¿QUÉ ES LA LUZ? (6ª parte): La energía de las ondas

La Luz tiene energía... mucha energía. De hecho, es la Energía más pura y frecuente del Universo. Es el fenómeno que interviene en las reacciones químicas, en la transmisión de muchas fuerzas y en el funcionamiento de la propia vida. Pero la luz, aunque no tenga materia (es sólo pura energía sin masa), también es capaz de mover los objetos, calentarlos, atravesarlos e incluso, de transmitir información. Su gigantesca velocidad, así como las fuerzas eléctrica y magnética que posee, son los responsables de muchas de sus propiedades. Medir la cantidad de Energía que posee la luz no es muy difícil... lo vemos a continuación

¿PUEDE LA LUZ EMPUJAR A LA MATERIA?

 

En principio, nuestra intuición nos dice que la Luz no puede empujar a la materia. Si la luz en sí misma no posee masa, parece difícil imaginar cómo podría generar un efecto de acción y reacción. Pero muy al contrario, la Luz es capaz de empujar a los objetos contra los que impacta, o dicho de otro modo, puede generar "Cantidad de Movimiento".

Para la física clásica newtoniana, la cantidad de Movimiento (también conocida como momento lineal) es un fenómeno físico que se da en aquellos objetos que tienen cierta masa y se mueven a una determinada velocidad: si su masa es cero, el objeto carece de cantidad de movimiento y de inercia, y por tanto, es incapaz de transmitir dicha energía a los objetos contra los que pudiera chocar. Pero los modelos físicos actuales han extendido esta propiedad a otros fenómenos que carecen de masa, como las ondas o los fotones, porque se ha comprobado experimentalmente que éstos sí son capaces de mover la materia. Así es como funcionan las "velas solares" de algunas naves espaciales: Una vela gigantesca recibe el impacto de millones de fotones provenientes del Sol, y la nave es "empujada" en dirección contraria (acción - reacción por efecto de la cantidad de movimiento de los fotones que impactan).

A la derecha vemos la representación artística de una hipotética nave espacial empujada por la luz del Sol. La superficie de dicha vela debe ser completamente reflectante, pues los materiales pulidos aprovechan mejor la energía de la Luz. A esta fuerza de la luz se la conoce como "Presión de Radiación", y existen dos límites: Un límite máximo, o máxima fuerza de presión, que se da cuando la luz es completamente reflejada, y un límite mínimo, que se da cuando la luz es completamente absorbida, cuyo valor es exactamente la mitad que el límite máximo.

La presión de Radiación es en parte responsable de que el Sol no colapse sobre sí mismo, al generar una fuerza que empuja a toda su materia hacia el exterior, oponiéndose a la gravedad generada por su masa.

¿CUÁNTA ENERGÍA TIENE LA LUZ?

 

La luz produce fundamentalmente dos tipos de "fuerzas": La cantidad de movimiento que hemos explicado en el punto anterior (una especie de "energía cinética") y la energía de sus campos.

La energía de los campos se refiere a aquella energía que transmiten los campos eléctrico y magnético de los que se habló en artículos anteriores de esta serie. Son estos campos los que hacen vibrar a los electrones de la materia contra la que impacta la luz y una gran vibración provoca grandes efectos. La mayoría de los efectos que produce la luz en la materia se debe a sus campos, y éstos son los responsables de que los objetos se calienten o emitan electrones.

 

 

 

La Energía total que posee una onda de luz es la suma de la energía que transmite su campo eléctrico (E), más la energía de su campo magnético (B), y ambos tipos de energía están estrechamente ligados con la velocidad de la luz. De hecho, la velocidad de la luz se puede calcular dividiendo la magnitud del Campo eléctrico "E", entre el campo magnético "B", de acuerdo a la fórmula de la derecha

 

Por su parte, la densidad de Energía del Campo Eléctrico tiene un valor que recuerda bastante a la energía cinética de la materia que se mueve, y lo mismo sucede con la densidad de energía del campo magnético; sólo que en vez de usar el término de "masa" para calcular dicha "energía cinética", se necesitan dos conceptos inherentes al espacio por el que se mueven: La "permitividad" y la "permeabilidad" del vacío, que se representan con los símbolos ε0  y μ0 respectivamente.  

