Fisica III

UNIDAD 8

8.1         Unidades. Velocidad de Transferencia de datos. Formula.

Una barra de vidrio de una longitud de 1m y de un diámetro de 10cm. permite obtener por estiramiento una fibra monomodo de una longitud de alrededor de 150km.

Se mide el espesor de la fibra (~10um) para dominar la velocidad del motor del enrollador, a fin de asegurar un diámetro constante.

8.2         Banda Ancha. Frecuencia. Longitud de onda.

Banda Ancha

Los sistemas modernos de cable usan cables coaxiales y de fibra óptica de forma simultánea para transmitir. Son los llamados sistemas híbridos fibra óptica/coaxial. Como medio de transmisión, la fibra óptica tiene muchas ventajas sobre el cable coaxial. Tiene más ancho de banda, es más inmune al ruido, y atenúa las señales mucho menos que el coaxial. Y sin embargo, la fibra no es significativamente más cara que el coaxial ¿por qué no construimos toda la red con fibra? Las conexiones y los puntos finales de banda ancha de las redes de fibra óptica son muchos más caros que con coaxial. Las fuentes ópticas y receptores que envían y reciben señales eléctricas en la red de fibra aumentan de forma alarmante los costos sin contar el costo de los procesos de conexión.

El resultado es que mientras la fibra puede ser económicamente efectiva para largas comunicaciones punto a punto, el coaxial es más barato cuando hay muchas ramas y conexiones en la red. Los sistemas HFC usan la fibra en este sentido. Las partes troncales de la red, donde hay largas distancias de cable con pocas ramificaciones, están reemplazadas con fibra y el circuito de distribución con toda su ramificación hacia vecindarios es un sistema coaxial. El punto en donde la fibra encuentra al circuito de distribución coaxial se llama nodo de vecindario e implica un transmisor óptico ( y un receptor para sistemas bidireccionales ). Ya que las redes son más baratas de construir, pueden transportar más ancho de banda, y son más fiables y de mejor calidad que las redes todo coaxial, es la arquitectura adoptada para construir las nuevas redes de cable. La figura muestra el diagrama de un sistema de red híbrida fibra óptica/cable coaxial. 

Frecuencia

Estos cables permiten alcanzar frecuencias de hasta 10 giga hercios o 10 mil millones de ciclos por segundo. Desafortunadamente, estos cables coaxiales eran relativamente caros para cubrir distancias largas y los sistemas de microondas por tierra y satélite, que funcionan a frecuencias de hasta 40 giga hercios, empezaban a alcanzar su límite práctico en lo que se refiere a su capacidad de transmisión de información por canal.

8.3         Red de comunicaciones. Fibra Óptica.

Red de Comunicaciones

Una aplicación cada vez más extendida de la fibra óptica son las redes de área local, comúnmente abreviadas LAN, del idioma inglés Local Area Network. Las redes de área local están formadas por un conjunto de computadoras que pueden compartir datos, aplicaciones y recursos, por ejemplo impresoras. Las computadoras de una red de área local están separadas por distancias de hasta unos pocos kilómetros, y suelen usarse en oficinas o campus universitarios. Una LAN permite la transferencia rápida y eficaz de información entre un grupo de usuarios y reduce los costes de explotación. Este sistema aumenta el rendimiento de los equipos y permite fácilmente la incorporación a la red de nuevos usuarios. El desarrollo de nuevos componentes electroópticos y de óptica integrada aumentará aún más la capacidad de los sistemas de fibra.

Otros recursos informáticos conectados son las redes de área amplia o redes WAN y las centralitas particulares (PBX). Las WAN son similares a las LAN, pero conectan entre sí computadoras separadas por distancias mayores, situadas en distintos lugares de un país o en diferentes países. Emplean equipos físicos especializados y costosos. Las PBX proporcionan conexiones informáticas continuas para la transferencia de datos especializados como transmisiones telefónicas, pero no resultan adecuadas para emitir y recibir los picos de datos de corta duración empleados por la mayoría de las aplicaciones informáticas.

Transmisión de Datos

SuperCable: es una empresa transnacional de servicios de telecomunicaciones en voz, video y data que ha ofrecido televisión por cable en Venezuela desde comienzo de los años 90. Con su tecnología de transmisión de datos en fibra óptica, comunicaciones digitales y compresión de datos, se encuentra en capacidad de incursionar en el vasto mercado de las telecomunicaciones.

La totalidad de la red de SuperCable es de fibra óptica que permite la transmisión de banda ancha. El sector de Banda ancha de Motorola, empresa líder a nivel global en soluciones integrales de comunicaciones y soluciones embebidas, es el socio tecnológico de Supercable en el desarrollo de su sistema de televisión por cable, el que será transformado en un paquete de servicios interactivos en los próximos años.

Fibras Conductoras de Luz

La aplicación más característica de los cables de fibra óptica para la transmisión de luz se da en el campo de la medicina; específicamente, en la iluminación de instrumentos como los endoscopios, destinados al examen visual de cavidades o conductos internos del organismo. Los haces dé fibra óptica constituyen, en este caso, sistemas flexibles. Su principal ventaja es la posibilidad de hacer llegar la luz hasta el punto deseado, sin que ello implique una aportación de calor.

Fibras Conductoras de Imágenes

Para la transmisión de imágenes las fibras del haz han de aparecer ordenadas, no simplemente yuxtapuestas, como sucede en el caso de la conducción de la luz. Efectivamente, si la posición relativa de las fibras es idéntica en los dos extremos del haz, resulta posible que la imagen formada en el primer extremo se propague hacia el final del sistema, con un grado de nitidez que viene determinado por el diámetro de cada fibra individual. La longitud habitual de estos conjuntos ordenados de haces, también flexibles, oscila entre 50cm. y 1m de longitud.

Fibras Conductoras de Informacion

A mediados de los años sesenta del siglo XX comenzó a pensarse en la posibilidad de transmitir a gran distancia la luz modulada por señales, utilizando para ello fibras ópticas. No obstante, los primeros resultados en este nuevo ámbito de experimentación se produjeron ya en la década siguiente, gracias a la obtención de fibras con un elevado grado de transparencia, que determinaran pérdidas suficientemente pequeñas. En un principio, el sistema se utilizó para transmisiones entre puntos cercanos —dentro, por ejemplo, de una aeronave—. Sucesivos avances en este campo dejaron patente, á comienzos de los ochenta, la posibilidad cercana de sustituir el cableado coaxial por cables de fibra óptica. La reducción de las dimensiones y el peso del sistema, además de una mayor insensibilidad a las perturbaciones derivadas de eventuales campos magnéticos, se revelaron pronto como las principales ventajas de esta sustitución.

Asimismo, la introducción de cables de fibra óptica permitía un considerable ahorro de cobre y aseguraba, sin necesidad de recurrir a amplificaciones intermedias, un alcance muy superior al obtenido con los pares coaxiales.

Conexiones Telefonicas

La introducción de cables de fibra óptica en las conexiones telefónicas, donde la señal ya no está constituida por una corriente eléctrica, sino por una onda luminosa, ofrece la posibilidad de transmitir impulsos en cantidad y calidad decididamente mayor, además de a una velocidad más elevada. El proceso requiere la instalación de una amplia red de fibras ópticas. Este proyecto, hoy en vías de realización, lleva el nombre de cableado y constituye un paso importante que cambiará sensiblemente los hábitos y costumbres del hombre, ahora en el centro de la revolución telemática.

La Televisión por Cable y las autopistas de Información

En ambos campos, la tecnología de la fibra óptica ofrece interesantes posibilidades. La televisión por cable implica un cambio en la forma de transmisión de la señal, que, en lugar de propagarse a distancia, circula por cables. En un principio, se emplearon pequeños cables coaxiales normales, análogos a los utilizados para la telefonía; hoy, en cambio, se utilizan cables de fibra óptica que permiten una transmisión más rápida.

Asimismo, las autopistas de la información son posibles gracias a la sustitución del tradicional hilo metálico por los cables de fibra óptica. En este tipo de conexión, las señales circulan en forma digital, formadas esencialmente por secuencias de ceros y unos que sustituyen a las anteriores señales de tipo analógico.

Escrito por ery291 el 08/05/2007 14:20 | Comentarios (0)

UNIDAD 7

7.1           Tecnología. Conceptos Básicos.

Concepto de Fibra Óptica

Los circuitos de fibra óptica son filamentos de vidrio (compuestos de cristales naturales) o plástico (cristales artificiales), del espesor de un pelo (entre 10 y 300 micrones). Llevan mensajes en forma de haces de luz que realmente pasan a través de ellos de un extremo a otro, donde quiera que el filamento vaya (incluyendo curvas y esquinas) sin interrupción.

Físicamente un cable de fibra óptica esta constituido por un núcleo formado por una o varias fibras o hebras muy finas de cristal o plástico; un revestimiento de cristal o plástico con propiedades ópticas diferentes a las del núcleo, cada fibra viene rodeada de su propio revestimiento y una cubierta plástica para protegerla de humedades y el entorno.

 En el cable de fibra óptica las señales que se transportan son señales digitales de datos en forma de pulsos modulados de luz. Esta es una forma relativamente segura de enviar datos debido a que, a diferencia de los cables de cobre que llevan los datos en forma de señales electrónicas, los cables de fibra óptica transportan impulsos no eléctricos. Esto significa que el cable de fibra óptica no se puede pinchar y sus datos no se pueden robar.

7.2           El Transmisor Óptico. El Receptor Óptico. Sensibilidad del Receptor. Foto detección.

Composición del cable de fibra óptica

Una fibra óptica consta de un cilindro de vidrio extremadamente delgado, denominado núcleo, recubierto por una capa de vidrio concéntrica, conocida como revestimiento. Las fibras a veces son de plástico. El plástico es más fácil de instalar, pero no puede llevar los pulsos de luz a distancias tan grandes como el vidrio.

Debido a que los hilos de vidrio pasan las señales en una sola dirección, un cable consta de dos hilos en envolturas separadas. Un hilo transmite y el otro recibe. Una capa de plástico de refuerzo alrededor de cada hilo de vidrio y las fibras Kevlar ofrece solidez. En el conector de fibra óptica, las fibras de Kevlar se colocan entre los dos cables. Al igual que sus homólogos (par trenzado y coaxial), los cables de fibra óptica se encierran en un revestimiento de plástico para su protección.

Fabricación de la Fibra Óptica

 Las imágenes aquí muestran como se fabrica la fibra monomodo. Cada etapa de fabricación esta ilustrada por una corta secuencia filmada.

La primera etapa consiste en el ensamblado de un tubo y de una barra de vidrio cilíndrico montados concéntricamente. Se calienta el todo para asegurar la homogeneidad de la barra de vidrio.

Una barra de vidrio de una longitud de 1 m y de un diámetro de 10 cm permite obtener por estiramiento una fibra monomodo de una longitud de alrededor de 150 km.

La barra así obtenida será instalada verticalmente en una torre situada en el primer piso y calentada por las rampas a gas. 

El vidrio se va a estirar y "colar" en dirección de la raiz para ser enrollado sobre una bobina. 

Se mide el espesor de la fibra (~10um) para dominar la velocidad del motor del enrollador, a fin de asegurar un diámetro constante.
  Cada bobina de fibra hace el objeto de un control de calidad efectuado al microscopio.

Después se va a envolver el vidrio con un revestimiento de protección (~230 um) y ensamblar las fibras para obtener el cable final a una o varias hebras.

De qué están hechas las Fibras Ópticas ?

La mayoría de las fibras ópticas se hacen de arena o sílice, materia prima abundante en comparación con el cobre, con unos kilogramos de vidrio pueden fabricarse aproximadamente 43 kilómetros de fibra óptica. Los dos constituyentes esenciales de las fibras ópticas son el núcleo y el revestimiento. El núcleo es la parte más interna de la fibra y es la que guía la luz.

