Tema 5. Calor y temperatura

La Termodinámica es la parte de la Física que se dedica al estudio de las transformaciones de energía donde intervienen calor, trabajo mecánico y otros aspectos de la energía, así como la relación que existe entre transformaciones y las propiedades de la materia. El tema comienza introduciendo el concepto de temperatura y de equilibrio térmico, junto con el principio cero de la Termodinámica, los termómetros y las escalas de temperatura, así como el termómetro de gas a volumen constante. El calor es la energía transferida entre un sistema y su entorno (o alrededores), debida únicamente a una diferencia de temperatura entre dicho sistema y alguna parte de su entorno. Así pues, siempre que en un sistema existe una diferencia de temperaturas se produce un flujo de calor desde la región más caliente a la más fría, hasta que las temperaturas se igualan.

Después de estudiar la dilatación térmica se presenta la ecuación de los gases ideales y se realizan algunos problemas sobre gases. El gas ideal es un modelo idealizado que funciona mejor a presiones muy bajas y altas temperaturas, cuando las moléculas del gas están muy separadas y en rápido movimiento.

Seguidamente se estudia la capacidad calorífica y el calor específico. La capacidad calorífica de una sustancia que se define como la energía térmica que se necesita para aumentar un grado la temperatura de la sustancia.

En el estudio de los cambios de fase se introduce el concepto de calor latente de fusión y de vaporización. Una cuestión importante que hay que puntualizar es que la temperatura permanece constante durante un cambio de fase, como la fusión del hielo o la ebullición del agua.

Finalmente se analizan los fenómenos de transmisión del calor sobre todo por conducción, por su interés en ingeniería. Es evidente que este fenómeno es de gran interés en la construcción a la hora de plantear, por ejemplo, el aislamiento térmico de las viviendas. Es costumbre clasificar los distintos procesos de transmisión del calor en tres modos o mecanismos básicos, si bien es cierto que con frecuencia aparecen simultáneamente. En la transmisión del calor por conducción, el flujo de calor tiene lugar por la transmisión de la energía térmica desde las moléculas de mayor energía cinética de traslación (mayor temperatura) a las de menor energía cinética (menor temperatura) sin que se produzca transporte de masa. En primer lugar se estudia la Ley de Fourier, analizando diversos problemas de conductividad en régimen estacionario como el caso del muro, tanto simple como compuesto, la esfera y el cilindro. A continuación se introducen los procesos de transmisión del calor por convección y radiación, sin entrar en mucho detalles. La convección es un proceso que tiene lugar en un líquido o un gas a consecuencia de movimiento real de las partículas calentadas en su seno. La radiación térmica es emitida por todos los cuerpos como resultado de su temperatura. Esta radiación se emite en todas direcciones, se propaga a la velocidad de la luz y cuando “choca” contra otro cuerpo puede ser reflejada, transmitida o absorbida por éste.

Bibliografía

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears-Zemansky), Vol. I (Addison-Wesley, México, 2009). Caps. 17 y 18.

Beléndez, A., Acústica, fluidos y termodinámica (1992).

Tipler, P. A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología, Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 17 y 18.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J., Física Clásica y Moderna (McGraw-Hill, Madrid, 1991). Caps. 16.

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Tema 4. Trabajo y energía

En este tema se tratan dos de los conceptos más importantes de la Física, “trabajo” y “energía”, y que irán apareciendo en todos los temas del programa de la asignatura La importancia del concepto de energía surge de la ley de conservación de la energía: la energía es una cantidad que se puede convertir de un tipo de energía a otro, pero no puede crearse ni destruirse.

En primer se define el trabajo realizado por una fuerza, tanto en el caso en el que la fuerza es constante y el movimiento rectilíneo como en el caso general de fuerza variable y movimiento curvilíneo general. Otro concepto importante es la potencia, que no es otra cosa que la rapidez con la que se realiza trabajo. El concepto de trabajo permite, a su vez, definir la energía cinética y obtener el teorema de la energía cinética que indica que el trabajo efectuado por la fuerza neta sobre una partícula es igual al cambio de la energía cinética de la partícula. Es importante señalar que la energía cinética es la energía que tiene un objeto debido a su movimiento y que al estar moviéndose es capaz de producir un trabajo modificando su energía cinética.

