Conceptos Esenciales de Física: Óptica, Electricidad y Energía Nuclear

Óptica: Lupa y Cámara Fotográfica

La Lupa

La lupa es un instrumento óptico cuya parte principal es una lente convergente que se emplea para obtener una visión ampliada de un objeto. Dicho objeto debe ser colocado dentro de la distancia focal de la lupa, la cual, generalmente suele ser corta. Como consecuencia, la lente genera una imagen mucho mayor que el objeto, virtual y detrás de la lupa. La imagen no es preciso proyectarla sobre una pantalla para poder verla, ya que es virtual y se ve a simple vista, mirando a través de la lupa. De hecho, la imagen no se puede proyectar sobre una pantalla, por su carácter virtual, ya que para poder proyectarse debería de ser una imagen real.

Imagen: (imagen, objeto, foco, f, f')

Se obtiene, por tanto, una imagen virtual, aumentada y derecha. Además, dentro de la distancia focal, cuanto más cerca esté el objeto del foco objeto, mayor será el tamaño de la imagen, en donde el aumento lateral sigue la expresión: m=s'/s. La gran mayoría de lupas tienen entre 5 y 25 aumentos.

La Cámara Fotográfica

Las cámaras fotográficas modernas funcionan con el principio básico de la cámara oscura. La luz, que penetra a través de un diminuto orificio o abertura en el interior de una caja opaca, proyecta una imagen sobre la superficie opuesta a la de la abertura. Si se le añade una lente, la imagen adquiere mayor nitidez y la película hace posible que esta última se fije. Si bien existen diferencias estructurales entre ellas, todas las cámaras modernas se componen de cinco elementos básicos: el cuerpo, el objetivo, el diafragma, el obturador y la película.

• El cuerpo: es la cavidad hermética y oscura donde se aloja la película, el diafragma y el obturador. Su función es impedir la entrada de luz para que la película no se vele.
• El objetivo: que se instala en la parte anterior del cuerpo, es en realidad un conjunto de lentes ópticas de cristal. Su función es enfocar el objeto de tal forma que la imagen quede sobre la película.
• El diafragma: abertura circular situada junto al objetivo, funciona en sincronía con el obturador. La función del diafragma es dejar pasar cierta cantidad de luz (a mayor abertura, más luz llega a la película).
• El obturador: es un dispositivo mecánico, dotado con un elemento elástico, que deja pasar la luz a la cámara durante el intervalo de exposición. La función del obturador es determinar cuánto tiempo va a pasar la luz que viene del diafragma.
• Las antiguas cámaras fotográficas llevaban una película, es decir, una estructura plástica que contiene nitrato de plata, sustancia que hace que sea sensible a la luz. La función de la película era registrar la luz que atraviesa todo el sistema óptico, es decir, registrar la imagen. Hoy en día las cámaras digitales usan el denominado CCD (“Charge-Coupled Device” o “Dispositivo de Carga Acoplada”), es decir, un sensor con diminutas células fotoeléctricas que registran la imagen.

Energía Nuclear: Fisión y Fusión

Fisión Nuclear

La reacción de fisión es una reacción nuclear que consiste en la división de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros. En el proceso se consiguen núcleos más estables (ya que tienen mayor energía de enlace por nucleón como consecuencia, también, del defecto de masa), y se libera energía.

Fórmula

Esta energía liberada se debe a la diferencia de masas entre los productos iniciales y finales de la reacción, es decir, la diferencia de masa se transforma en energía a través de la conocida ley de Einstein: E=∆m×c²

La energía de activación del proceso, es decir, la energía necesaria para comenzar la reacción en cadena del proceso de fisión, es relativamente baja, obteniendo, por lo tanto, mucha más energía que la que se consume para iniciar el proceso.

La aplicación más extendida del proceso de fisión es la central nuclear de fisión, es decir, una central eléctrica que mantiene controlada la reacción en cadena liberando energía y transformándola en energía eléctrica. Sin embargo, este tipo de centrales, aunque son energéticamente muy rentables (se obtiene mucha energía eléctrica), suscita gran polémica social debido a la cantidad de residuos radiactivos que genera, así como al peligro inherente de un posible accidente nuclear.