Consiste en una o varias hebras delgadas de vidrio o de plástico con diámetro de 50 a 125 micras. El revestimiento es la parte que rodea y protege al núcleo. 

El conjunto de núcleo y revestimiento está a su vez rodeado por un forro o funda de plástico u otros materiales que lo resguardan contra la humedad, el aplastamiento, los roedores, y otros riesgos del entorno.

Cómo funciona la Fibra Óptica?

En un sistema de transmisión por fibra óptica existe un transmisor que se encarga de transformar las ondas electromagnéticas en energía óptica o en luminosa, por ello se le considera el componente activo de este proceso. Una vez que es transmitida la señal luminosa por las minúsculas fibras, en otro extremo del circuito se encuentra un tercer componente al que se le denomina detector óptico o receptor, cuya misión consiste en transformar la señal luminosa en energía electromagnética, similar a la señal original. El sistema básico de transmisión se compone en este orden, de señal de entrada, amplificador, fuente de luz, corrector óptico, línea de fibra óptica (primer tramo ), empalme, línea de fibra óptica (segundo tramo), corrector óptico, receptor, amplificador y señal de salida.

7.3           Tipos Básicos de Fibra Óptica.

Componentes de la Fibra Óptica

El Núcleo: En sílice, cuarzo fundido o plástico - en el cual se propagan las ondas ópticas. Diámetro: 50 o 62,5 um para la fibra multimodo y 9um para la fibra monomodo.

La Funda Óptica: Generalmente de los mismos materiales que el núcleo pero con aditivos que confinan las ondas ópticas en el núcleo.

El revestimiento de protección: por lo general esta fabricado en plástico y asegura la protección mecánica de la fibra.

Tipos de Fibra Óptica:

Fibra Monomodo: 

Potencialmente, esta es la fibra que ofrece la mayor capacidad de transporte de información. Tiene una banda de paso del orden de los 100 GHz/km. Los mayores flujos se consiguen con esta fibra, pero también es la más compleja de implantar. El dibujo muestra que sólo pueden ser transmitidos los rayos que tienen una trayectoria que sigue el eje de la fibra, por lo que se ha ganado el nombre de "monomodo" (modo de propagación, o camino del haz luminoso, único). Son fibras que tienen el diámetro del núcleo en el mismo orden de magnitud que la longitud de onda de las señales ópticas que transmiten, es decir, de unos 5 a 8 m m. Si el núcleo está constituido de un material cuyo índice de refracción es muy diferente al de la cubierta, entonces se habla de fibras monomodo de índice escalonado. Los elevados flujos que se pueden alcanzar constituyen la principal ventaja de las fibras monomodo.

Fibra Multimodo de Índice Gradiante Gradual: 

Las fibras multimodo de índice de gradiente gradual tienen una banda de paso que llega hasta los 500MHz por kilómetro. Su principio se basa en que el índice de refracción en el interior del núcleo no es único y decrece cuando se desplaza del núcleo hacia la cubierta. Los rayos luminosos se encuentran enfocados hacia el eje de la fibra, como se puede ver en el dibujo. Estas fibras permiten reducir la dispersión entre los diferentes modos de propagación a través del núcleo de la fibra.

La fibra multimodo de índice de gradiente gradual de tamaño 62,5/125 m (diámetro del núcleo/diámetro de la cubierta) está normalizado, pero se pueden encontrar otros tipos de fibras:

Multimodo de índice escalonado 100/140 mm.

Multimodo de índice de gradiente gradual 50/125 m m.

Fibra Multimodo de índice escalonado:

Las fibras multimodo de índice escalonado están fabricadas a base de vidrio, con una atenuación de 30 dB/km, o plástico, con una atenuación de 100 dB/km. Tienen una banda de paso que llega hasta los 40 MHz por kilómetro. En estas fibras, el núcleo está constituido por un material uniforme cuyo índice de refracción es claramente superior al de la cubierta que lo rodea. El paso desde el núcleo hasta la cubierta conlleva por tanto una variación brutal del índice, de ahí su nombre de índice escalonado.

7.4           Construcción. La doble refracción. Estados de Polarizaciòn.

Qué tipo de conectores usa ?

Con la Fibra Óptica se puede usar Acopladores y Conectores:

Acopladores:
Un acoplador es básicamente la transición mecánica necesaria para poder dar continuidad al paso de luz del extremo conectorizado de un cable de fibra óptica a otro. Pueden ser provistos también acopladores de tipo "Híbridos", que permiten acoplar dos diseños distintos de conector, uno de cada lado, condicionado a la coincidencia del perfil del pulido.

Conectores:
1.- Se recomienda el conector 568SC pues este mantiene la polaridad. La posición correspondiente a los dos conectores del 568SC en su adaptador, se denominan como A y B. Esto ayuda a mantener la polaridad correcta en el sistema de cableado y permite al adaptador a implementar polaridad inversa acertada de pares entre los conectores.

2.- Sistemas con conectores BFOC/2.5 y adaptadores (Tipo ST) instalados pueden seguir siendo utilizados en plataformas actuales y futuras.

Identificación: Conectores y adaptadores Multimodo se representan por el color marfil Conectores y adaptadores Monomodo se representan por el color azul.

Para la terminación de una fibra óptica es necesario utilizar conectores o empalmar Pigtails (cables armados con conector) por medio de fusión. Para el caso de conectorización se encuentran distintos tipos de conectores dependiendo el uso y l normativa mundial usada y sus características.

ST conector de Fibra para Monomodo o Multimodo con uso habitual en Redes de Datos y equipos de Networking locales en forma Multimodo.

FC conector de Fibra Óptica para Monomodo o Multimodo con uso habitual en telefonía y CATV en formato Monomodo y Monomodo Angular.-

SC conector de Fibra óptica para Monomodo y Multimodo con uso habitual en telefonía en formato monomodo.

CARACTERÍSTICAS DE LA FIBRA ÓPTICA

Características Generales:

Coberturas más resistentes:

La cubierta especial es extruida a alta presión directamente sobre el mismo núcleo del cable, resultando en que la superficie interna de la cubierta del cable tenga arista helicoidales que se aseguran con los subcables.

La cubierta contiene 25% más material que las cubiertas convencionales.

Características Técnicas:

La fibra es un medio de transmisión de información analógica o digital. Las ondas electromagnéticas viajan en el espacio a la velocidad de la luz.

Básicamente, la fibra óptica está compuesta por una región cilíndrica, por la cual se efectúa la propagación, denominada núcleo y de una zona externa al núcleo y coaxial con él, totalmente necesaria para que se produzca el mecanismo de propagación, y que se denomina envoltura o revestimiento.

La capacidad de transmisión de información que tiene una fibra óptica depende de tres características fundamentales:

  a) Del diseño geométrico de la fibra.

b) De las propiedades de los materiales empleados en su elaboración. (diseño óptico)

c) De la anchura espectral de la fuente de luz utilizada. Cuanto mayor sea esta anchura, menor será la capacidad de transmisión de información de esa fibra.

Presenta dimensiones más reducidas que los medios preexistentes. Un cable de 10 fibras tiene un diámetro aproximado de 8 o 10 mm. y proporciona la misma o más información que un coaxial de 10 tubos.

El peso del cable de fibras ópticas es muy inferior al de los cables metálicos, redundando en su facilidad de instalación.

El sílice tiene un amplio margen de funcionamiento en lo referente a temperatura, pues funde a 600C. La F.O. presenta un funcionamiento uniforme desde -550 C a +125C sin degradación de sus características.

Características Mecánicas:

La F.O. como elemento resistente dispuesto en el interior de un cable formado por agregación de varias de ellas, no tiene características adecuadas de tracción que permitan su utilización directa.

Por otra parte, en la mayoría de los casos las instalaciones se encuentran a la intemperie o en ambientes agresivos que pueden afectar al núcleo.

La investigación sobre componentes opto electrónicos y fibras ópticas han traído consigo un sensible aumento de la calidad de funcionamiento de los sistemas. Es necesario disponer de cubiertas y protecciones de calidad capaces de proteger a la fibra. Para alcanzar tal objetivo hay que tener en cuenta su sensibilidad a la curvatura y micro curvatura, la resistencia mecánica y las características de envejecimiento.

Las micro curvaturas y tensiones se determinan por medio de los ensayos de: 

Tensión: cuando se estira o contrae el cable se pueden causar fuerzas que rebasen el porcentaje de elasticidad de la fibra óptica y se rompa o formen micro curvaturas.

Compresión: es el esfuerzo transversal.

Telefonía

Con motivo de la normalización de interfaces existentes, se dispone de los sistemas de transmisión por fibra óptica para los niveles de la red de telecomunicaciones públicas en una amplia aplicación, contrariamente para sistemas de la red de abonado (línea de abonado), hay ante todo una serie de consideraciones.

Para la conexión de un teléfono es completamente suficiente con los conductores de cobre existentes. Precisamente con la implantación de los servicios en banda ancha como la videoconferencia, la videotelefonía, etc, la fibra óptica se hará imprescindible para el abonado. Con el BIGFON (red urbana integrada de telecomunicaciones en banda ancha por fibra óptica) se han recopilado amplias experiencias en este aspecto. Según la estrategia elaborada, los servicios de banda ancha posteriormente se ampliarán con los servicios de distribución de radio y de televisión en una red de telecomunicaciones integrada en banda ancha (IBFN).

Otras aplicaciones:

Las fibras ópticas también se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios. Su potencial de aplicación en este campo casi no tiene límites, porque la luz transmitida a través de las fibras es sensible a numerosos cambios ambientales, entre ellos la presión, las ondas de sonido y la deformación, además del calor y el movimiento. Las fibras pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso. También se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales.

La aplicación más sencilla de las fibras ópticas es la transmisión de luz a lugares que serían difíciles de iluminar de otro modo, como la cavidad perforada por la turbina de un dentista. También pueden emplearse para transmitir imágenes; en este caso se utilizan haces de varios miles de fibras muy finas, situadas exactamente una al lado de la otra y ópticamente pulidas en sus extremos. Cada punto de la imagen proyectada sobre un extremo del haz se reproduce en el otro extremo, con lo que se reconstruye la imagen, que puede ser observada a través de una lupa. La transmisión de imágenes se utiliza mucho en instrumentos médicos para examinar el interior del cuerpo humano y para efectuar cirugía con láser, en sistemas de reproducción mediante facsímil y fotocomposición, en gráficos de ordenador o computadora y en muchas otras aplicaciones.

Escrito por ery291 el 08/05/2007 14:19 | Comentarios (5)

UNIDAD 6

6.1           Propagación de las ondas ópticas en el cable de Fibra Óptica.

Las diferentes trayectorias que puede seguir un haz de luz en el interior de una fibra se denominan modos de propagación. Y según el modo de propagación tendremos dos tipos de fibra óptica: multimodo y monomodo.

Fibra multimodo

Una fibra multimodo es una fibra que puede propagar más de un modo de luz. Una fibra multimodo puede tener más de mil modos de propagación de luz. Las fibras multimodo se usan comúnmente en aplicaciones de corta distancia, menores a 1 km. Simple de diseñar y económico. Su distancia máxima es de 2 Km. y usa cañón láser de baja intensidad.

El núcleo de una fibra multimodo tiene un índice de refracción inferior, pero del mismo orden de magnitud, que el revestimiento. Debido al gran tamaño del núcleo de una fibra multimodo, es más fácil de conectar y tiene una mayor tolerancia a componentes de menor precisión.

Dependiendo el tipo de índice de refracción del núcleo, tenemos dos tipos de fibra multimodo:

•        Salto de índice: en este tipo de fibra, el núcleo tiene un índice de refracción constante en toda la sección cilíndrica.