A continuación se estudian las fuerzas conservativas y no conservativas y se introduce la energía potencial, que no está asociada al movimiento de una partícula sino, como en el caso de una fuerza gravitatoria, está asociada con la posición de la partícula en el campo gravitatorio. Otro ejemplo de energía potencial de interés es la energía potencial elástica. Para el caso de fuerzas conservativas se introduce el principio de conservación de la energía mecánica, que es una de las leyes fundamentales de la naturaleza. Es importante señalar que cuando un sistema realiza trabajo sobre otro, se transfiere energía entre los dos sistemas, que existen muchas formas de energía y que si la energía de un sistema se conserva, su energía total no cambia aunque parte de ella puede que cambie de forma o naturaleza, pasando de un tipo a otro. La generalización de la ley de conservación de la energía cuando sobre el sistema actúa también fuerzas no conservativas -para las que no existe una energía potencial- es inmediata.

Resulta importante indicar que una forma de transferir energía (absorbida o cedida) de un sistema es intercambiar trabajo con el exterior. Si está es la única fuente de energía transferida (la energía también puede transferirse también cuando hay un intercambio de calor entre un sistema y sus alrededores debido a una diferencia de temperatura, como se verá en el tema “Calor y temperatura”), la ley de conservación de la energía se expresa diciendo que el trabajo realizado sobre el sistema por las fuerzas externas es igual a la variación experimentada por la energía total del sistema. Éste es el teorema trabajo-energía y es un instrumento poderoso para estudiar una amplia variedad de sistemas.

El último apartado del tema finaliza se centra el estudio de los choques, tanto elásticos como inelásticos.

Bibliografía

Alonso, M. y Finn, E. J., Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995). Cap. 9.

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears-Zemansky), Vol. I (Addison-Wesley, México, 2009). Caps. 6, 7 y 8.

Beléndez, A., Bernabeu, J. G. y Pastor, C., Temas de Física para Ingeniería: Trabajo y energía (1988).  http://hdl.handle.net/10045/11344

Tipler, P. A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología, Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 6 y 7.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J., Física Clásica y Moderna (McGraw-Hill, Madrid, 1991). Caps. 8 y 9.

González, C. F., Fundamentos de Mecánica (Reverté, Barcelona, 2009). Cap. 5.

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Tema 3. Dinámica

En este tema se estudia la Dinámica, es decir, la parte de la Mecánica que analiza las relaciones entre el movimiento y las causas que lo producen, es decir, las fuerzas. En Física, las causas de las interacciones entre los cuerpos, estén o no en contacto, sean próximos o lejanos, se describen mediante fuerzas. El tema comienza con una breve descripción de distintos tipos de fuerzas (de contacto, de rozamiento, normal, de tensión, de largo alcance, etc.) y de las fuerzas fundamentales de la Naturaleza (interacciones gravitatoria, electromagnética, fuerte y débil).

Seguidamente se presentan las tres leyes de Newton, que están establecidas en términos de la fuerza y la masa. Estas leyes son la ley de la inercia, la ecuación fundamental de la dinámica y el principio de acción y reacción. Un aspecto importante que hay que tener en cuenta es que el concepto de sistema de referencia inercial es fundamental para las leyes del movimiento de Newton. La segunda ley de Newton, que relaciona fuerza, masa y aceleración, es una ley fundamental de la Naturaleza, la relación básica entre fuerza y movimiento y, al igual que la primera ley, sólo es válida para sistemas de referencia inerciales. En cuanto a la tercera ley de Newton, es importante comprender que las fuerzas de acción y reacción están aplicadas a cuerpos diferentes, por lo que aunque son iguales y opuestas, no se equilibran.

Como ejemplo de fuerza de gran interés se estudia la fuerza gravitatoria -una de las fuerzas fundamentales de la Naturaleza-, la ley de la gravitación universal y el ejemplo más conocido de atracción gravitacional, el peso, es decir, la fuerza con que la Tierra atrae a un objeto.