Otra aplicación de este proceso es la bomba atómica, en donde la reacción en cadena se deja libre, liberando una enorme cantidad de energía. La única diferencia sustancial entre una bomba nuclear y una central nuclear es que en la primera se deja libre la reacción en cadena, mientras que en la segunda dicha reacción permanece controlada.

Fusión Nuclear

El proceso de fusión plantea numerosos inconvenientes tecnológicos dada, entre otras cosas, la temperatura que se precisa para hacer posible el proceso. De hecho, a día de hoy, aún no se ha logrado obtener energía controlada por medio del proceso de fusión. Sin embargo, existen diferentes proyectos a nivel mundial que tienen como objetivo final desarrollar la tecnología necesaria para construir el primer generador de energía nuclear de fusión. Este objetivo es muy perseguido ya que:

• La reacción de fusión controlada genera, teóricamente, del orden de 4 veces más energía que la de fisión.
• La reacción nuclear de fusión no contamina tanto como la de fisión, eliminando además el peligro de los residuos radioactivos.
• La fusión precisa de deuterio y tritio, muy fáciles de conseguir, mientras que la fisión necesita como materia prima un elemento de difícil producción, como es el uranio enriquecido.

La única aplicación del proceso de fusión es la bomba de hidrógeno. Para iniciar la reacción en cadena es necesario un gran aporte de energía que permita subir mucho la temperatura, por lo que todas las bombas de fusión contienen un elemento iniciador de la reacción en cadena, que no es sino una “pequeña” bomba de fisión. Una vez alcanzada la temperatura necesaria comienza la reacción en cadena de fusión, la cual se deja libre, liberando enormes cantidades de energía.

Electromagnetismo: Ley de Faraday y Lenz

Entre los años 1831 y 1832, científicos como Faraday y Henry observaron en laboratorio los efectos que producían los imanes en los conductores eléctricos, experimentos que, hasta entonces, no tenían explicación. En todos ellos se observaba cómo, en determinadas condiciones, se creaba una corriente eléctrica en un conductor cuando se acercaba o alejaba un imán. A partir de estas experiencias se pudieron deducir las leyes de Faraday y Lenz.

La ley de Lenz justifica hacia dónde se dirige la corriente eléctrica inducida, mientras que la ley de Faraday nos da información para calcular cuál es su valor.

El enunciado de la ley de Lenz es:"Cuando varía el flujo magnético que atraviesa una bobina, esta reacciona de tal manera que se opone a esa variación. Dicha oposición consiste en generar un flujo magnético propio que vaya en contra de la variación de flujo magnético externo”. Es decir, si el flujo aumenta, la bobina lo disminuirá y si disminuye lo aumentará. Para conseguir estos efectos, por la bobina se generarán corrientes que, a su vez, crearán un flujo magnético que se oponga a la variación. Se dice que en la bobina se ha inducido una corriente eléctrica, y, por lo tanto, existe una fuerza electromotriz inducida.

Tal y como se ha dicho antes, la ley de Lenz solamente habla de la forma en que se comporta la bobina, pero no dice nada acerca de la magnitud de la corriente o de la fuerza electromotriz inducida. Para determinarla se recurre a la ley de Faraday, la cual determina el valor de la fuerza electromotriz inducida, y cuya expresión es:

ε=-N(dφ/dt)

Donde:

• ε=fuerza electromotriz inducida. Se mide en voltios (V).
• φ=es el flujo que atraviesa la bobina y se mide en webers (Wb).
• N=número de vueltas que da la bobina. Sin unidades.

En el siguiente ejemplo se aprecia el comportamiento de una bobina de una única vuelta que es atravesada por un campo magnético creciente B. Al atravesar la bobina, esta reacciona oponiéndose a dicho incremento de flujo magnético, con lo que se induce una corriente I en sentido horario que genera a su vez un campo magnético inducido B_i, opuesto a B.

Imagen

El Ojo Humano

De una forma muy general, el ojo humano se comporta como un sistema óptico con una lente convergente que forma imágenes reales invertidas sobre la retina.