•        Índice gradual: mientras en este tipo, el índice de refracción no es constante.

Fibra monomodo

Una fibra monomodo es una fibra óptica en la que sólo se propaga un modo de luz. Se logra reduciendo el diámetro del núcleo de la fibra hasta un tamaño que sólo permite un modo de propagación. Su distancia máxima es de 3 Km. y usa hub con cañón láser de alta intensidad.

6.2           Historia. Definición. Conceptos

Historia

La Historia de la comunicación por la fibra óptica es relativamente corta. En 1977, se instaló un sistema de prueba en Inglaterra; dos años después, se producían ya cantidades importantes de pedidos de este material.

En 1959, como derivación de los estudios en física enfocados a la óptica, se descubrió una nueva utilización de la luz, a la que se denominó rayo láser, que fue aplicado a las telecomunicaciones con el fin que los mensajes se transmitieran a velocidades muy rápidas y con amplia cobertura.

Sin embargo esta utilización del láser era muy limitada debido a que no existían los conductos y canales adecuados para hacer viajar las ondas electromagnéticas provocadas por la lluvia de fotones originados en la fuente denominada láser.

Fue entonces cuando los científicos y técnicos especializados en óptica dirigieron sus esfuerzos a la producción de un ducto o canal, conocido hoy como la fibra óptica. En 1966 surgió la propuesta de utilizar una guía óptica para la comunicación.

En poco más de 10 años la fibra óptica se ha convertido en una de las tecnologías más avanzadas que se utilizan como medio de transmisión de información. Este novedoso material vino a revolucionar los procesos de las telecomunicaciones en todos los sentidos, desde lograr una mayor velocidad en la transmisión y disminuir casi en su totalidad los ruidos y las interferencias hasta multiplicar las formas de envío en comunicaciones y recepción por vía telefónica.

Definición - Conceptos

Una fibra óptica se puede definir como fibra o varilla de vidrio u otro material transparente con un índice de refracción alto que se emplea para transmitir luz. Cuando la luz entra por uno de los extremos de la fibra, se transmite con muy pocas pérdidas incluso aunque la fibra esté curvada.

La fibra óptica son filamentos de vidrio de alta pureza extremadamente compactos, el grosor de una fibra es similar a la de un cabello humano. Fabricadas a alta temperatura con base en silicio, su proceso de elaboración es controlado por medio de computadoras, entre sus principales características se puede mencionar que son compactas, ligeras, con bajas pérdidas de señal, amplia capacidad de transmisión y un alto grado de confiabilidad debido a que son inmunes a las interferencias electromagnéticas de radio-frecuencia.

Originalmente, la fibra óptica fue propuesta como medio de transmisión debido a su enorme ancho de banda; sin embargo, con el tiempo se ha planteado para un amplio rango de aplicaciones además de la telefonía, automatización industrial, computación, sistemas de televisión por cable y transmisión de información de imágenes astronómicas de alta resolución entre otros 

6.3           Ventajas. Costos.

Ventajas De La Fibra Óptica

•   Su ancho de banda es muy grande, hay sistemas de multiplexación que permiten enviar 32 haces de luz a una velocidad de 10Gb/s cada uno por una misma fibra, dando lugar a una velocidad total de 320Gb/s.

•   Su atenuación es muy baja.

•   Es inmune al ruido electromagnético

•   La materia prima con la que se fabrica es abundante

•   Es ligera en comparación con cableado eléctrico tradicional, aproximadamente un orden de magnitud

Capacidad de transmisión:

§        La idea de que la velocidad de transmisión depende principalmente del medio utilizado, se conservo hasta la llegada de las fibras ópticas, ya que ellas pueden transmitir a velocidades mucho más altas de lo que los emisores y transmisores actuales lo permiten, por lo tanto, son estos dos elementos los que limitan la velocidad de transmisión.

§        Resistencia a extremos ambientales. Son menos afectadas por líquidos corrosivos, gases y variaciones de temperatura.

§        La seguridad en cuanto a instalación y mantenimiento. Las fibras de vidrio y los plásticos no son conductores de electricidad, se pueden usar cerca de líquidos y gases volátiles.

Desventajas de la Fibra Óptica

Dentro de las desventajas, las más relevantes las siguientes:

•        La fragilidad de las fibras.

•        Necesidad de usar transmisores y receptores más caros

•        Los empalmes entre fibras son difíciles de realizar, especialmente en el campo, lo que dificulta las reparaciones en caso de rotura del cable.

•        No puede transmitir electricidad para alimentar repetidores intermedios.

•        La necesidad de efectuar, en muchos casos, procesos de conversión eléctrica-óptica.

•        La fibra óptica convencional no puede transmitir potencias elevadas. [1]

•        No existen memorias ópticas.

Costo

El costo de los cables de fibra óptica y la tecnología asociada con su instalación ha caído drásticamente en los últimos años. Hoy en día, el costo de construcción de una planta de fibra óptica es comparable con una planta de cobre. Además, los costos de mantenimiento de una planta de fibra óptica son muy inferiores a los de una planta de cobre. Sin embargo si el requerimiento de capacidad de información es bajo la fibra óptica puede ser de mayor costo.

Las señales se pueden transmitir a través de zonas eléctricamente ruidosas con muy bajo índice de error y sin interferencias eléctricas.

6.4           Atenuación. Distancia Umbral.

Atenuación

Significa la disminución de potencia de la señal óptica, en proporción inversa a la longitud de fibra. La unidad utilizada para medir la atenuación en una fibra óptica es el decibel (dB).

A = 10 log P1 / P2

Donde:

P1 potencia de la luz a la entrada de la fibra

P2 potencia de la luz a la salida de la fibra

La atenuación de la fibra se expresa en dB/Km. Este valor significa la perdida de luz en un Km.

El desarrollo y la tecnología de fabricación de las fibras para conseguir menores coeficientes de atenuación se observa en el siguiente gráfico.

 Distancia umbral

     Conforme la señal avanza por el medio va perdiendo fuerza hasta llegar al punto en que si desea transmitirse a mayor distancia debe colocarse un repetidor, un dispositivo que le vuelva a dar potencia para seguir avanzando. Un repetidor de fibra es aquel que toma una señal de luz, la convierte a señal eléctrica, la regenera y la coloca en un dispositivo de emisión de luz para que se siga propagando.

6.5           Cables Ópticos. Fuentes de Luz Láser.

6.6           Parámetros de una Fibra Óptica.

Parámetros de una fibra óptica:

     Existen varios parámetros que caracterizan a una fibra óptica. Se habla de parámetros estructurales y de transmisión, los cuales establecen las condiciones en las que se pueden realizar la transmisión de información.

     Entre los parámetros estructurales se encuentran:

•        El perfil de índice de refracción.

•        El diámetro del núcleo.

•        La apertura numérica.

•        Longitud de onda de corte.

     En cuanto a los parámetros de transmisión se tiene:

•        Atenuación.

•        Ancho de banda.

6.7           Modos de transmisión en la fibra óptica.

Transmisión

Se puede decir que este proceso de comunicación, la fibra óptica funciona como medio de transportación de la señal luminosa, generado por el transmisor de LED'S (diodos emisores de luz) y láser.

Los diodos emisores de luz y los diodos láser son fuentes adecuadas para la transmisión mediante fibra óptica, debido a que su salida se puede controlar rápidamente por medio de una corriente de polarización. Además su pequeño tamaño, su luminosidad, longitud de onda y el bajo voltaje necesario para manejarlos son características atractivas.

6.8           Interferencias. La dispersión en la fibra óptica.

Ancho de Banda

Determina la capacidad de transmisión de información, considerando pulsos luminosos muy estrechos y separados en el tiempo. La capacidad viene limitada por una distorsión de la señal que resulta por ensanchamiento de los pulsos luminosos al transmitirse a lo largo de la fibra. Los factores que contribuyen dicho ensanchamiento son:

• Dispersión intermodal

• Dispersión intramodal

La dispersión es la propiedad física inherente de las fibras ópticas, que define el ancho de banda y la interferencia ínter simbólica (ISI).

Dispersión intermodal ó modal

Es causada por la diferencia en los tiempos de propagación de los rayos de luz que toman diferentes trayectorias por una fibra. Tiene lugar solo en las fibras multimodo, se puede reducir usando fibras de índice gradual y casi se elimina usando fibras monomodo de índice de escalón. Esta dispersión causa que un pulso de luz se recibe en el receptor ensanchado, como en la siguiente figura.

Dispersión intramodal

•        Del material

•        De la guía

•        Producto cruzado

La dispersión intramodal del material

La dispersión intramodal del material o cromática resulta por que a diferentes longitudes de onda de la luz se propagan a distintas velocidades de grupo a través de un medio dado (material de la fibra). Como en la práctica las fuentes de luz no son perfectamente monocromáticas, se ocasiona por esta causa un ensanchamiento de pulso recibido. Este efecto aparece en las fibras multimodo y monomodo. Esta dispersión cromática se puede eliminar usando una fuente monocromática tal como un diodo de inyección láser (ILD)

Dispersión intramodal de la guía de onda.

Es función del ancho de banda de la señal de información y la configuración de la guía generalmente es más pequeña que la anterior y se la puede despreciar.

Producto cruzado

Es pequeño y se desprecia excepto cuando no se desprecia el de la guía.

Diámetro de campo modal.- Da idea de la extensión de la mancha de luz del modo fundamental a la salida de la fibra. Su valor aumenta conforme la longitud de onda de la luz guiada es mayor, es de gran importancia en las características de la fibra monomodo. A partir de él se puede calcular posibles pérdidas en empalmes, pérdidas por micro curvaturas y dispersión cromática de la fibra.

Longitud de onda de corte.- La fibra óptica, llamada monomodo no guía un único rayo para todas las longitudes de onda. Solo a partir de una longitud de onda óptica se comporta como monomodo, para longitudes de onda por debajo de ese valor la fibra óptica guía varios rayos de luz y se comporta como multimodo. La longitud de onda en la que se produce la separación entre monomodo y multimodo para una fibra óptica se llama longitud de onda de

6.9           Atenuación en la fibra óptica. Perdidas.

Los factores que influyen en la atenuación se pueden agrupar en dos.

Factores propios.- Podemos destacar fundamentalmente dos.

Las pérdidas por absorción del material de la fibra, son debido a impurezas tales como iónes metálicos, níquel variado (OH)- , etc. ya que absorben la luz y la convierten en calor. El vidrio ultrapuro usado para fabricar las fibras ópticas es aproximadamente 99.9999% puro. Aún así, las pérdidas por absorción entre 1 y 1000 dB/Km son típicas.

Las pérdidas por dispersión (esparcimiento) se manifiesta como reflexiones del material, debido a las irregularidades submicroscópicas ocasionadas durante el proceso de fabricación y cuando un rayo de luz se esta propagando choca contra estas impurezas y se dispersa y refleja.

Dentro de estas pérdidas tenemos

•        Pérdidas por difusión de Rayleigh (por fluctuaciones térmicas del índice de refracción).

•        Imperfecciones de la fibra, particularmente en la unión núcleo-revestimiento, variaciones geométricas del núcleo en el diámetro

•        Impurezas y burbujas en el núcleo (como superficie rugosa a λ pequeños)

•        Impurezas de materiales fluorescentes

•        Pérdidas de radiación debido a micro curvaturas, cambios repetitivos en el radio de curvatura del eje de la fibra

Factores externos.- El principal factor que afecta son las deformaciones mecánicas. Dentro de estas las más importantes son las curvaturas, esto conduce a la pérdida de luz por que algunos rayos no sufren la reflexión total y se escapan del núcleo.

