La luz y los instrumentos ópticos

Estamos tan acostumbrados a oprimir un botón para obtener luz que nos cuesta imaginar cómo fue la vida de aquellas personas que no contaban con luz eléctrica. La palabra clave es “electricidad” gracias a su descubrimiento se generaron avances en la industria, la comunicación y la salud. A finales del siglo XIX se extendió la iluminación eléctrica en las casas y en las calles. Más confort en nuestros hogares… pero qué se sabe de la luz. La tecnología siguió avanzando y se crearon los instrumentos ópticos, como la lupa y el microscopio, con el objetivo de procesar las ondas de luz de un modo diferente y así poder ver objetos al detalle.

Un poco de historia

La primera fuente de iluminación que se utilizó fue el fuego y en función a él se construyeron diversos objetos. Las lámparas más antiguas que se tiene registro fueron empleadas en Egipto y consistían en piedras ahuecadas rellenas de aceite. Los griegos y romanos fabricaron lámparas de bronce o de arcilla y utilizaban como elemento de combustión aceite de oliva u otros aceites vegetales.

Las primeras velas fueron elaboradas por los fenicios hacia el 400 d. C., empleaban grasa animal para su fabricación. Durante el medievo se incrementó su utilización.

Sin embargo, el diseño de las lámparas continúo avanzando. Con el advenimiento de la industria del petróleo, el kerosén pasó a ser el elemento de combustión más utilizado en las lámparas.

La iluminación a gas llegó en 1795, cuando William Murdock, en Inglaterra, ideó una instalación de luz a gas para una fábrica. Rápidamente este sistema se extendió a las calles; las lámparas a gas no contaban con una mecha como las anteriores.

A finales del siglo XIX y principios del XX se fueron reemplazando las lámparas a gas por las eléctricas. En 1879, el estadounidense Thomas Edison y el inglés Joseph Swan llevaron a cabo independientemente la fabricación de la lámpara eléctrica incandescente (bombilla). Las de Edison tuvieron más éxito. Con el paso del tiempo han aparecido más variedad de lámparas y con un sistema de funcionamiento mejorado.

¿Qué es la luz?

La luz es una onda transversal y electromagnética porque se puede propagar en el vacío. Alcanza una velocidad máxima en el vacío de 3.108 m/s. En cualquier otro medio la velocidad de la luz es inferior. En el agua es de 225.000 Km/s, y en el vidrio de 200.000 Km/s.

La ciencia que estudia las principales formas de producir luz, así como su control y aplicaciones, se denomina luminotecnia.

Fuentes de iluminación

Hay cuerpos que producen y emiten su propia luz. Estos cuerpos reciben el nombre de fuentes luminosas y se los puede clasificar del siguiente modo:

Según el origen:

Fuentes naturales: por ejemplo, el Sol o un relámpago. Fuentes artificiales: por ejemplo, una linterna o una vela.

Según cómo se produce la emisión:

Fuentes incandescentes: son aquellas que emiten luz y calor al ambiente. Por ejemplo, el filamento de una lamparita.
Fuentes luminiscentes: son aquellas que emiten luz sin emitir calor al ambiente. Los tipos de fuentes luminiscentes que podemos encontrar son:

Triboluminiscencia: es la luz emitida por fricción. Cuando algunos cristales, como el azúcar, se trituran súbitamente, la fricción les hace emitir luz durante un breve instante.
Bioluminiscencia: se denomina así a la luz emitida por los seres vivos. Por ejemplo, insectos como las luciérnagas poseen compuestos químicos que liberan energía luminosa.
Fosforescencia: es la luz emitida gradualmente luego de su almacenamiento. Hay ciertas pinturas que brillan en la oscuridad, éstas absorben energía luminosa y la liberan lentamente. La energía luminoso se percibe en la oscuridad, un clásico ejemplo son las agujas del reloj.
Fluorescencia: es la rápida emisión de energía luminosa. Los tintes fluorescentes a menudo contienen productos químicos que absorben brevemente la luz ultravioleta y luego la emiten como luz visible.

Propagación de la luz

La luz emitida por una fuente luminosa es capaz de llegar hasta otros objetos e iluminarlos. Este recorrido de la luz, desde la fuente luminosa hasta los objetos, se denomina rayo luminoso.
Las características de la propagación de la luz son:

• La luz se propaga en línea recta. Por eso la luz deja de verse cuando se interpone un cuerpo entre el recorrido de la luz y la fuente luminosa.
• La luz se propaga en todas las direcciones. Esa es la razón por la cual el Sol ilumina todos los planetas del sistema solar.
• La luz se propaga a gran velocidad.

Existen dos propiedades de la luz que son comunes a todos los tipos de luz que existen:

• Reflexión: el rayo luminoso se refleja cuando llega a una superficie reflectante. Por ejemplo: Los espejos son capaces de reflejar la luz que reciben.
• Refracción: el rayo luminoso cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro. Por ejemplo, cuando el rayo de luz pasa del aire al agua.