Un apartado de gran importancia en este tema es la aplicación de las leyes de Newton a la resolución de problemas de Dinámica. Se analizan problemas con poleas, planos inclinados, tensiones y cuerdas, rozamiento, curvas peraltadas, etc., dejando claro el procedimiento general de cómo deben resolverse estos problemas. Es importante analizar ejemplos en los que la magnitud de la fuerza normal ejercida sobre un cuerpo no siempre es igual a su peso. En todos los casos es necesario, examinar con precisión las relaciones entre las fuerzas y el movimiento producido. En la resolución de problemas es indispensable dibujar correctamente el diagrama de cuerpo libre en el que se muestra el cuerpo en estudio solo, libre de su entorno, con los vectores correspondientes a todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo.

El tema finaliza con el estudio de dos conceptos de gran importancia en Física, como son los momentos lineal y angular así como sus leyes de conservación. Es necesario comprender que la segunda ley de Newton también puede expresarse en términos del momento lineal, de hecho, la fuerza neta que actúa sobre una partícula es igual ala rapidez de cambio de su momento lineal. Esta expresión de la segunda ley de Newton que relaciona la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo y su momento lineal es la que hay que utilizar cuando se analizan, por ejemplo, los sistemas de masa variable.

Bibliografía

Alonso, M. y Finn, E. J., Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995). Caps. 6 y 7.

Beléndez, A., Bernabeu, J. G. y Pastor, C., Temas de Física para Ingeniería: Dinámica del punto material (1988).  http://hdl.handle.net/10045/11343

Tipler, P. A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología, Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 4 y 5.

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears-Zemansky), Vol. I (Pearson Educación, México, 2009). Caps. 4 y 5.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J., Física para Ciencias e Ingeniería, Vol. I (McGraw-Hill, Madrid, 2005). Caps. 5 y 6.

González, C. F., Fundamentos de Mecánica (Reverté, Barcelona, 2009). Cap. 3.

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Tema 2. Cinemática

La Mecánica estudia el movimiento y su relación con las causas que lo producen. La Mecánica es la más antigua rama de la Física y, sin lugar a dudas, es también la más elaborada. Sus modelos han sido aplicados a otros campos, incluso fuera de la Física, de ahí su interés como fundamento para entender otras parcelas científicas y técnicas.

Primeramente es conveniente describir el movimiento, sin considerar las causas del mismo, a lo que se dedica la parte de la Mecánica conocida como Cinemática. A este estudio se dedica este tema, considerando el caso de la cinemática de la partícula o punto material, es decir, un cuerpo cuyo tamaño y forma no tienen importancia en la resolución de un problema mecánico determinado.

En este tema se repasan conceptos como el vector de posición, el vector desplazamiento y la velocidad y aceleraciones medias e instantáneas. Un aspecto importante a tener en cuenta es que el vector velocidad es un vector tangente a la trayectoria de la partícula en cada punto. Se analizan las componentes intrínsecas de la aceleración: aceleración tangencial y aceleración normal o centrípeta. La aceleración tangencial tiene en cuenta la variación del módulo del vector velocidad con el tiempo, mientras que la aceleración normal expresa la variación de la dirección del vector velocidad con el tiempo. La aceleración normal está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria en cada punto y es inversamente proporcional al radio de curvatura de esta trayectoria. Obviamente, para un movimiento rectilíneo no hay aceleración normal y para uno circular el radio de curvatura de la trayectoria es constante.

Seguidamente se estudia el movimiento rectilíneo y algunos casos particulares  como el movimiento rectilíneo uniforme en el que la aceleración es nula y la velocidad constante y el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, caracterizado porque la aceleración es constante. Otro tipo de movimiento de interés que también se estudia en este tema es el movimiento circular en el que se analizan los conceptos de velocidad y aceleración angulares y su relación con la velocidad y aceleración lineales. Como ejemplos se estudian el movimiento circular uniforme y el movimiento circular uniformemente acelerado. Una cuestión importante a tener en cuenta son las relaciones vectoriales entre la velocidad angular, la velocidad lineal, la aceleración angular y la aceleración lineal.