 

Operando con todos estos conceptos, se obtiene finalmente una fórmula con la que se puede calcular la energía que posee el flujo de una Onda Electromagnética, en función exclusivamente de su campo eléctrico "E" y de la constante de permitividad del vacío,  ε0   que vale aproximadamente 8,8 x10-12 F/m

No obstante, a efectos prácticos, hay una manera de medir la potencia de la luz y obtener el resultado en Watios, medida con la que estamos más familiarizados, ya que las bombillas, las antenas y la mayoría de los ingenios eléctricos utilizan dicha magnitud. Este concepto recibe el nombre de "VECTOR DE POYNTING", y se refiere al flujo de Energía que avanza con la onda de luz, por cada segundo y metro cuadrado, en forma vectorial. El vector de Poynting se mide en Watios por cada metro cuadrado, por lo que si multiplicamos su valor por la superficie total por la que la luz se está expandiendo, se obtiene la Potencia total de la Onda Electromagnética

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Comentarios: 17
  • #1

    Liyua (lunes, 02 junio 2014 15:19)

    MUY BUENO E INTERESANTES AMIGO... ESPERO POR EL OTRO

  • #2

    chanel replica sale (sábado, 11 octubre 2014 06:00)

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  • #3

    Lucas (jueves, 18 diciembre 2014 18:12)

    Aparezco una vez más aquí para aclarar mis dudas, esta vez no tiene nada que ver con la luz, pero aquí va.

    Quiero saber por que la sangre de los astronautas herviría si no tuvieran el traje espacial, se que tiene algo que ver la presión interna de los cuerpos y la del entorno pero no logro comprenderlo del todo.

    Agradecería que me lo aclares, saludos.

  • #4

    canal de ciencias (viernes, 19 diciembre 2014 02:50)

    Lucas: cuando se dice que el agua hierve a 100 ºC, es siempre a presión normal (+/- 1 atmósfera). Si la presión aumenta, al agua le cuesta más expandirse porque hay algo que la "aprieta" y por tanto, le cuesta más hervir (dilatarse para pasar a estado gaseoso). Por ejemplo, el agua del circuito de un vehículo hierve a 110º porque dicho circuito está bajo presión, igual que ocurre dentro de una olla de cocina. Por el contrario, si la presión baja de 1 atmósfera, al agua le resulta más fácil dilatarse y hervir.
    En el espacio, la presión es casi nula, y como el cuerpo humano está a 36º, la sangre podría hervir fácilmente aunque no se llegue a los 100º .
    No obstante, no es del todo cierto que sin traje suceda eso, porque aunque el espacio tenga presión cero, las venas están encerradas en carne y todo el cuerpo genera una presión contra la sangre, como sucede en una olla. Antes que la sangre empiece a hervir, el cuerpo se hincha y se dilata por efecto del bombeo del corazón y la propia dilatación de los órganos, el astronauta moriría, y el corazón dejaría de bombear, con lo que en pocos segundos, la sangre se coagularía convirtiéndose en un sólido viscoso que, al no ser ya líquido, no herviría .
    en resumen: el agua hierve a baja temperatura por ausencia de presión, pero a una persona no le daría tiempo a que esto le sucediera porque su sangre dejaría de ser líquida en poco tiempo

  • #5

    Lucas (sábado, 20 diciembre 2014 02:52)

    Una vez mas gracias.

    Una última pregunta: La dilatación de los órganos se daría justamente por una presión menor al que hay en la Tierra, no? Es decir, se dilatarían porque la presión es casi nula...? (Aunque no como en las películas claro)

    Saludos.

  • #6

    canal de ciencias (sábado, 20 diciembre 2014 04:29)

    en la tierra, un cuerpo soporta una presión exterior de 1 atm, (la presión del aire), a la que se opone una presión interna total aproximada de 1 atm también (la del corazón al bombear sangre, el peso propio de los órganos, los movimientos musculares, etc...) Esto hace que una presión contrarreste a otra y al final, todo el cuerpo se encuentra en equilibrio isobárico (ni el aire aplasta al cuerpo, ni éste se expande). Si un animal viviera en un entorno de grandes presiones (como los calamares abisales), al viajar a sitios de menor presión (por ej. a la superficie del mar, donde hay poca presión), sus cuerpos (que están diseñados para mantener un equilibrió de presión sólo a grandes profundidades), acaban expandiéndose por efecto de su propia presión interna y mueren. El caso contrario sería el de un buceador (diseñado para vivir en un entorno de 1 atm), que al sumergirse a gran profundidad, sufre un aplastamiento por efecto de la presión del agua y no podría respirar, el corazón se ve sometido a un gran esfuerzo, etc...
    Así pues, en un lugar con presión muy baja onula, como en el espacio, nuestra presión interior empujaría nuestros órganos hacia afuera, y nos dilataríamos igual que un calamar abisal cuando sube a la superficie del mar

  • #7

    Lucas (sábado, 20 diciembre 2014 20:27)

    Gracias.