Las curvas a las que son sometidas las fibras ópticas se pueden clasificar en macro curvaturas (radio del orden de 1cm o más) y micro curvaturas (el eje de la fibra se desplaza a lo sumo unas decenas de micra sobre una longitud de unos pocos milímetros)

6.10     Longitud de onda de dispersión cero. Formula.

Fibra con Dispersión sin Cero ( NonZero-Dispersion Fiber)

Escrito por ery291 el 08/05/2007 14:14 | Comentarios (0)

UNIDAD 2

2.1           Propiedades de la Luz

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, su comportamiento varía según sea la superficie y constitución de dicho cuerpo, y la inclinación de los rayos incidentes, dando lugar a los siguientes fenómenos físicos:

a) ABSORCIÓN:

Al incidir un rayo de luz visible sobre una superficie negra, mate y opaca, es absorbido prácticamente en su totalidad, transformándose en calor.

b) REFLEXIÓN:

Cuando la luz incide sobre una superficie lisa y brillante, se refleja totalmente en un ángulo igual al de incidencia (REFLEXIÓN ESPECULAR).

Si la superficie no es del todo lisa, y brillante, refleja sólo parte de la luz que le llega y además lo hace en todas direcciones, como en el caso de los reflectores fotográficos de poliespán.

A este fenómeno se le conoce con el nombre de REFLEXIÓN DIFUSA, y es la base de la Teoría del Color, que dice que: al incidir sobre un objeto un haz de ondas de distinta longitud, absorbe unas y refleja otras, siendo estas últimas las que en conjunto determinan el color del objeto.

c) TRANSMISIÓN:

Es el fenómeno por el cual la luz puede atravesar objetos no opacos. La transmisión es DIRECTA cuando el haz de luz se desplaza en el nuevo medio íntegramente y de forma lineal. A estos medios se les conoce como TRANSPARENTES.

La transmisión es DIFUSA, si en el interior del cuerpo el rayo se dispersa en varias direcciones, tal como ocurre en el vidrio opal, ciertos plásticos, papel vegetal, etc. A estos materiales se les denomina TRANSLUCIENTES.

Existe un tercer tipo de transmisión, la SELECTIVA que ocurre cuando ciertos materiales, vidrios, plásticos o gelatinas coloreadas dejan pasar sólo ciertas longitudes de onda y absorben otras, como es el caso de los filtros fotográficos.

d) REFRACCIÓN

Es un fenómeno que ocurre dentro del de transmisión.

Cuando los rayos luminosos inciden oblicuamente sobre un medio transparente, o pasan de un medio a otro de distinta densidad, experimentan un cambio de dirección que está en función del ángulo de incidencia ( a mayor ángulo mayor refracción), de la longitud de onda incidente ( a menor longitud de onda mayor refracción), y del índice de refracción de un medio respecto al otro.

Este fenómeno tiene mucha importancia en fotografía, ya que la luz antes de formar la imagen fotográfica ha de cambiar frecuentemente de medio: aire - filtros - vidrios de los objetivos - soporte de la película.

Ya dijimos que la luz disminuye su velocidad en función de la densidad del medio que atraviesa. En el caso de los vidrios ópticos, viene a ser aproximadamente de unos 195.000 Km/seg.

Si un rayo de luz incide perpendicularmente sobre la superficie del vidrio, sufre una disminución de su velocidad pero no se desvía. por el contrario, si lo hace oblicuamente, la parte del rayo que llegue primero sufrirá un frenazo y continuará avanzando a inferior velocidad, mientras que el resto del rayo continua todavía unos instantes a mayor velocidad.

Esta diferencia de velocidades en la parte frontal del rayo luminoso es la que produce la desviación de su trayectoria.

Quizá se comprenda mejor si imaginamos un coche que circulando por autopista penetre en una zona embarrada: si entra de frente, sufrirá una disminución de su velocidad pero continuará recto. Pero si penetra oblicuamente, una rueda se verá frenada antes que la otra con el consiguiente cambio de trayectoria.

e) DISPERSIÓN:

Como acabamos de ver, uno de los factores que afectaban a la refracción, era la longitud de onda de la luz incidente. Como la luz blanca es un conjunto de diversas longitudes de onda, si un rayo cambia oblicuamente de medio, cada una de las radiaciones se refractará de forma desigual, produciéndose un separación de las mismas, desviándose menos las de onda larga como el rojo y más las cercanas al violeta.

Un prisma produce mayor difracción porque además, al no ser sus caras paralelas, los rayos refractados han de recorrer un camino aún mayor que provoca, al salir el rayo, una refracción más exagerada .

En la práctica la dispersión determina el color del cielo y por tanto la iluminación natural, así como las aberraciones cromáticas y el diseño de las lentes que veremos más adelante.

A primera vista, el estudio de la luz puede parecernos más de física que de fotografía, pero en realidad su perfecto conocimiento resulta imprescindible para dominar el proceso fotográfico y utilizar adecuadamente los objetivos, filtros, iluminación, etc.

f) DIFRACCIÓN

Es la desviación de los rayos luminosos cuando inciden sobre el borde de un objeto opaco . El fenómeno es más intenso cuando el borde es afilado.

Aunque la luz se propaga en línea recta, sigue teniendo naturaleza ondulatoria y, al chocar con un borde afilado, se produce un segundo tren de ondas circular, al igual que en un estanque. Esto da lugar a una zona de penumbra que destruye la nitidez entre las zonas de luz y sombra.

2.2           La propagación rectilínea de la Luz

En medios homogéneos la luz se propaga en línea recta. El concepto de rayo de luz

permite describir muchos fenómenos ópticos por medio de la geometría.

2.3           Leyes de Reflexion y Refraccion

Leyes de la Reflexión

Primera Ley: El rayo incidente (I), la normal (n) y el rayo reflejado (r)están en un mismo plano.

Segunda Ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión : i=r

Fig.1 Leyes fundamentales de la reflexión Fig.2 Reflexión de un espejo plano

Consecuencias de la Segunda Ley: Como es ángulo de incidencia resulta igual al de reflexión, se deduce que: Cuando el rayo incidente coincide con la normal, el rayo se refleja sobre si mismo.

Leyes de la Refracción

Primera Ley: El rayo incidente, el rayo refractado y la normal pertenecen al mismo plano.

Segunda Ley: La razón entre el seno del ángulo de incidencia y el seno del ángulo de refracción es una constante - llamada índice de refracción - del segundo medio respecto del primero:

Sen i / sen r= nb/a

nb/a: índice de refracción Del medio B respecto Del medio A

El índice de refracción varía de acuerdo los medios:

-el agua respecto del aire es n=1,33

-el vidrio respecto del aire es n=1,5

2.4           Dispersión de los colores

Ya sabes que a la luz que procede del sol la llamamos luz blanca. En realidad la luz blanca es una mezcla de luces de diferentes colores.

Cuando observamos el arco iris podemos ver los colores que componen la luz blanca.

Este fenómeno, conocido como dispersión, se produce cuando un rayo de luz compuesta se refracta en algún medio quedando separados sus colores constituyentes.

En el caso del arco iris, la luz se dispersa al atravesar las gotas de agua.

La causa de que se produzca la dispersión es que el índice de refracción disminuye cuando aumenta la longitud de onda de modo que las longitudes de onda más largas (rojo) se desvían menos que las cortas (azul).

2.5           Superficies planas y prismas

La luz en las láminas

Cuando la luz atraviesa una lámina de material transparente el rayo principal sufre dos refracciones, pues encuentra en su camino dos superficies de separación diferentes. El estudio de la marcha de los rayos cuando la lámina es de caras planas y paralelas, resulta especialmente sencillo y permite familiarizarse de forma práctica con el fenómeno de la refracción luminosa.

En una lámina de vidrio de estas características las normales N y N' a las superficies límites S y S' son también paralelas, por lo que el ángulo de refracción respecto de la primera superficie coincidirá con el de incidencia respecto de la segunda. Si además la lámina está sumergida en un mismo medio como puede ser el aire, éste estará presente a ambos lados de la lámina, de modo que la relación entre los índices de refracción aire-vidrio para la primera refracción será inversa de la correspondiente a la segunda refracción vidrio-aire.

Eso significa que, de acuerdo con la ley de Snell, el rayo refractado en la segunda superficie S' se desviará respecto del incidente alejándose de la normal N' en la misma medida en que el rayo refractado en la superficie S se desvíe respecto de su incidente, en este caso acercándose a la normal.

Esta equivalencia en la magnitud de desviaciones de signo opuesto hace que el rayo que incide en la lámina y el rayo que emerge de ella sean paralelos, siempre que los medios a uno y otro lado sean idénticos. En tal circunstancia las láminas plano-paralelas no modifican la orientación de los rayos que inciden sobre ellas, tan sólo los desplazan.

El prisma óptico

Un prisma óptico es, en esencia, un cuerpo transparente limitado por dos superficies planas no paralelas. El estudio de la marcha de los rayos en un prisma óptico es semejante al realizado para láminas paralelas, sólo que algo más complicado por el hecho de que al estar ambas caras orientadas según un ángulo, las normales correspondientes no son pa ralelas y el rayo emergente se desvía respecto del incidente.

El prisma óptico fue utilizado sistemáticamente por Isaac Newton en la construcción de su teoría de los colores, según la cual la luz blanca es la superposición de luz de siete colores diferentes, rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, añil y violeta. Experimentos concienzudos realizados con rayos de luz solar y prismas ópticos permitieron a Newton llegar no sólo a demostrar el carácter compuesto de la luz blanca, sino a explicar el fenómeno de la dispersión cromática óptica.

Desde Newton, se sabe que el prisma presenta un grado de refringencia o índice de refracción distinto para cada componente de la luz blanca, por lo que cada color viaja dentro del prisma a diferente velocidad. Ello da lugar, según la ley de Snell, a desviaciones de diferente magnitud de cada uno de los componentes que inciden en el prisma en forma de luz blanca y emergen de él ya descompuestos formando los llamados colores del arco iris. Estas diferentes clases de luz definen la gama conocida como espectro visible.

2.6           Lentes. Punto Focal y Longitud Focal

Lentes

Los lentes están en cualquier parte de este mundo. Son usados para anteojos, en telescopios, en máquinas fotocopiadoras, etc. Es entonces importante para nosotros entender los principios básicos de los lentes. Hay dos tipos de lentes, convergentes y divergentes. Los lentes convexos son convergentes, y los lentes cóncavos son divergentes. Tener en cuenta que los rayos de luz golpean la lente, ellos se curvarán hacia la parte más ancha. Esta es la razón por la que los lentes convexos son convergentes. Como los rayos de luz golpean la lente, ellos curvan hacia el centre, que es la parte más ancha, y los rayos de luz cruzarán entre ellos.

Punto Focal

Llamamos punto focal, al punto en el que convergen, tras haber atravesado el objetivo, los rayos luminosos procedentes de un punto determinado del sujeto.

La distancia o Longitud Focal

La distancia focal o longitud focal de una lente es la distancia entre el centro óptico de la lente y el foco (o punto focal). La inversa de la distancia focal de una lente es la potencia.

Para una lente positiva (convergente), la distancia focal es positiva. Se define como la distancia desde el eje central de la lente hasta donde un haz de luz colimado que atraviesa la lente se enfoca en un único punto. Para una lente negativa (divergente), la distancia focal es negativa. Se define como la distancia que hay desde el eje central de la lente a un punto imaginario del cual parece emerger el haz de luz colimado que pasa a través de la lente.

Para un espejo con curvatura esférica, la distancia focal es igual a la mitad del radio de curvatura del espejo. La distancia focal es positiva para un espejo cóncavo, y negativa para un espejo convexo

2.7           Rayos paralelos y oblicuos

Rayos paralelos

Un espejo es una superficie capaz de reflejar la luz y suficientemente clara como para formar una imagen.

