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Luminotecnia apuntes
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PRESOCRATICOS:
Los ojos de los seres vivos proyectan rayos de fuego sutil, y la visiónse produce por el encuentro de ese fuego interior con la luzexterior.Todo lo que irradia luz en el Universo está dotado de la capacidad
PLATÓN: (partículas)
La luz es una forma del fuego, siendo su soporte materialsimilar al de este; así pues, a la escala de lo imperceptible, laluz está constituida por hileras de tetraedros que sedesplazan a gran velocidad.
de ver; así ocurre en particular con el Sol.
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ARISTÓTELES: (ondas)
“La luz es la acción del medio transparente cuando harecibido un impulso por el fuego o por un elemento como elde la región superior”
¿VELOCIDAD DE LA LUZ FINITA?
“Y han cometido un error Empédocles y quienquiera que con él haya afirmado que lapresencia de la luz se produce al desplazarse ésta y situarse en un momento dado entrela Tierra y la capa celeste que la rodea, si bien tal movimiento nos pasa inadvertido. Talafirmación, desde luego, no concuerda ni con la verdad del razonamiento ni con la
¿TRANSMISIÓN DE LA LUZ INSTANTÁNEA?
f , g ,evidencia de los hechos: y es que cabría que su desplazamiento nos pasara inadvertidotratándose de una distancia pequeña; pero que de oriente a occidente nos paseinadvertido constituye, en verdad, una suposición colosal.”
Aristóteles; “Acerca del Alma”
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“Es distinto lo que ocurre con la luz, porque la luz es debida a la existencia de algo, pero noes un movimiento. Hablando en general, cambio de estado y traslación espacial son cosasdistintas (…) pues es posible que el tal cambio de estado tenga lugar en una cosa todo deuna vez y no primero en su mitad; por ejemplo, el agua puede helarse toda a un mismotiempo.”
Aristóteles; “Del Sentido y de lo Sensible”.
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El mundo árabe:
En el siglo XI (con Alhacén) y,posteriormente en el siglo XIII, seregistra un renacimiento de last í d á t i tífiteorías de carácter científico.
LOS TRATADOS DE OPTICA EN EL MUNDO ARABE
965‐1.039 Alhacén (Ibn al‐Haytham) Tratado de óptica (1.021)
S.XIII Al‐Tusi Escritos referentes a la naturaleza de la luz
Quth al‐Din
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S.XIIIQuth al‐Din
‐discípulo de Al‐TusiEscritos sobre óptica geométrica y fisiológica
S.XIII Al‐Qazwini Escritos sobre óptica geométrica y fisiológica
S.XIII Al‐Qarafi Escritos sobre óptica geométrica y fisiológica
¿?‐1.320Kamal al‐din al‐Farisi
‐discípulo de Quth al‐DinComentario detallado al tratado de Alhacén
Teoría corpuscular: Esta teoría se fundamenta en la observación de que las partículas en movimiento poseen energía cinética. Establece tres premisas:‐ Los cuerpos luminosos emiten energía en forma de partículas.‐ Las partículas son emitidas intermitentemente en línea recta.‐ Las partículas actúan en la retina, estimulando una respuesta.p , p
Sir Isaac Newton (1.642‐1.727)“Estamos seguros de que la luz es una sustancia, pero es másdifícil determinar que sustancia es”Comunicación a la Royal Society. 8 de febrero de 1672
"posiblemente es una corriente de pequeñas cápsulas ligeras, dediversos tamaños, correspondiendo a los rojos los mayores y a los
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violetas los mas pequeños. Cuando chocan hacen vibrar el éter”
‐ Corpúsculos lanzados por cuerpos emisores de luz efecto de la visión.‐ La luz se propaga en línea recta y no por medio de ondas. ‐ No explica la difracción.
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Teoría ondulatoria:Esta teoría se fundamenta en la observación de que las ondaspueden transferir energía a pesar de que no existadesplazamiento del medio. Desarrolla tres premisas:
‐ La luz es el resultado de una vibración molecular de la fuente.‐ Las vibraciones se transmiten a través de un “Eter”.‐ Las vibraciones transmitidas estimulan la retina.
Christiaan Huygens (1.629‐1.695).(Grimaldi, Young, Fresnel)
“Si la luz emplea tiempo para su movimiento, se sigueque ese movimiento comunicado a la materia es sucesivoy por consiguiente se extiende como el sonido por
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‐ Vibraciones por contacto mutuo de pequeñas esferas elásticas éter.‐ No explica el efecto fotoeléctrico.
y, por consiguiente, se extiende, como el sonido, porsuperficies y ondas esféricas”
MEDICION DE LA VELOCIDAD DE LA LUZ Método astronómico. Römer (1675) :
289.000 km/s.En 1.675 Römer, por la observación de los satélites de Júpiter mostró que la propagación de los fenómenos luminosos se verifica en un tiempo determinado, y determinó su velocidad.(La luz solar tarda aproximadamente 8 minutos y 19 segundos en alcanzar la tierra)
Velocidad de la luz en el agua. Foucault (1850).
