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2014

¿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: 7
  • #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)

    Clean your bag with a damp cloth and allow it to dry completely. In order to clean the interior, gently pull the lining inside out and use a usual lint-toller to clean the dust.

  • #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.