En él, un haz de rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente como conjunto y continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real.

Rayos oblicuos

Se manifiesta en los rayos oblicuos debido a que la refracción de las secciones del haz de luz es asimétrica.

2.8           Aberraciones de los lentes

Uno de los principales problemas de los lentes y de los sistemas de lentes son las imágenes imperfectas, producidas en gran medida por los defectos en la configuración y forma de los lentes. La teoría simple de espejos y lentes supone que los rayos forman ángulos pequeños con el eje óptico. En este sencillo modelo, todos los rayos que parten de la fuente puntual se enfocan en un solo punto produciendo una imagen nítida. Sin embargo, es claro que esto no es siempre cierto. Cuando las aproximaciones usadas en esta teoría no se cumplen, se forman imágenes imperfectas.

Si uno desea efectuar un análisis preciso de la formación de imágenes, es necesario trazar cada rayo empelando la ley de Snbell en cada superficie reflectora. Este procedimiento muestra que los rayos provenientes de un objeto puntual no se enfocan en un sólo punto. Es decir, no hay una sola imagen puntúa; en vez de eso, la imagen está difusa. Las desviaciones (imperfecciones) de las imágenes reales de una imagen ideal predicha por la teoría simple se denominan aberraciones.

2.9           Curvatura de campo. Distorsión. Aberración Cromática.

Aberración cromática

Longitudinal es cuando las señales de diferentes longitudes de onda se enfocan en planos diferentes. Esto produce el error de seguimiento.

Lateral es cuando varía el aumento de la imagen dependiendo de la longitud de onda. Esto, cuando hay que hacer coincidir varias imágenes sobre un mismo plano, como sucede en una cámara de TV, causa el error conocido como error de registro.

Aberraciones de Seidel Reciben este nombre las 5 aberraciones básicas de un sistema óptico en honor a Seidel que fue quien las califico. Estas son:

- Aberración esférica, diferencia de convergencia de los rayos de luz dependiendo de la distancia al eje óptico.

Coma, modificación de la imagen que se produce por la diferencia de ángulo de incidencia de un rayo respecto al eje óptico.

-Astigmatismo, impide que un punto objeto se enfoque en un punto imagen. La imagen tendrá forma ovalada o se compondrá de un par de líneas llamadas líneas focales.

-Curvatura de campo, debida a la curvatura de una lente cuando se debe enfocar en una superficie plana.

Escrito por ery291 el 01/05/2007 22:45 | Comentarios (5)

UNIDAD 1

1.1           Composición de la luz. Introducción

La Luz tiene triple naturaleza en interacción, sí, porque está compuesta de materia y antimateria virtual; es decir bosones de gravedad y antigravedad virtual en interacción; es decir de bosones virtuales, es un par de opuestos regulado por la fuerza o bosón neutralizante, hasta el punto de producir una transformación o paso a la formación o emergencia de un fotón real/observable: Es pues una fusión virtual fría y controlada hasta el punto y grado energético fotónico observable que se desea conseguir. El fotón real emergente de la interacción viola por un instante la Ley de Conservación de la masa/energía y se desintegra inmediatamente convirtiéndose en gravedad y antigravedad virtual.

1.2           Luz, Reflexión y Refracción. Lente e instrumentos ópticos.

Luz

Los sabios de todas las épocas han tratado de responder a esta pregunta. Los griegos suponían que la luz emanaba de los objetos, y era algo así como un "espectro" de los mismos, extraordinariamente sutil, que al llegar al ojo del observador le permitía verlo.

De esta manera los griegos y los egipcios se abocaron a la solución de estos problemas sin encontrar respuestas adecuadas. Posteriormente en la Europa del S. XV al XVII, con los avances realizados por la ciencia y la técnica, surgieron muchos matemáticos y filósofos que produjeron importantes trabajos sobre la luz y los fenómenos luminosos.

Es Newton el que formula la primera hipótesis seria sobre la naturaleza de la luz.

Modelo Corpuscular:

Se la conoce como teoría corpuscular o de la emisión.

Según Newton, las fuentes luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan a gran velocidad y en línea recta. Podemos fijar ya la idea de que esta teoría además de concebir la propagación de la luz por medio de corpúsculos, también sienta el principio de que los rayos se desplazan en forma rectilínea.

Newton explicó que la variación de intensidad de la fuente luminosa es proporcional a la cantidad de corpúsculos que emite en determinado tiempo.

Modelo Ondulatorio

La luz no es mas que una perturbación ondulatoria, parecida al sonido, y de tipo mecánico pues necesita un medio material para propagarse. Se supuso tres hipótesis:

- Todos los puntos de un frente de ondas eran centros emisores de ondas secundarias;

- De todo centro emisor se propagaban ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio;

- Como la luz se propagaba en el vacío y necesitaba un material perfecto sin rozamiento, se supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter, que hacía de soporte de las ondas.

Reflexión de la Luz

Cuando la luz incide sobre un cuerpo, éste la devuelve al medio en mayor o menor proporción según sus propias características. Este fenómeno se llama reflexión y gracias a él podemos ver las cosas.

Refracción de la Luz

Refracción es el fenómeno por el cual un rayo luminoso sufre una desviación al atravesar dos medios transparentes de distinta densidad.

Existen tres tipos de refracción:

En la figura 4 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta desplazado.

Experiencias:

1)

Materiales: Recipiente - Varilla de vidrio (en lugar de un rayo de luz) - Agua

Objetivo: Verificar la refacción

Procedimiento: Introducir la varilla en un recipiente de agua

Resultado: Observamos que la varilla parece estar quebrada al pasar de un medio a otro. Esto sucede por la diferente densidad de los medios.

2)

Materiales: Pileta - Tapón - Agua

Objetivo: Verificar la refracción de la luz

Procedimiento: Colocarse frente a una pileta, de tal modo que el borde de la misma nos impida ver el tapón ya colocado. Luego comenzar a llenar la pileta.

Resultado: Cuando el agua alcanzo el nivel de nuestra vista vimos el tapón. Este se ve debido a que la luz, al atravesar un medio distinto, se desvía y permite esa visión.

Lentes e instrumentos ópticos

Una lente es un medio transparente limitado por dos superficies. Las lentes se utilizan generalmente para formar imágenes por refracción en los instrumentos ópticos, como cámaras fotográficas, telescopios, microscopio, etc. Las imágenes generadas por una lente pueden ser reales o virtuales, una imagen real es aquella que se forma en realidad, es decir, si se coloca una pantalla en el punto adecuado, se formará sobre ella la imagen del objeto. Por otro lado, una imagen virtual representa la posición desde la que parece que procede la luz que llega a nuestros ojos a través de la lente. Sin embargo, la luz nunca pasa en realidad por aquella posición y si colocáramos una pantalla no se observaría ninguna imagen sobre ella.

A continuación daremos algunas definiciones para lentes delgadas. Se consideran lentes delgadas, aquellas lentes cuyo espesor es pequeño comparado con los radios de curvatura de las superficies limitantes.

Distancia focal:

Sea s la distancia entre el objeto luminoso y la lente y s' la distancia a la cual se forma la imagen del objeto a través de la lente. Se define la distancia focal f de una lente delgada como la distancia s' a la cual se forma la imagen a través de la lente de un objeto que se encuentra en el infinito, s!".

La relación entre la distancia focal, la posición del objeto y la posición de su imagen cumplen la Ley de Descartes:

Rayos principales para lentes convergentes:

Para una lente delgada hay tres rayos principales:

El rayo que pasa por el centro de la lente. En este caso, el rayo pasa sin desviarse a través de la lente.

El rayo incidente es paralelo al eje principal de la lente. En este caso, el rayo se desvía al atravesar la lente pasando por el foco.

Un rayo incidente que pasa por el foco de la lente, luego de atravesarla sale paralelo al eje principal.

Aumento lateral:

El aumento lateral M de una lente viene dado por:

MICROSCOPIO.

En la figura 1 se muestra un diagrama del microscopio óptico de campo brillante que se utiliza habitualmente en los laboratorios de biología. En este diagrama se muestran los diferentes elementos que forman un microscopio. Podemos ver que las lentes del condensador enfocan la luz incidente sobre la muestra y el diafragma regula la intensidad de la misma. Tanto el objetivo como el ocular son sistemas ópticos formados por varios elementos. El aumento de la imagen viene determinado por las distancias focales del objetivo y el ocular.

Figura 1

Diagrama de un microscopio de campo brillante.

Figura 2

Microscopio óptico de campo brillante

El principio del microscopio se muestra en la figura 2. El objeto que se estudia se coloca una distancia s1 un poco mayor que la distancia focal f1 de la lente que hace de objetivo, por lo cual podemos decir que:

s1 " f1

DESARROLLO EXPERIMENTAL.

EXPERIMENTO I

Sobre el riel óptico montar un dispositivo como se muestra en la figura.

Colocar una lente biconvexa de distancia focal conocida y un objeto (diafragma con ranura de forma de flecha). La pantalla debe tener de preferencia una cuadricula con línea tenue para medir el tamaño de la imagen.

-Seleccione una distancia objeto arbitraria.

-Mueva la pantalla hasta lograr una imagen bien definida. Mida la distancia imagen y el tamaño de la misma.

-Realice lo anterior para 5 distancias

SISTEMAS ÓPTICOS.

EXPERIMENTO II.

Microscopio.

Para el arreglo para un microscopio colocar en el banco óptico, sin lámpara, una lente convergente de distancia focal pequeña (entre 8 y 12 cm) que servirá como ocular. Sobre la pantalla, en el otro extremo colocar un objeto pequeño. Montar otra lente en medio, también de distancia focal conocida pequeña, pero más cerca del objeto que del ocular, esta lente se llamara objetivo.

Mover el ocular y/o el objetivo hasta lograr la mayor amplificación con la mejor nitidez. El objetivo debe colocarse a una distancia del objeto un poco mayor que el foco de la misma y la longitud total del instrumento debe ser la suma de las distancias focales. Medir las distancias entre cada uno de los elementos del sistema y observar las imágenes.

Tome como objeto ahora la ranura circular de diámetro conocido, coloque una regla a la distancia de visión nítida (aprox. De 25 cm) y determine el diámetro de la imagen.

Invertir la posición de las lentes, observar las imágenes obtenidas.

Telescopio.

Use como objetivo una lente positiva de distancia focal grande y como ocular una distancia focal corta, siendo la longitud del instrumento la suma de las distancias focales.

Observe objetos alejados.

Use ahora una lente positiva de distancia focal corta (lente erectora), colóquela en la posición del ocular y separe este hasta una distancia de 4 veces la distancia focal de la lente erectora. La modificación hecha al telescopio anterior, lo transforma en un catalejo.

Cambiar el ocular por una lente divergente manteniendo la lente objetivo convergente de distancia focal mayor. Enfocar algún objeto lejano y una vez determinada la posición de las lentes medir la distancia entre ellas registrando también las características de las imágenes (Telescopio de Galileo).

1.3           Ondas esféricas

Son ondas tridimensionales que se propagan a la misma velocidad en todas direcciones. Se llaman ondas esféricas porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas, cuyo centro coincide con la posición de la fuente de la perturbación en todas las direcciones.

Las ondas sonoras es una onda esférica tridimensional cuando se propaga a través del aire en reposo. También la luz se propaga en forma de ondas esféricas a través del aire, el vacío o el agua

1.4           Difracción de la Luz

EN ITALIA un jesuita italiano, Francesco Grimaldi (1618-1663), físico y astrónomo, quien en 1651 dio los nombres que hasta ahora conservan los accidentes del lado visible de la Luna, descubría un importante fenómeno óptico llamado por él mismo difracción de la luz. Este fenómeno se presenta siempre que de la luz emitida por una fuente se separa una fracción interponiendo un cuerpo opaco y esto es lo que da origen a su nombre: división en fracciones.