El tema finaliza con el estudio del movimiento parabólico, como es el movimiento de un proyectil, el cual permite ver cómo, para su análisis, se puede descomponer un movimiento, en este caso en dos dimensiones, como la superposición de dos movimientos unidimensionales independientes en dos direcciones perpendiculares. Cuestiones como el alcance y la altura máxima también son analizadas.

Es importante tener en cuenta en todo el desarrollo del tema que el movimiento es un concepto relativo y debe por tanto referirse siempre a un sistema particular de referencia, elegido por el observador.

Bibliografía

Alonso, M. y Finn, E. J., Física (Addison-Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1995).  Caps. 3, 4 y 5.

Beléndez, A., Bernabeu, J. G. y Pastor, C., Temas de Física para Ingeniería: Cinemática del punto material (1988). http://hdl.handle.net/10045/11342

Tipler, P.  A. y Mosca, G., Física para la Ciencia y la Tecnología,  Vol. I (Reverté, Barcelona, 2005). Caps. 2 y 3.

Young, H. D. y Freedman, R. A., Física Universitaria (Sears – Zemansky),  Vol. I (Pearson Educación, México, 2009). Caps. 2 y 3.

Gettys, W. E., Keller, F. J. y Skove, M. J.,  Física para Ciencias e Ingeniería, Vol. I (McGraw-Hill, Madrid, 2005). Caps. 3 y 4.

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Tema 1. Principios físicos de los semiconductores

El tema está dedicado a presentar una introducción sobre el análisis de los distintos tipos de sólidos, la teoría de bandas, las propiedades eléctricas de los semiconductores, los distintos tipos de conducción en semiconductores y los dispositivos semiconductores.

En primer lugar se comentan los distintos tipos de enlaces y de sólidos, distinguiendo, fundamentalmente, entre sólidos iónicos, covalentes y metálicos, e introduciendo el modelo de electrones libres para metales y el concepto de densidad de estados y la distribución de Fermi-Dirac.

Se analiza la diferencia entre los conductores, aislantes y semiconductores en función de su estructura de bandas y la separación entre las bandas de valencia y de conducción. Cuando los átomos se enlazan entre sí en la materia condensada, sus niveles de energía se reparten en bandas. En el cero absoluto, los aislantes y los semiconductores tienen una banda de valencia totalmente llena, separada por un intervalo vacío de energía, de una banda de conducción vacía. Sin embargo, en el caso de los semiconductores el intervalo vacío entre estas dos bandas es del orden de 1 eV. Los conductores tienen bandas de conducción parcialmente llenas. También se distingue entre semiconductor intrínseco y semiconductor extrínseco. en este último caso, la adición de pequeñas concentraciones de impurezas al semiconductor puede cambiar drásticamente sus propiedades eléctricas. Si se añaden impurezas donadoras se obtiene un semiconductor tipo n, mientras que si se añaden impurezas receptoras el resultado es un semiconductor extrínseco de tipo p. En este punto es importante introducir la ecuación del semiconductor o ley de acción de masas, ecuación esencial en el estudio de semiconductores y dispositivos semiconductores así como la condición de neutralidad eléctrica.

A continuación se describen los fenómenos de transporte de cargas que aparecen en los semiconductores, bien como consecuencia de la aplicación de campos eléctricos (corriente de arrastre), bien por la existencia de gradientes de concentración de los portadores (corriente de difusión). Los conceptos de velocidad de arrastre, densidad de corriente y conductividad que aquí se establecen son análogos a los introducidos para conductores metálicos en el tema de corriente eléctrica, con la diferencia que en aquel caso los portadores son electrones libres, mientras que en un semiconductor pueden ser electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas).

El último apartado del tema está dedicado a los dispositivos semiconductores, presentando de una manera introductoria las características básicas del diodo y del transistor. Comenzamos estudiando la unión p-n, tanto en polarización directa como en polarización inversa, pues este tipo de unión es la base para la construcción de diodos y transistores. Se incluyen sus características básicas de funcionamiento como son las corrientes de electrones y huecos, las características tensión-corriente en un diodo, y las tensiones y corrientes en un transistor. También se analizan algunas aplicaciones de estos dispositivos.