  • #8

    Eugenio (sábado, 10 junio 2017 08:02)

    Hola. Llevo poco tiempo siguiendo esta web pero desde que la descubrí, no dejo de formarme con tal cúmulo de sabiduría. Ante todo agradecer a canal de ciencias la implicación y la fácil explicación de cualquiera que sea la duda que se formule. No he podido resistir la tentación de preguntar aqui una duda que tengo desde hace tiempo sobre la luz. No se si tiene algo que ver la pregunta con el tema pero la haré. Por lo que se, la luz solo existe donde se refleja (aclarame si estoy en lo cierto o no por favor). Y la duda que me tiene en ascuas, va sobre el reflejo en espejos o superficies reflectantes. ¿Como es posible que existan superficies que capten la luz y muestren las imágenes tal y como son (como el espejo por ejemplo), si el cuerpo que transmite dicha imagen no es reflectante? No se si me he explicado. Por ejemplo, si nos miramos a un espejo. ¿Cómo es que nos vemos exactamente a nosotros mismos pero en imagen simetrica? ¿Rebota la luz en nosotros y las partículas se reúnen automáticamente en el espejo para mostrarnolas organizadas? Gracias de antemano.

  • #9

    canal de ciencias (miércoles, 14 junio 2017 15:49)

    Hola Eugenio.
    La luz no sólo existe donde se reflea. Existe en todas parte por las que pase un haz de fotones. Pero estos fotones no se ven si no llegan a impactar en tu retina. Imagina que los fotones son como pequeños perdigones invisibles que vuelan por todas parte, pero para saber que existen, necesitas que alguno de ellos te impacte en el cuerpo. El impacto puede sentirse tanto si el perdigón disparado te alcanza directamente, como si éste rebota en una pared y seguidamente te impacta. En el primer caso, sería luz directa (el perdigón que sale del rifle y te alcanza). En el segundo caso, sería luz reflejada (perdigón disparado a una pared y te alcanza en un rebote). Según si la luz es directa o reflejada, sus propiedades cambian un poco, igual que el disparo (un perdigón de rebote llega con menos energía, o llega deformado, por ejemplo)
    La mayor parte de la luz que te rodea no la percibes. Sólo ves la luz que impacta directamente en tus ojos... pero también sientes la luz que te impacta en el cuerpo (en este caso notas su energía, o su calor, pero no la ves).
    Hay otros tipos de luz que aunque te impacten en los ojos, no la ves, por ejemplo, aquellos fotones cuya energía es inferior o superior a la sensibilidad de la retina (por ejemplo, las luces por debajo del color rojo, infrarrojos, o las que están por encima del violeta). para "ver" ese tipo de luces, los ingenieros han inventado "ojos artificiales" capaces de ver luces que están fuera del rango de sensibilidad de la retina humana, como por ejemplo, los sensores de infrarrojos, o las antenas de radio.
    Sobre los espejos: a tu cuerpo llega luz. parte de esa luz queda atrapada en tu cuerpo (se calienta tu piel), pero otros fotones rebotan (igual que los perdigones) y acaban disparados hacia todas partes. Si enfrente tienes un espejo, algunos de esos fotones rebotados de tu cuerpo llegan al espejo, y de nuevo rebotan hacia todas parte, y finalmente, una pequeña porción de dichos fotones que han rebotado en el espejo, llegan a tus ojos. Esa es la imagen que consigues ver.
    No sé si es lo que preguntabas

  • #10

    Eugenio (miércoles, 14 junio 2017 22:47)

    Hola de nuevo. Muchisimas gracias, la explicación es extraordinaria, pero si los fotones rebotan en nosotros y salen desperdigados, y tan solo algunos de ellos llegan al espejo que tenemos delante, ¿como es que, suponiendo que tenemos un espejo de alta calidad (superficie plana, lisa y reflectante al máximo), la imagen la seguimos viendo nítida independientemente de la distancia (perceptible por nuestra retina claro) que lo tengamos? Y... ¿dichos fotones resultantes no desvían su trayectoria ni se tambalean en el camino ofreciéndonos una imagen con organización exacta?
    Se que los espejos cóncavos concentran la luz en un punto y de hecho, por esa razón jamas entendí porque aseguran que muchos de los cuerpos que captan los telescopios (de este tipo), son esféricos.¿podrias aclararme esto?
    Y por el contrario los convexos, esparcen la luz. ¿Si frente a nosotros colocamos un espejo convexo (esférico), y frente a este colocamos otro cóncavo del mismo tamaño (diámetro), este ultimo ¿reagrupa los fotones y nos veríamos como en uno plano?. Gracias.