La difracción se puede observar interponiendo, justo frente a un ojo, una ranura muy estrecha recortada en una lámina opaca; o bien, una ranura formada por los filos de dos hojas de afeitar pegadas con durex sobre una ranura más ancha recortada en una tira de cartoncillo (Figura 16). Mirando solamente por este ojo una luz distante, por ejemplo la flama de una vela colocada a unos metros de distancia, esperaríamos percibir la imagen de la flama como en la figura 17(a); sin embargo, si la ranura es suficientemente estrecha, se perciben varias imágenes como en la figura 17(b). Esto, desde luego, tampoco es lo que esperaríamos de acuerdo con la óptica geométrica. La figura 18(a) muestra las regiones geométricas de iluminación y de sombra producidas por una ranura. Si colocáramos el ojo justo en el origen de estas regiones los rayos de la región de iluminación pasarían al interior del ojo y formarían una imagen, y sólo una, de la flama de la vela; esto es lo que vemos por una ranura ancha (Figura 17(a)). Las imágenes múltiples que se observan con la ranura delgada indican que, al pasar por la ranura, la luz forma varias regiones de iluminación a ambos lados de una región central iluminada que corresponde, más o menos, a la región geométrica de iluminación. El ojo forma imágenes con los rayos que recibe de cada una de estas regiones y las percibe como en la figura 17(b).

Figura 16(a). Una ranura delgada para observar el fenómeno de la difracción de la luz construida fijando con durex dos hojas de afeitar, filo a filo, sobre una ranura más ancha recortada en una tira de cartoncillo. Antes de fijar las hojas con durex los filos se mantienen separados por el espesor de una tira de papel. (b) La ranura de difracción terminada.

Figura 17. La imagen de la flama de una vela según la percibe el ojo. (a) A través de una ranura ancha; (b) A través de una ranura delgada; de difracción.

Figura 18. Las zonas de iluminación y de sombra producidas por una ranura delgada. (a) Según la óptica geométrica. (b) Según se observa en una ranura de difracción.

1.5           Polarización, Estados de Polarización

Polarización

Las ondas luminosas no suelen estar polarizadas, de forma que la vibración electromagnética se produce en todos los planos. La luz que vibra en un solo plano se llama luz polarizada.

Estados de Polarización

Polarización Lineal - Cuando el campo eléctrico oscila en el plano perpendicular a la dirección de propagación de la onda. Normalmente, la polarización es sólo parcial y se define como:

Polarización Parcial - La razón entre la radiación polarizada y la no polarizada. La polarización parcial de un láser polarizado es normalmente de 1:500.

Grado de polarización - Se define con la máxima intensidad (Imax) transmitida a través del polarizador y la mínima intensidad (Imin), mediante la relación:

Polarización Circular - Se produce cuando la intensidad del vector campo eléctrico es constante, pero la dirección de oscilación está rotando a un velocidad constante. No hay preferencia por una dirección específica de oscilación. Mirando a la dirección de rotación del vector campo eléctrico desde la dirección en la que el haz se propaga, si esta dirección es en el sentido de las agujas del reloj, se trata de polarización circular derecha. Si esta dirección es en sentido contrario al de las agujas del reloj, ésta es llamada polarización circular izquierda. Entre estos dos casos extremos de polarización : polarización plana y polarización circular, hay muchos estados intermedios de polarización elíptica.

Polarización elíptica - La intensidad del vector campo eléctrico no es la misma en diferentes direcciones de oscilación. El extremo del vector campo eléctrico describe una elipse.

Polarización por reflexión - Cuando luz ordinaria sin polarizar incide a un ángulo de 570 sobre la superficie pulida de una placa de vidrio, la luz reflejada es polarizada plana. Este hecho fue descubierto primero por Etienne Malus, un físico francés, en 1808. En general , la luz reflejada sobre un medio transparente como el vidrio o el agua, es solo, parcialmente polarizada plana; solo a un cierto ángulo llamado ángulo polarizador o de polarización, es polarizada plana.

1.6           Doble refracción. Dispersión de la Luz

Doble refracción

Cada onda se descompone en dos ondas

Cuando un rayo de luz atraviesa un cristal anisótropo se descompone en dos rayos cuyas ondas vibran en planos perpendiculares.

Uno de los rayos cumple con las leyes físicas de la refracción (rayo ordinario) mientras que el otro no (rayo extraordinario). Ambos tienen valores diferentes del índice de refracción (vibran con direcciones diferentes).

Ambos rayos siguen caminos diferentes dentro del cristal, pero a la salida de este se puede considerar que siguen caminos paralelos aunque las direcciones de vibración continúan siendo perpendiculares.

Esta simplificación es correcta ya que en una emisión de ondas luminosas hay un número infinito de rayos paralelos y, como se muestra en la figura siguiente, el componente extraordinario de un rayo (3e) se superpone con el componente ordinario (2o) de una onda inmediatamente próxima. El resultado es que a la salida del cristal por cada onda primitiva existen dos que vibran en planos perpendiculares siguiendo un único camino de propagación.

Como la velocidad será distinta para cada dirección de vibración, estas dos ondas irán desfasadas, habrá un retardo (delta, en la figura) a la salida del cristal que dependerá de la naturaleza del mineral y de su espesor.

Dispersión de la Luz

En Física se denomina dispersión al fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersivos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire.

En Optica cuando un haz de luz blanca procedente del sol atraviesa un prisma de cristal, las distintas radiaciones monocromáticas son tanto más desviadas por la refracción cuanto menor es su longitud de onda. De esta manera, los rayos rojos son menos desviados que los violáceos y el haz primitivo de luz blanca, así ensanchado por el prisma, se convierte en un espectro electromagnético en el cual las radiaciones coloreadas se hallan yuxtapuestas sin solución de continuidad, en el orden de su longitud de onda, que es el de los siete colores ya propuestos por Isaac Newton: violeta, índigo, azul, verde, anaranjado y rojo (Así como, en ambos extremos del espectro, el ultravioleta y el infrarrojo, que no son directamente visibles por el ojo humano, pero que impresionan las placas fotográficas.

Escrito por ery291 el 01/05/2007 22:44 | Comentarios (7)

UNIDAD 3

Escrito por ery291 el 01/05/2007 22:42 | Comentarios (11)

UNIDAD 4

4.2           Estado meta estable. Emision estimulada. Longitud de Onda. Formula. Salto Orbital.

4.3           La emision y absorción de fotones.

4.4           Efecto Fotoelectrico.

4.5           El Laser. Caracteristicas y parámetros.

4.6           Holografia. Definición.

4.7           Naturaleza dual de la Luz

4.1           Teoría Cuántica. Mecánica Ondulatoria. Átomos. Física Nuclear. Partículas.

Teoría cuántica

La teoría cuántica fue primeramente introducida por Planck, en 1900.

Max Planck, (1858 – 1947) nacido en Kiel, Alemania el 23 de abril de 1858. Es el “padre de la cuántica”. Planck dedujo la hipótesis de la discontinuidad de la energía y en el año de 1900 Planck descubre los cuantos y formula la teoría que lo haría famoso, y que daría nacimiento a un campo desconocido hasta entonces, la Mecánica Cuántica, la cual da una nueva y muy especial forma de ver los fenómenos físicos. Gracias a sus esfuerzos, y muy merecidamente, Planck recibió el premio Nobel de Física en 1918. Max Planck muere el 4 de octubre de 1947.

Planck retomó la teoría defendida hace tiempo por Newton, la cual en ese entonces ya no tenía validez alguna. Newton consideraba a la luz como un haz de corpúsculos que se propagaban en línea recta, al aparecer la teoría ondulatoria de Huygens (1678), la teoría de los corpúsculos de Newton se vio destruida, pero era retomada nuevamente por Planck en 1900.

La teoría cuántica básicamente nos dice que la luz no llega de una manera continua, sino que está compuesta por pequeños paquetes de energía, a los que llamamos cuantos. Estos cuantos de energía se llaman fotones. Toda luz que nos llega viene por pequeños paquetes, no es continua.

Los fotones son las partículas “fundamentales” de la luz, así como los electrones son las partículas fundamentales de la materia, esta analogía es la que sirvió para realizar el descubrimiento del carácter cuántico de la luz. Por esta misma analogía, años después, de Broglie desarrolló la teoría que formula que la materia también tiene un carácter ondulatorio. La carga eléctrica y la energía tienen una estructura granular (está formada por cuantos), al igual que la materia.

La teoría cuántica ha servido para demostrar los fenómenos que no se pudieron explicar con la teoría ondulatoria de la luz, pero hay fenómenos que no pueden ser explicados con la teoría cuántica, y además hay ciertos fenómenos que pueden ser explicados por ambas teorías.

Mecánica Ondulatoria.

La mecánica cuántica, conocida también como mecánica ondulatoria y como física cuántica, es la rama de la física que estudia el comportamiento de la materia a escala muy pequeña. El concepto de partícula "muy pequeña" atiende al tamaño en el cual comienzan a notarse efectos como la imposibilidad de conocer con exactitud, arbitraria y simultáneamente, la posición y el momento de una partícula (véase Principio de indeterminación de Heisenberg), entre otros. A tales efectos suele denominárseles "efectos cuánticos". Así, la mecánica cuántica es la que rige el movimiento de sistemas en los cuales los efectos cuánticos sean relevantes. Se ha documentado que tales efectos son importantes en materiales mesoscópicos (unos 1000 átomos).

Fig. 1: La función de onda de un electrón de un átomo de hidrógeno posee niveles de energía definidos y discretos denotados por un número cuántico n=1,2,3,... y valores definidos de momento angular caracterizados por la notación: s, p, d,... Las áreas brillantes en la figura corresponden a densidades de probabilidad elevadas de encontrar el electrón en dicha posición.

Átomos

Una de las estructuras mas pequeñas de la materia en que se ha descrito la materia es el átomo, el cual como hemos visto ha tenido toda una evolución, de forma histórica. Es clásico encontrar  en los diccionarios definiciones que son poco objetivas, como la siguiente:

Definición. Cantidad mínima o muy pequeña [de algo].

Definición. Partícula indivisible como parte de la materia.

Definiciones semánticas nos conducen a su origen del griego, donde átomo significa sin división. Durante mucho tiempo se pensó de esta forma; poco a poco se fue considerando otro tipo de estructuras en las que la materia no tenía al átomo como la parte más pequeña de ella, aparecen partículas más pequeñas tales como electrones, protones, neutrones. Posteriormente a medida que la mecánica cuántica y otras áreas de la física, en particular la llamada física de partículas o las supercuerdas, se encontraban nuevas partículas consideradas como subatómicas tales como los Quarks o los Top Quarks.

El átomo se puede caracterizar por espacio vacio, en el centro el núcleo esta cargado positivamente, a su vez el núcleo esta formado por protones y neutrones los cuales estan rodeados por una nube de  electrones con carga eléctrica negativa. 

Fisica Nuclear

La física nuclear es una rama de la física que estudia las propiedades y el comportamiento de los núcleos atómicos. La física nuclear es conocida mayoritariamente por la sociedad en su papel en la energía nuclear en centrales nucleares y en el desarrollo de armas nucleares, tanto de fisión como de fusión nuclear. En un contexto más amplio, se define la física nuclear y física de partículas como la rama de la física que estudia la estructura fundamental de la materia y las interacciones entre partículas subatómicas.

Partículas

En física se denomina partícula a un cuerpo dotado de masa, y del que se hace abstracción del tamaño y de la forma, pudiéndose considerar como un Punto (geometría).