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Sommerfeld: el eterno candidato al Nobel

A finales de 1928, un reputado físico alemán escribía a uno de sus colegas con cierta desazón para contarle que, una vez más, no había sido galardonado con el Premio Nobel de Física:

Pero para disipar toda sospecha de falsa modestia, debo hacer notar al mismo tiempo que se está convirtiendo gradualmente en un escándalo público el que todavía no haya recibido el Premio [Nobel de Física].”

El físico teórico Arnold Sommerfeld (1868-1951) nació en Königsberg, ciudad de la antigua Prusia Oriental, la actual Kaliningrado rusa, en la que también nacieron los matemáticos Christian Goldbach y David Hilbert, el filósofo Immanuel Kant y el escritor E. T. A. Hoffmann. Tras recibir su doctorado en la Universidad de Köningsberg en 1891, se trasladó a la Universidad de Gotinga, el centro de las matemáticas en Alemania en aquella época, donde llegó a ser asistente del matemático Felix Klein e impartió clases de matemáticas y física teórica. Tras pasar unos años en la Universidad Técnica de Aquisgrán, en 1906 sucedió a Ludwig Boltzmann como profesor de física teórica y director del Instituto de Física Teórica de la Universidad de Munich, en la que creó una escuela de física teórica que llegó a ser un referente mundial.

Arnold Sommerfeld, que era diez años menor que Max Planck (1858-1947) y poco más de diez mayor que Albert Einstein (1879-1955), perteneció a una generación brillante de físicos alemanes que vivieron la derrota militar en la Gran Guerra, la caída del Imperio alemán, el nacimiento de la República de Weimar, la llegada de Hitler al poder y la Segunda Guerra Mundial, pero que a pesar de esos años convulsos contribuyeron de forma decisiva al nacimiento, desarrollo y consolidación de la física cuántica.

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André-Marie Ampère, «el Newton de la electricidad»

El 24 de noviembre de 1793, cuatro años y unos meses después de la toma de la Bastilla, Jean-Jacques Ampère, un próspero comerciante de sedas de Lyon vinculado al partido girondino, subía los últimos peldaños que le conducían al patíbulo. Detenido, juzgado y condenado a la pena capital, ese día era guillotinado y se convertía así en una víctima más de las idas y venidas revolucionarias. La muerte en la guillotina de su padre, al que estaba muy unido, afectó profundamente al joven André-Marie Ampère (1775-1836), entonces de 18 años, sumiéndole en una profunda depresión que le tuvo aislado durante varios años en la casa de campo familiar, situada a diez kilómetros de Lyon. Allí, sin apenas contacto con el mundo exterior, se dedicó a devorar casi como un poseso la magnífica biblioteca de su padre.

André-Marie Ampère fue un niño prodigio educado bajo la influencia del filósofo Rousseau, del que su padre era un ferviente seguidor y, por lo que siguiendo las ideas plasmadas en el EmilioAndré-Marie nunca fue a la escuela, excepto para dar clase él mismo. Tras varios años dando clases particulares de matemáticas consiguió una plaza de profesor de física y química en la Escuela Central de Ain (Bourg-en-Bresse) hasta 1804, fecha en la que  se convertiría en profesor de análisis matemático en la Escuela Politécnica de París.

André-Marie Ampère nació el 20 de enero de 1775 en Lyon y fue un niño prodigio educado bajo la influencia del filósofo Rousseau/ Wikipedia

En 1808, Napoleón llegó a nombrarle inspector general del sistema universitario francés (puesto que ocuparía hasta su muerte) y ya en 1814 consigue entrar en la Academia de Ciencias de Francia, en la sección de geometría. En contraste con su trayectoria profesional, su vida personal fue complicada y muy difícil, y le llevó a vivir momentos como la muerte de su padre en la guillotina, el fallecimiento de su primera esposa, la separación de su segunda esposa etc…

Ampère es uno de los 72 científicos e ingenieros franceses ilustres cuyos nombres aparecen encima de los cuatro arcos de la Torre Eiffel, como Foucault, Fourier, Fresnel, Laplace, Lavoisier, Malus o Poisson, entre otros.