  • #11

    canal de ciencias (jueves, 15 junio 2017 22:15)

    1-los espejos reflejan muchos menos fotones de los que salen de tu imagen pero aún así, son tantos, que resultan suficientes para activar los receptores de tu retina porque hay muchos más de los que tu retina puede captar: por eso la imagen la ves nítida. Si disminuyes la luz de la habitación hasta ver tu cuerpo con mucha dificultad, verás que tu reflejo en el espejo apenas puedes verlo
    2- la imagen del espejo no sale sólo hacia tus ojos. En realidad, sale reflejada en todas direcciones de forma que no sólo tú podrías ver tu imagen, sino también otras personas que estuvieran mirando al espejo cerca de ti. Pero la imagen de tu cuerpo perfectamente formado y en orden, no se forma en el espejo, sino en tus ojos... quien se encarga de formar una imagen coherente es el juego de lentes que tienes delante de la retina, córnea y cristalino. Estas lentes dirigen los fotones que salen con una determinada trayectoria, desechando todos los demás, hacia la retina, donde se forma una imagen similar a la de tu figura. Es un asunto de geometría óptica que resultaría algo largo de explicar
    3- los espejos cóncavos concentran la luz en una zona más pequeña que el diámetro del espejo. A eso se le llama foco, pero no es un punto matemático, con dimensión cero, sino más bien, es un circulito pequeño, en función de la curvatura del espejo. Se puede ver un planeta esférico porque su contorno cabe dentro de esa zona circular del foto del espejo
    4- Si. puedes jugar con espejos de diferentes curvaturas y geometrías para conseguir modelar la luz a tu antojo, como anular la divergencia de las trayectorias de los fotones con un par de espejos de curvaturas opuestas, como propones. Asín funcionan los juegos de lentes de microscopio o telescopios

  • #12

    Eugenio (sábado, 17 junio 2017 04:10)

    Hola, quiero darte las gracias ante todo. La respuesta 1 la considero lógica. Pero la respuesta numero 2 la terminas con una frase enfocada a mi principal duda, "Es un asunto de geometría óptica que resultaría algo largo de explicar", (que es con la primera pregunta que empecé) y que creo que seguiré tal y como al principio de confuso. Referente a la 3, veo que va relacionada con el final de la 4. Pero con respecto a la 4... ¿Podrias decirme en que posición tendría que colocarme yo y de que forma los espejos, para verme en el conjunto de espejos que propuse (esférico convexo y cóncavo del mismo diámetro)? Gracias.

  • #13

    canal de ciencias (domingo, 18 junio 2017 03:03)

    Eugenio, la óptica es una ciencia muy extensa, bastante complicada y con mucha relación con la geometría y las matemáticas... necesitaría horas y docenas de páginas para explicarte los fundamentos básicos. Y lo peor es que con cada explicación que te pueda dar, te surgirán nuevas dudas, con lo cuál, resultaría casi interminable.
    En realidad, eso es lo que le pesa a una persona que se sorprende cada vez que se plantea una pregunta y obtiene la respuesta: que cuanto más cosas descubre, más dudas se le crean. No te creas que suele ser habitual, pues la mayoría de la gente se suele conformar con una respuesta simple y rápida... pero los curiosos de verdad tienen cada vez más dudas.
    Tal vez esa sea la causa por la que alguien decida estudiar ciencias: una inexplicable curiosidad innata que jamás puede saciarse. No puedo responderte a esas dudas de una forma sencilla y rápida, lo siento. Pero sí puedo darte un consejo: Si estas cuestiones te estimulan, hazte con un libro de física conceptual y empieza leyendo desde el capítulo 1, porque cada cosa que aprendas estará enlazada con una duda nueva, y cada duda que aparezca, te dará una nueva respuesta. Te aseguro que es un camino interminable y casi angustioso, pero que llenará tu cerebro de infinidad de bombillas resplandecientes.
    Uno muy bueno es este:
    https://pperalta.files.wordpress.com/2016/10/fc3adsica-conceptual-hewitt.pdf

    Lo disfrutarás, y encontrarás muchas respuestas, seguro
    saludos

  • #14

    Eugenio (lunes, 19 junio 2017 01:22)

    Muchísimas gracias a Canal de Ciencias. Quiero agradecer (o agradeceros) que decidieras (o decidierais), la involucración en esta fantástica aventura, a la que adoro desde hace años. Y mas aun, prestar vuestro apoyo y motivación a que continúe viva la llama de un conocimiento no apto ni alcanzable para tod@s.

  • #15

    canal de ciencias (lunes, 19 junio 2017 11:12)

    gracias a ti, Eugenio

  • #16

    Martin Lema (lunes, 09 octubre 2017 16:59)

    Tengo una sola palabra para describir este artículo= EXCELENTE !!!!!
    Muy claro y fácil de entender. FELICITACIONES.
    Yo soy profe de radiopropagación y antenas y les confieso que voy a tomar ideas de aquí para mis clases. Pocas veces se encuentra algo tan conceptual y con contenido de fondo.
    Un abrazo ,
    Martín

  • #17

    canal de ciencias (martes, 10 octubre 2017 00:57)

    Ohh, pues muchas gracias, Martín
    Saludos