4.2           Estado Metaestable. Emisión estimulada. Longitud de Onda. Formula. Salto Orbital.

Estado Metaestable

En física, Un estado metaestable es un estado que es un mínimo local de energía, que no es totalmente estable bajo perturbaciones del sistema por encima de cierta magnitud.

En física atómica, un nivel metaestable es aquel en el que un electrón excitado permanece mucho débilmente estable más tiempo antes de decaer a un nivel inferior de energía. La permanencia del electrón en este nivel está determinada por el coeficiente de Einstein (β2) para este nivel. Cuanto mayor sea β2, mayor será la permanencia del electrón en este estado.

Un sistema metastable con un estado débilmente estable (1), un estado inestable de transición (2) y un estado fuertemente estable (3)

Emisión estimulada

La emisión estimulada, base de la generación de radiación de un láser, se produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estimulo, en cuestión, proviene de la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia de energía entre los dos estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada descrita es la raíz de muchas de las características de la luz láser. No sólo produce luz coherente y monocroma sino, también, "amplifica" la emisión de luz ya que, por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro fotón.

Longitud de onda

La longitud de onda es un parámetro físico que indica el tamaño de una onda y que por lo general se denota con la letra griega lambda (λ).

Para ondas sinusoidales se define como la distancia, medida en la dirección de propagación de la onda, entre dos puntos cuyo estado de movimiento es idéntico, como por ejemplo crestas o valles adyacentes.

En la figura adjunta, el eje x representa la distancia recorrida por la perturbación, mientras que el eje y representa un parámetro físico en función de x, como puede ser la presión del aire para ondas sonoras, o el valor del campo eléctrico o magnético para ondas electromagnéticas.

En el sistema internacional, la unidad de medida de la longitud de onda es el metro, al igual que cualquier otra distancia. Dado los órdenes de magnitud de este parámetro, por comodidad se suele recurrir a submúltiplos como el milímetro (mm), el micrómetro (μm) y el nanómetro (nm).

Fórmula

Salto Orbital o Cuantico

Dicese del Electron (particula de carga negativa), cuando en su rotacion alrededordel nucleo (carga positiva) del atomo empieza a recibir estimulos del exterior (atravesar campos magneticos, recibir bombardeos de particulas muy aceleradas, etc.), y gracias a estos estimulos, inicia un proceso de excitación en el cual comienza a vibrar y a vibrar cada vez con mayor intensidad hasta que obtiene la energia necesaria para brincar desde el orbital en el que se encuentra, hacia uno de mayor energia.

Hablando en terminos del proceso de cambios planetarios al que estamos denominando Salto Cuantico (debido a que su origen se da en este proceso atomico), nuestro planeta 'La Tierra', la cual gira alrededor del Sol , el cual a su vez gira alrededor del Sol Central Alcion en el centro de La Via Lactea,  se encuentra en este momento de su trayectoria eliptica a traves de La Galaxia, a punto de entrar en un sector de la misma con un contenido energetico diferente  al resto de su trayectoria. Dicho sector es denominado 'El cinturon de Fotones'. Se piensa que la energia extrema proveniente del mencionado cinturon esta afectando los electrones del Sol y esta produciendo los cambios que se estan observando en el mismo, tales como la extrema duración de las tormentas solares, las llamaradas y exhalaciones gaseosas cuyas  longitudes estan alcanzando limites nunca vistos, y las inmensas emanaciones de plasma, cuyo inmenso poder ha producido recientemente el cambio de polos magneticos del Sol.

A su vez, la Tierra inundada con estas cantidades de energia electromagnetica nunca antes recibida, al estar tambien compuesta de atomos con nucleo y electrones, no esta inmune a todo este fenomeno, por lo que se espera que de que alguna manera tambien de un cambio. Si la recepcion del estimulo (las emanaciones solares y la energia del cinturon de fotones) es lo suficientemente fuerte, se podria esperar que sus electrones tambien den un 'Salto Cuantico'.

No se sabe con exactitud adonde se va un planeta completo que da un salto cuantico, ya que existen en este momento muchas conjeturas con respecto a la 'masa obscura' o invisible la cual se presume esta compuesta por microparticulas llamadas Neutrinos y que no se comprende  aun como funciona, pero fue detectada su existencia y que poseian masa gracias a los aceleradores de particulas, el problema con estas particulas es que al ser

invisibles, tener velocidades incalculables, vibraciones desconocidas y carga neutra, es imposible saber en donde estan realmente, como trabajan y para que sirven...solo se detecto que estan y que tienen masa. El resolver estas incongnitas, nos llevaria de un modo cientifico a saber lo que ocurre con un salto cuantico planetario.

4.3           La emisión y absorción de fotones.

Espectros de Absorción

 Así como muchos importantes descubrimientos científicos, las observaciones de Fraunhofer sobre las líneas espectrales fué completamente accidental. Fraunhofer no estaba observando nada de ese tipo; simplemente estaba probando algunos modernos prismas que el había hecho. Cuando la luz del sol pasó por una pequeña hendidura y luego a través del prisma, formó un espectro con los colores del arco iris, tal como Fraunhofer   esperaba, pero para su sorpresa, el espectro contenía una serie de líneas oscuras.

Los diferentes elementos crean una serie de líneas brillantes a determinadas longitudes de onda.

Eso es lo que ocurre cuando un elemento es calentado. En términos del modelo de Bohr, el calentar los átomos les dá una cierta energía extra, así que algunos electrones pueden saltar a niveles superiores de energía. Entonces, cuando uno de estos electrones vuelve al nivel inferior, emite un fotón--en una de las frecuencias especiales de ese elemento, por supuesto.

Eso es lo que se llama espectro de emisión

Hay otra forma en que un elemento puede producir un espectro. Suponga que en lugar de una muestra calentada de un elemento, usted tiene ese mismo elemento en la forma de un gas relativamente frío. Ahora, digamos que una fuente de luz blanca--conteniendo todas las longitudes de onda visibles--es dirigida al gas. Cuando los fotones de la luz blanca pasan a través del gas, algunos de ellos pueden interactuar con los átomos--siempre que tengan la frecuencia apropiada para empujar un electrón de ese elemento hasta un nivel superior de energía. Los fotones en esas frecuencias particulares son absorbidos por el gas. Sin embargo, como usted lo anotó antes, los átomos son "transparentes" a los fotones de otras frecuencias.

Entonces todas las otras frecuencias saldrían intactas del gas. Así, el espectro de la luz que ha pasado a través del gas tendría algunos "agujeros" en las frecuencias que fueron absorbidas.

Es correcto. El espectro con estas frecuencias faltantes se llama espectro de absorción. (Note que las líneas oscuras en un espectro de absorción aparecen en las mismas exactas frecuencias de las líneas brillantes en el correspondiente espectro de emisión.)

 Y eso fué lo que vió Fraunhofer?

 Si. Bajo un cuidadoso exámen, el espectro "continuo" del sol resultó ser un espectro de absorción. Para llegar a la tierra, la luz del sol necesita pasar a través de la atmósfera del sol, que está mucho más fría que la parte del sol en que la luz es emitida. Los gases en la atmósfera del sol absorben ciertas frecuencias, creando las cerca de 600 líneas oscuras que Fraunhofer observó. (Se llaman líneas de Fraunhofer, en su honor.) Sin embargo, Fraunhofer nunca supo de todo esto. Nadie pudo ofrecer una explicación de las líneas espectrales hasta algunas décadas más tarde.

4.4           Efecto Fotoelectrico.

El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por un material cuando se lo ilumina con radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general).

A veces se incluye en el término efecto fotoeléctrico en otros tipos de interacción entre la luz y la materia:

- Fotoconductividad: Es el aumento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos provocada por la luz. Descubierta por Willoughby Smith en el selenio hacia la mitad del siglo 19.

- Efecto fotovoltaico: Transformación parcial de la energía luminosa en energía eléctrica. La primera célula solar fue fabricada por Charles Fritts en 1884. Estaba formada por selenio recubierto de una fina capa de oro.

El efecto fotoeléctrico fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz en 1887. La explicación teórica solo fue hecha por Albert Einstein en 1905 quien basó su formulación de la fotoelectricidad en una extensión del trabajo sobre los cuantos de Max Planck. Más tarde Robert Andrews Millikan pasó diez años experimentando para demostrar que la teoría de Einstein no era correcta... y demostró que sí lo era. Eso permitió que Einstein y Millikan compartiesen el premio Nobel en 1921 y 1923 respectivamente.

Diagrama del efecto fotoeléctrico. Los fotones incidentes son absorbidos por los electrones del medio dotándoles de energía suficiente para escapar de éste.

4.5           El Laser. Caracteristicas y parámetros.

Definición de Láser

(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Amplificación de Luz por Emisión Estimulada de Radiación. Dispositivo que utiliza un efecto de la mecánica cuántica, la emisión inducida o estimulada, para generar un haz de luz (también llamado láser) coherente de un medio adecuado y con el tamaño, la forma y la pureza controlados.

Se utiliza en la grabación y lectura de CDs y DVDs.

Experimento con láser.

Caracteristicas

Un láser es un haz de luz colimado, monocromático y coherente. También se llama láser al dispositivo que es capaz de generar este haz.

Las fuentes de luz comunes (tales como las lámparas incandescentes) emiten fotones en casi todas las direcciones, generalmente en una amplia gama de longitudes de onda. La mayoría de las fuentes de luz son también incoherentes; es decir, las fases de los fotones emitidos por la fuente de luz no están relacionadas.

En cambio un láser emite generalmente los fotones en un rayo estrechísimo, perfectamente definido, coherente y a menudo polarizado. Esta luz es prácticamente monocromática (de un solo color), ya que consiste en una sola longitud de onda.

Parametros

La gama de usos de los láseres es sorprendente, hasta el punto de que alcanza una extensión mucho más amplia que la concebida originariamente, por los científicos que diseñaron los primeros modelos (a pesar de que difícilmente lo admitirían), y supera en mucho la visión de los primeros escritores de ciencia-ficción, quienes en la mayoría de los casos sólo supieron ver en él un arma futurista, (aunque tampoco parecen dispuestos a confesar su falta de imaginación). También resulta sorprendente la gran variedad de láseres existentes.

En un extremo de la gama se encuentran los láseres fabricados con minúsculas pastillas semiconductoras, similares a las utilizadas en circuitos electrónicos, con un tamaño no superior al de un grano de sal. Gordon Gould uno de los pioneros en este campo, confesó que le impresionaron cuando fueron presentados. En el extremo opuesto se encuentran los láseres bélicos del tamaño de un edificio, con los que experimenta actualmente el ejército, muy diferentes de las pistolas lanzarrayos que habían imaginado los escritores de ciencia-ficción.

Las tareas desempeñadas por los láseres van de lo mundano a lo esotérico si bien comparten un elemento común: son difíciles o totalmente imposibles con cualquier otro instrumento. Los Láseres son unos aparatos relativamente caros y, por lo general, sólo se utilizan por su propiedad de suministrar la forma y la cantidad de energía requeridas en el lugar deseado.

4.6           Holografia. Definición.

La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones.

La holografía fue inventada en el año 1947 por el físico húngaro Dennis Gabor, que recibió por esto el Premio Nobel de Física en 1971. Recibió la patente GB685286 por su invención. Sin embargo se perfeccionó años más tarde con el desarrollo del láser, pues los hologramas de Gabor eran muy primitivos a causa de las fuentes de luz tan pobres que se utilizaban en sus tiempos.

Originalmente, Gabor sólo quería encontrar una manera para mejorar la resolución y definición de las imágenes del microscopio electrónico. Llamó a este proceso holografía, del griego holos, "completo", ya que los hologramas mostraban un objeto completamente y no sólo una perspectiva.

