Fundamentos de Ondas, Óptica y Electromagnetismo: Conceptos Clave de Física

Conceptos Fundamentales de Física

Movimiento Ondulatorio y Tipos de Ondas

El Movimiento Ondulatorio es la propagación de un movimiento vibratorio a través de un medio, con transporte de energía, pero no de masa.

• Onda Transversal: La perturbación tiene lugar en la dirección perpendicular a la dirección de propagación de la onda.
• Ondas Longitudinales: Transmiten la perturbación en la misma dirección en la que se propaga.
• Ondas Materiales: Aquellas que se desplazan a través de un medio material.
• Ondas Electromagnéticas: Aquellas que no necesitan un medio para propagarse.

Parámetros Ondulatorios

Según el número de dimensiones, las ondas pueden ser unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales. En las ondas bi y tridimensionales existen los siguientes conceptos:

• Frente de Onda: Puntos que en un instante dado están en un mismo estado de vibración.
• Rayo: Dirección en la que se propagan las ondas.
• Longitud de Onda (λ): Es la distancia mínima entre dos puntos en el mismo estado de vibración.
• Período (T): Tiempo que tarda un punto del medio en dar una oscilación completa.
• Frecuencia (f): Es el número de veces que se repite la misma situación física en la unidad de tiempo.

Propagación y Disipación de Energía

• Atenuación: La amplitud del movimiento ondulatorio es inversamente proporcional a la distancia. Al aumentar la distancia, las partículas vibran con menor energía, ya que la misma energía se reparte en cada frente de onda.
• Absorción: La energía se disipa a medida que aumenta el radio (r) en un mayor número de partículas.

Principio de Huygens

Todo punto de un frente de ondas se considera un emisor de ondas elementales cuya envolvente (tangente a ellas) es concéntrica con el primer frente de ondas.

Fenómenos Ondulatorios

El ángulo de incidencia es igual al de reflexión.

Reflexión

Es el cambio de dirección de propagación o de sentido que una onda experimenta cuando llega a la superficie de separación de dos medios.

• Los rayos incidentes, los reflejados y la normal están en el mismo plano.
• El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

Refracción

Cambio de dirección de propagación que una onda experimenta cuando pasa de un medio a otro.

• El ángulo que forma el rayo incidente con la normal a la superficie de separación de los dos medios es el ángulo de incidencia (i).
• El ángulo que forma la normal con el rayo refractado es el ángulo de refracción (r).
• El rayo incidente, la normal y el rayo refractado están en el mismo plano.
• Ley de Snell: sen i / sen r = v₁ / v₂
• Índice de Refracción (n): Relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio.
• Ángulo Límite: Ocurre cuando el rayo refractado es perpendicular a la normal (r = 90°).

Interferencias

Se denomina a la superposición de dos o más ondas en un punto (Principio de Superposición de Ondas), donde las ondas superponen sus efectos. Hay dos tipos:

• Constructivas: (x₂ - x₁ = nλ)
• Destructivas: (x₂ - x₁ = ½(2n+1)λ)

Difracción

Fenómeno por el cual el frente de ondas rodea al obstáculo o pasa por una rendija.

Inducción Electromagnética

Leyes de Faraday y Henry

Se produce una Fuerza Electromotriz (FEM) inducida al:

• Abrir o cerrar el interruptor.
• Variar la superficie de la espira.
• Hacer girar la bobina dentro de un campo magnético.

Ley de Lenz y Faraday

La Ley de Lenz nos da el sentido de la corriente inducida, mientras que la Ley de Faraday nos da el valor de la corriente inducida.

• El sentido de la corriente inducida siempre se opone a la variación de flujo.
• Cuando hay variación de flujo en un circuito, se crea una fuerza inducida igual a la velocidad de variación del flujo magnético (ΛΦ).

Autoinducción

Creación de corriente en un circuito por variación de su propio flujo, lo que genera una corriente autoinducida.

Generadores

Al hacer girar una bobina de superficie constante dentro de un campo magnético, se crea:

• Un Alternador (genera corriente alterna).
• Una Dinamo (genera corriente continua).