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Tal día como hoy, 5 de junio, pero de 1900 nacía Dennis Gabor, «padre de la holografía»

Dennis Gabor (1900-1979) nació el 5 de junio de 1900 en Budapest, Hungría, un país que entonces formaba parte de la Monarquía Dual Austro-Húngara. Aunque la física le fascinaba, decidió estudiar ingeniería. Más tarde escribió, «ser físico no era todavía una profesión en Hungría y ¿con apenas media docena de cátedras de física en todo el país, quién podría haber sido tan presuntuoso para aspirar a una de ellas?». Al cumplir los dieciocho años fue enviado al norte de Italia para servir en la artillería austro-húngara en los últimos meses de la Primera Guerra Mundial y finalizada la contienda inició estudios de ingeniería en Budapest que concluyó en la Universidad Técnica de Berlín donde obtuvo el Título de Ingeniero Eléctrico en 1924 y el de Doctor Ingeniero en 1927 con una tesis doctoral relacionada con el desarrollo de uno de los primeros oscilógrafos de rayos catódicos de alta velocidad.

Dennis Gabor (1900-1979). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez

Dennis Gabor (1900-1979). Nobel Museum, Stockholm. Credit: A. Beléndez

El camino hacia la holografía

La holografía comienza a dar sus primeros pasos en 1947 en un laboratorio de una empresa de ingeniería eléctrica en el que Gabor trabajaba en la mejora del microscopio electrónico. Con este instrumento se había aumentado en cien veces el poder de resolución de los mejores microscopios ópticos y se estaba muy cerca de resolver las estructuras atómicas, pero los sistemas no eran lo bastante perfectos. Su limitación estaba relacionada con la aberración esférica de las lentes magnéticas del microscopio. Para resolver este problema Gabor se preguntó: «¿Por qué no tomar una mala imagen electrónica, pero que contenga la información ‘total’ de la misma, reconstruirla y corregirla mediante métodos ópticos?».

La contestación a esta pregunta se le ocurrió mientras esperaba para jugar un partido de tenis el Domingo de Pascua de 1947  y consistía en considerar un proceso en dos etapas. En la primera etapa, el registro, produciría el diagrama interferencial entre el haz de electrones objeto (onda objeto) y un “fondo coherente” (onda de referencia) que registraría en una placa fotográfica. A este interferograma Gabor lo llamó holograma, del griego ‘holos’, que significa ‘la totalidad’, pues contiene la información total (la amplitud y la fase) de la onda objeto. En la segunda etapa, la reconstrucción, iluminaría el holograma con luz visible, reconstruiría el frente de onda original y podría corregirlo por métodos ópticos para obtener una buena imagen. Así pues, los principios físicos de la holografía están basados en la naturaleza ondulatoria de la luz y son la interferencia (en la etapa de registro) y la difracción (en la etapa de reconstrucción). Gabor dedicó el resto del año trabajando en su ‘nuevo principio de microscopía’ (new microscopic principle).

Para conseguir franjas de contrastadas es necesario disponer de una fuente de iluminación de gran coherencia, la cual no existía en tiempos de Gabor. A pesar de ello, en 1948 realizó el primer holograma con luz proveniente de una lámpara de mercurio con un filtro para la luz verde, una de las mejores fuentes de luz coherente antes del láser. El objeto de este primer holograma era una pequeña diapositiva circular de 1.4 mm de diámetro que contenía los nombres HuygensYoung y Fresnel, tres físicos a los que Gabor consideraba importantes por haber puesto las bases de su técnica a la que denominó ‘reconstrucción del frente de onda’ (wave-front reconstruction). Estos hologramas no resultan impresionantes vistos hoy en día, pero constituyeron una demostración convincente de un nuevo e interesante principio de la óptica.

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