En realidad, los primeros hologramas que verdaderamente representaban un objeto tridimensional bien definido fueron hechos por Emmett Leith y Juris Upatnieks, en Estados Unidos en 1963, y por Yuri Denisyuk en la Unión Soviética.

Uno de los avances más prometedores hechos recientemente ha sido su uso para los reproductores de DVD y otras aplicaciones. También se utiliza actualmente en tarjetas de crédito, billetes y discos compactos, además de su uso como símbolo de originalidad y seguridad.

4.7           Naturaleza dual de la Luz

La luz tiene una naturaleza dual: se comporta como onda y partícula. Entre las propiedades de la onda luminosa se incluyen la refracción de la onda cuando pasa de un material a otro. El efecto fotoeléctrico demuestra el comportamiento de la luz como partícula. El zinc se carga positivamente cuando es expuesto a luz ultravioleta en razón de que la energía de las partículas luminosas eliminan electrones del zinc. Estos electrones pueden crear una corriente eléctrica. El sodio, potasio y selenio tienen longitudes de onda críticas en el rango de la luz visible. La longitud de onda crítica es la mayor longitud de onda (visible o no) que puede causar un efecto fotoeléctrico. Albert Einstein desarrolló en 1905 la teoría de que la luz estaba compuesta de unas partículas denominadas fotones, cuya energía era inversamente proporcional a la longitud de onda de la luz. La Luz por lo tanto tiene propiedades explicables tanto por el modelo ondulatorio como por el corpuscular.

Escrito por ery291 el 01/05/2007 22:38 | Comentarios (4)

UNIDAD 5

5.2           Materiales Semiconductores.

5.3           Técnicas de Fabricación.

5.4           El Diodo Emisor de Luz. LED. Símbolo. Características. Funcionamiento. Formula.

5.5           El espectro de emisión espontánea. El LED, Diodo emisor de diferente color de Luz.

5.6           Los fotodiodos PN. Símbolo: Características de operación. Circuito Básico.

5.7           El ancho de Banda del fotodiodo PN: Fotodiodos de alta Velocidad.

5.8           El fotodiodo de Avalancha. Características de operaciones de los fotodiodos.

5.9           El nivel umbral de corriente. La potencia de Radicación

5.10     Los componentes del sistema de ondas ópticas. El tr. Óptico. El LED. El receptor óptico. El Foto detector.

5.11     El LED. La característica LUZ-corriente del LED. El Diodo LED como una fuente de Lambertain.

5.1           Introducción. Física de Semiconductores Especiales.

La Física de Semiconductores es el conjunto de teorías y modelos que explican el comportamiento de los semiconductores, bajo diversas condiciones. Sin embargo gran parte de los semiconductores son estudiados en Física del estado sólido.

5.2           Materiales Semiconductores.

Entre los materiales conductores, que conducen la electricidad con una resistencia relativamente baja, y los materiales aislantes, que no conducen la electricidad, nos encontramos una gama de materiales con propiedades propias que denominamos semiconductores.

Redes cristalinas de C, Si y Ge.

 Si echamos un vistazo a la tabla periódica, veremos que en la columna donde se encuentra el carbono, también aparecen el silicio y el germanio. Todos ellos se caracterizan porque en la última capa de electrones de su estructura atómica poseen cuatro electrones.

 Se sabe que estos elementos tienen una estructura más estable si comparten electrones, formando enlaces covalentes, de forma que al compartir estos electrones con átomos vecinos todos ellos tengan en la última capa ocho electrones, situación que es muy estable.

Esto hace que se forme una malla de átomos que se denomina red cristalina. El diamante es un ejemplo de este tipo de estructura cristalina formada por átomos de carbono. El silicio y el germanio forman redes similares.

En estas condiciones todos los electrones tienen su lugar en la red, así que estos materiales no permiten la movilidad de electrones y por lo tanto son aislantes.

Red de Ge dopada con As. Semiconductor tipo N.

El arsénico As (al igual que el fósforo P) poseen ambos cinco electrones en su última capa.

Si introducimos átomos de As dentro de la red cristalina de Ge en cantidades relativamente pequeñas cuatro de los electrones de la última capa forman enlaces covalentes, como lo haría un átomo de Ge. El quinto electrón sin embargo, queda libre para moverse.

Esto tiene como resultado propiedades eléctricas muy diferentes a las que tenía el cristal de Ge puro. Solo es necesario introducir cantidades pequeñas de As o P para obtener un número de portadores de carga suficiente.

El procedimiento de introducir estas impurezas en el cristal se denomina dopado.

Red de Ge dopado con B. Semiconductor tipo P.

El boro B (al igual que el aluminio Al) poseen ambos tres electrones en su última capa.

Si introducimos átomos de B dentro de la red cristalina de Ge en cantidades relativamente pequeñas los tres electrones de la última capa forman enlaces covalentes, como lo haría un átomo de germanio. Existe por lo tanto un hueco, y una tendencia a que se pueda alojar en él un electrón a pesar de que se pueda romper de forma instantánea la neutralidad eléctrica.

Esto tiene como resultado propiedades eléctricas muy diferentes a las que tenía el cristal de Ge puro. Solo es necesario introducir cantidades pequeñas de B para obtener un número de portadores de carga suficiente, que en este caso son huecos electrónicos.

El procedimiento de introducir estas impurezas en el cristal se denomina dopado.

5.3           Técnicas de Fabricación.

Hasta ahora hemos estudiado circuitos discretos. La palabra discretos quiere decir separados o distintos. Y se refiere al uso de transistores y resistores separados en la construcción de circuitos. Un circuito discreto es aquel en el cual todos los componentes se han soldado o conectado mecánicamente en alguna otra forma.

La invención del circuito integrado (CI) en la década de los 60 fue un descubrimiento muy importante ya que supero la necesidad de conectar mecánicamente los componentes discretos. Para empezar, un CI es un dispositivo que cuenta con sus propios transistores y resistores. Estos componentes internos no son discretos, sino que están integrados. Esto significa que se producen y conectan durante el mismo proceso de fabricación. El producto final, ya sea un amplificador multietapa o un circuito de conmutación, puede llevar a cabo una función completa. Debido a que sus componentes integrados son microscópicamente pequeños, un fabricante puede colocar cientos de ellos en el espacio que ocupa un simple transistor discreto.

Uno de los primeros CI que se fabricaron fue el amplificador operacional (amp op.). Un amplificador operacional característico es un amplificador de cd de alta ganancia que opera desde los 0 HZ hasta 1MHZ. Un amp op Ci es como una caja negra mágica con terminales externas o puntos para conexión. Al conectar esas terminales de conexión con voltajes de alimentación, generadores de señal y resistencias de carga, se puede construir de manera fácil y rápida un amplificador optimo. El truco es, sin embargo, saber que terminales se conectan y conque. También ayuda conocer un poco lo que hay adentro de la caja negra, porque entonces se estará en una mejor posición al detectar fallas, analizar o diseñar circuitos con CI.

5.4           El Diodo Emisor de Luz. LED. Símbolo. Características. Funcionamiento. Formula.

Introducción

    Los diodos emisores de luz visible son utilizados en grandes cantidades como indicadores piloto, dispositivos de presentación numérica y dispositivos de presentación de barras, tanto para aplicaciones domésticas como para equipos industriales, esto es debido a sus grandes ventajas que son: peso y espacio insignificantes, precio moderado, y en cierta medida una pequeña inercia, que permite visualizar no solamente dos estados lógicos sino también fenómenos cuyas características varían progresivamente.

Sus siglas provienen del Ingles (Light Emitting Diode) : Led.

El símbolo del diodo es el siguiente

Como otros dispositivos de presentación, los Leds pueden proporcionar luz en color rojo, verde y azul. El material de un Led está compuesto principalmente por una combinación semiconductora.

El GaP se utiliza en los Leds emisores de luz roja o verde; el GaAsP para los emisores de luz roja, anaranjada o amarilla y el GaAlAs para los Leds de luz roja. Para los emisores azules se han estado usando materiales como SiC, GaN, ZnSe y ZnS.

Características

   1. Dimensiones y color del diodo

Actualmente los Leds tienen diferentes tamaños, formas y colores. Tenemos Leds redondos, cuadrados, rectangulares, triangulares y con diversas formas.

Los colores básicos son rojo, verde y azul, aunque podemos encontrarlos naranjas, amarillos incluso hay un Led de luz blanca.

Las dimensiones en los Led redondos son 3mm, 5mm, 10mm y uno gigante de 20mm. Los de formas poliédricas suelen tener unas dimensiones aproximadas de 5x5mm.

        2. Ángulo de vista

Esta característica es importante, pues de ella depende el modo de observación del Led, es decir, el empleo práctico de aparato realizado.

Cuando el Led es puntual la emisión de luz sigue la ley de Lambert, permite tener un ángulo de vista relativamente grande y el punto luminoso se ve bajo todos los ángulos. (figura 4)

        3. Luninosidad

La intensidad luminosa en el eje y el brillo están intensamente relacionados. Tanto si el Led es puntual o difusor, el brillo es proporcional a la superficie de emisión.

Si el Led es puntual, el punto será más brillante, al ser una superficie demasiado pequeña. En uno difusor la intensidad en el eje es superior al modelo puntual.

        4. Consumo

El consumo depende mucho del tipo de Led que elijamos:

Tabla 2. Características de los Leds.

La resistencia de limitación de la figura 6 puede calcularse a partir de la fórmula:

        V - Vled

R = ------------

             I

Si expresamos V en voltios e I en miliamperios el valor de la resistencia vendrá directamente expresado en kiloohmios.

También hay que tener en cuenta el calor disipado por en la resistencia, se calcula por la Ley de Joule.

Ley de Joule:

Potencia = I2 R

Donde I es la intensidad que atravesará al diodo y R la resistencia calculada en el apartado anterior.

5.5           El espectro de emisión espontánea. El LED, Diodo emisor de diferente color de Luz.

Emisión espontánea. En física, se denomina emisión espontánea al proceso por el cual un átomo, una molécula o un núcleo, en un estado excitado, pasa a un estado de energía más bajo. Como se cumple el principio de conservación de la energía el resultado es la emisión de un fotón.

Emisión espontánea en semiconductores

En semiconductores, la emisión espontánea se conoce como recombinación radiativa, y tiene lugar cuando un electrón en la banda de conducción se recombina con un hueco del electrón de la banda de valencia.

Diodo emisor de diferente color de Luz

Dependiendo de la magnitud de la corriente, hay recombinación de los portadores de carga (electrones y huecos). Hay un tipo de recombinaciones que se llaman recombinaciones radiantes (aquí la emisión de luz). La relación entre las recombinaciones radiantes y el total de recombinaciones depende del material semiconductor utilizado (GaAs, GaAsP,y GaP)

Dependiendo del material de que está hecho el LED, será la emisión de la longitud de onda y por ende el color

Debe de escogerse bien la corriente que atraviesa el LED para obtener una buena intensidad luminosa y evitar que este se pueda dañar. El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5 V a 2.2 voltios. aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LEDs.

Tiene enormes ventajas sobre las lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas.

El diodo LED debe ser protegido. Una pequeña cantidad de corriente en sentido inverso no lo dañará, pero si hay picos inesperados puede dañarse. Una forma de protegerlo es colocar en paralelo con el diodo LED pero apuntando en sentido opuesto un diodo de silicio común.

Aplicaciones tiene el diodo LED. Se utiliza ampliamente en aplicaciones visuales, como indicadoras de cierta situación específica de funcionamiento.

5.6           Los fotodiodos PN. Símbolo: Características de operación. Circuito Básico.

Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad

Escrito por ery291 el 01/05/2007 22:34 | Comentarios (8)