Imagen: (iris, pupila, córnea, retina, cristalino, nervio óptico)

El proceso de visión sigue los siguientes pasos:

• La luz penetra en el ojo a través de la córnea. La córnea es una capa hemisférica y transparente localizada al frente del ojo que permite el paso de la luz y protege al iris y al cristalino.
• El iris es la membrana muscular coloreada que regula la cantidad de luz que entra en el ojo a través de la pupila.
• El sistema córnea-cristalino enfoca la luz sobre la retina. El cristalino es la lente convergente biológica de que dispone el ojo. El proceso de enfoque es diferente dependiendo de la posición a la cual se encuentre el objeto; el cristalino, en función de la posición del objeto, tiene que acomodarse modificando su curvatura para conseguir enfocar la imagen sobre la retina. A este proceso se le denomina “acomodación del ojo”. Dicho proceso no es infalible. De hecho, existe un punto, denominado “punto próximo” a partir del cual no se pueden enfocar objetos. Dicho de otra manera, el punto próximo es el lugar más cercano en el que puede estar un objeto para distinguirlo con nitidez. En un ojo humano normal, este punto se encuentra entre 15 y 20 cm.
• La retina es un tejido sensible a la luz situado en la superficie interior del ojo que registra la imagen y la envía al cerebro mediante el nervio óptico, en donde se interpreta.

Campo Gravitatorio: Líneas de Fuerza y Superficies Equipotenciales

Las superficies equipotenciales son aquellas en las que todos sus puntos tienen el mismo potencial gravitatorio. Por otro lado, las líneas de fuerza son líneas cuyas tangentes proporcionan la dirección del campo gravitatorio.

Un ejemplo de superficies equipotenciales y líneas de fuerza producidas por una masa es:

Dibujo: bola en el centro y líneas (rojas) hacia el centro con una flecha cada 4 rayas y 2 órbitas (azules)

Donde las líneas rojas son las líneas de fuerza radiales y van dirigidas hacia la masa, y las azules son las superficies equipotenciales, las cuales son superficies esféricas concéntricas.

Para el caso de dos masas se tendría una superposición de campos. El caso de dos masas idénticas se representa a continuación:

Dibujo: (2 masas y su interferencia)

Evidentemente, ambos términos se pueden enlazar obteniendo las siguientes propiedades:

• Las líneas de campo gravitatorio son, en cada punto, perpendiculares a las superficies equipotenciales y se dirigen hacia donde el potencial disminuye.
• El trabajo para desplazar una masa entre dos puntos de una misma superficie equipotencial es nulo.
• Dos superficies equipotenciales no se pueden cortar.

Fuerzas entre Corrientes Eléctricas

Si dos conductores eléctricos por los que circula corriente están próximos entre sí, se va a producir una fuerza, atractiva o repulsiva, entre ellos. Este hecho es consecuencia de dos efectos:

• Cada conductor genera un campo magnético en el otro conductor y, recíprocamente, sufre el campo magnético que genera el otro conductor.
• Al sufrir los efectos de un campo magnético, cada conductor experimenta una fuerza debido a que por él mismo circula una corriente eléctrica.

Para el caso de dos conductores paralelos e infinitos por los que circula una corriente I₁ e I₂, en el mismo sentido y que están separados una distancia “r”, el campo magnético que, por ejemplo, el conductor 1 genera en el conductor 2 es:

B₁=µ₀*I₁/2πr

Este campo magnético va a provocar una fuerza sobre el conductor 2, ya que por él circula una corriente, por lo tanto, según la expresión de la fuerza magnética para corrientes eléctricas, F_m= I (L x B), dicha fuerza es:

F_m2= I₂*L*B₁=µ₀*I₁*I₂*L/2πr

Dado que los conductores son infinitos, es mucho más útil obtener la fuerza por unidad de longitud, expresada en N/m. Además, la fuerza que experimenta el conductor 1 es igual y opuesta, con lo que la expresión anterior queda:

F_m1/L=F_m2/L=µ₀*I₁*I₂/2πr

Tal y como se ve en el dibujo, y atendiendo al producto vectorial que aparece en la expresión de la fuerza magnética, se observa que si las corrientes viajan en el mismo sentido las fuerzas son atractivas, y si viajan en sentidos opuestos las fuerzas son repulsivas.

IMAGEN

El Amperio

El Amperio (A) es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el Sistema Internacional de Unidades y fue nombrado en honor de André-Marie Ampère. Tradicionalmente se ha definido como la unidad de carga que atraviesa un conductor por segundo. Existe otra definición de Amperio relacionada con el efecto que producen dos corrientes paralelas. El amperio es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2*10^-7 N por metro de longitud.