electromagnética.

E

fotón

= h•υ

Estos fotones, al chocar contra un electrón del metal, lo consigue arrancar venciendo la atracción del núcleo con un trabajo de extracción (trabajo de extracción: hv_o ), y la energía sobrante del fotón se invierte en poner en movimiento el electrón dándole energía cinética

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Se observa que en la ecuación E _fotón = h•υ , cuanto mayor sea la frecuencia de la radiación

electromagnética, mayor es la energía que trasporta la onda electromagnética Por ejemplo, la luz roja de los laboratorios fotográficos para no revelar las películas

En resumen, las ondas electromagnéticas, cuando interaccionan con la materia, se consideran como un conjunto de paquetes de energía llamados fotones, de valor cada uno de ellos E fotón = h•υ