Color y luz reflejada

El color que poseen los objetos no es una propiedad intrínseca de ellos, sino que se relaciona con la naturaleza de la luz que reciben. Un objeto absorbe gran parte de la luz que lo ilumina y refleja una parte más o menos pequeña.
Al iluminar un objeto con luz blanca, veremos el objeto del color que éste más refleja. Es decir, si en este momento estamos viendo un objeto azul, es porque absorbe todos los colores menos el azul, que lo refleja.

¿Y qué pasa con los objetos blancos? ¿Qué reflejan?
Newton descubrió que al hacer girar rápidamente un disco pintado con diferentes colores, éste se veía blanco. Gracias a la experiencia de Newton se concluyó que el blanco es el producto de la superposición de varios colores, es decir, los objetos blancos reflejan todos los colores y como consecuencia se ven blancos.

¿Qué colores reflejan los objetos negros?
Los objetos negros absorben todos los colores y no reflejan ninguno. Por eso se ven negros.

Instrumentos ópticos

Los instrumentos ópticos sirven para procesar ondas de luz con el objetivo de mejorar una imagen para su visualización. A continuación vamos a ver las características de algunos instrumentos ópticos:

Prismático
Los prismáticos, comúnmente denominados binoculares, largavistas o catalejos, cumplen la función de agrandar los objetos lejanos. A diferencia del telescopio, los prismáticos tienen dos tubos en vez de uno, esto permite estimar mejor las distancias. La ampliación se logra cuando la luz atraviesa cada serie de lentes.

Lupa
Las lupas se conocen también con el nombre de microscopio simple, cuentan con una lente biconvexa (por lo tanto, convergente) de distancia focal pequeña, que se emplea para observar cosas situadas entre el foco y la lente. La imagen que se obtiene es virtual y de mayor tamaño que el objeto.

Las lupas utilizadas en la práctica tienen una distancia focal que va desde 5 mm hasta 5 cm.

Telescopio óptico
Existen dos tipos de telescopios ópticos: los refractores (anteojos astronómicos) y los reflectores. En los primeros los rayos de luz se refractan al atravesar el objetivo y forman una imagen en el plano focal. Esta imagen se mira a través de un ocular, que la amplía y mejora gracias a diversas lentes correctoras.

En los telescopios reflectores del tipo Newton los rayos de luz que penetran en el telescopio e inciden sobre un espejo cóncavo en el que se forma una imagen que se refleja sobre otro espejo auxiliar plano, colocado oblicuamente. La imagen formada sobre este segundo espejo se observa con una lente (ocular) que la amplía y mejora.

Microscopio óptico
El máximo de aumento que se puede conseguir con los microscopios ópticos es de 2.000 aumentos. Funciona cuando la luz procedente del objeto iluminado penetra en el objetivo. Éste actúa como una lupa, dando una imagen muy ampliada del objeto. La imagen se puede examinar a través del ocular, que de nuevo la amplía. El aumento final conseguido es el producto de los aumentos del objetivo por los del ocular.

Microscopio electrónico
Los microscopios electrónicos poseen una capacidad de hasta un millón de aumentos, incluso se ha logrado ver átomos individuales. Las imágenes logradas con este tipo de microscopios son en blanco y negro; generalmente son coloreadas posteriormente para contrastar mejor los detalles.

Este tipo de microscopios no cuenta con lentes de cristal, sino con electroimanes que dirigen un haz de electrones por una cavidad en la que se ha hecho el vacío. Los electrones inciden sobre una muestra cuya superficie se ha metalizado previamente.

Cámara fotográfica analógica
Las cámaras fotográficas emplean un sistema óptico para la representación de objetos exteriores sobre una placa o una película fotográfica. Básicamente las cámaras son una caja negra que cuentan con un agujero (diafragma) por el que entra la luz reflejada del objeto o paisaje que deseamos fotografiar. Luego, por medio de un proceso químico casi instantáneo, la imagen queda plasmada en el negativo o película. Los haluros de plata del negativo reaccionan a la luz formando diminutos puntitos. Las zonas que reciben más luz aparecen más oscuras pues se ha formado un mayor número de cristales, mientras que las más blancas son las menos impresionadas.

Este proceso da como resultado una imagen negativa, es decir, con los colores invertidos. Debe ser positivada mediante el revelado para obtener la copia final con los colores originales.

Cámara fotográfica digital
Las cámaras digitales en lugar de tener una película, cuentan con un sensor CCD (Changed Couple Device o dispositivo de transparencia de carga). Este censor es un chip sensible a la luz, electrónico y con una superficie fotosensible que
reacciona a la luz. Las imágenes capturadas se guardan en formato digital en un dispositivo de almacenamiento, normalmente una tarjeta de memoria que se conecta posteriormente al ordenador.