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Velocidad de la luz en el aire. Michelson (1926‐1929).
299.744 ± 5 km/s.apoyándose en la distancia conocida entre los montes San Antonio y Wilson; midió la velocidad de la luz mediacon un sistema complejo de espejos;
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Teoría electromagnética:Considera la luz como una perturbación electromagnética constituida por un campoeléctrico y uno magnético con comportamiento senoidal y perpendiculares entre si:‐ Los cuerpos luminosos emiten luz en forma de energía radiante.‐ Esta se propaga en forma de radiaciones electromagnéticas‐ Las radiaciones electromagnéticas estimulan la retina.
James Clerk Maxwell (1.831‐1.879).Fue predecida por James Clerk Maxwell. Su interpretación de losfenómenos electromagnéticos dio lugar a las ecuaciones campo
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fenómenos electromagnéticos dio lugar a las ecuaciones campoque llevan su nombre. (En 1.888 fue verificada por Hertz ).
0
QdAE 0dAB
dt
ddsE B
dt
dIdsB E
000
Teoría cuántica:Podría entenderse como una forma moderna de la teoría corpuscular. Facilita una formade determinar la cantidad de energía asociada a cada quanto. De ella se deduce que lacantidad de energía se incrementa con la frecuencia:
‐ La energía es emitida y absorbida en quantos discretos (fotones).‐ La magnitud de cada cuanto “Q”, es determinada por el producto de “h” y “ν”.Siendo: “h” la constante de Planck
“v” la frecuencia de vibración del fotón en Hz.
Max Planck (1.831‐1.879).
sJh 3410626.6
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La doble naturaleza. Einstein (1905):
Dualidad onda‐corpúsculo: Se conserva un vestigio de la descripción ondulatoria alconsiderar que el fotón tiene una frecuencia, y que su energía es proporcional a lafrecuencia.
En 1.921 Compton determinó el movimiento de un fotón y un solo electrón, antes ydespués de un choque y encontró que se comportaban como cuerpos materiales quetenían energía cinética y cantidad de movimiento, conservándose ambas magnitudesdespués del choque.
Los fenómenos de propagación de la luz encuentran su mejor explicación dentro de lateoría ondulatoria electromagnética, mientras que la acción mutua entre la luz y lamateria, en los procesos de absorción y emisión, es un fenómeno corpuscular.
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Teoría unificada:La teoría cuántica y la electromagnética permiten entender diferentes propiedades de laenergía radiante. En 1.924 Louis de Brouglie propone en su tesis doctoral la existenciasde ondas de materia, es decir, que toda materia tienen una onda asociada a ella.
‐ Cualquier partícula con masa en movimiento tiene asociada una onda cuya longitudestá dada por la siguiente ecuación: Donde: λ = Longitud de onda
h = Constante de Planckm = Masa de la partículav = Velocidad de la partícula
Por su lado, werner heisenberg establece que‐ Es imposible determinar simultáneamente todas las propiedades que son distintivas dela onda y del corpúsculo.
Louis –Victor de Brougli (1.892‐1.987). Werner Karl Heisenberg (1.901‐1.976)
vm
h
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Definición de Luz “Conjunto de las radiaciones detectables por el sentido
de la vista”la luz parece tener una doble naturaleza;p ; la acción mutua entre la luz y la materia, en los procesos de
ABSORCIÓN Y EMISIÓN, es un fenómeno FOTOELÉCTRICO(naturaleza CORPUSCULAR).
fenómenos de PROPAGACIÓN de la luz : teoría ELECTROMAGNÉTICA de Maxwell (naturaleza fundamental ONDULATORIA electromagnética),
◦ Según esta teoría, la luz es uno de los componentes del espectro electromagnético (c= velocidad de la luz)
f
c
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LEY PLANCK:
La energía electromagnética en una particular longitud de onda λ (en el vacío) tiene unafrecuencia f asociada y una energía de fotón E y se relacionan mediante las siguientesecuaciones:
Donde h es la constante de Planck luego:
chEch
hE
sJh 341062606896.6
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.ctechE
LONGITUD DE ONDA ʎ :
Espacio que recorre una perturbación completa.Como todos los espacios se mide en metros. En elcaso de las radiaciones asociadas al espectrovisible se utilizan los nanómetros o los Armstrong:g
1 nm = 10-9 m 1Ǻ = 10-10 m.
Las longitudes de onda es un parámetro muy variables. Las ondas cortastienen asociada una cantidad de energía elevada y las ondas largas sevinculan a un paquete energético muy reducido.
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ESPECTRO DE FRECUENCIAS Dado que las radiaciones electromagnéticas son de la misma
naturaleza y todas se propagan en el vacío a la mismanaturaleza y todas se propagan en el vacío a la misma velocidad ( V= 3 · 108 m/s), las características que las diferencia es su longitud de onda, o lo que es lo mismo, su frecuencia ( V= · f).
Entre las radiaciones electromagnéticas debemos incluir :◦ Rayos Gamma, ◦ Rayos X, ◦ Radiación Ultravioleta◦ Radiación Ultravioleta, ◦ Luz, Rayos Infrarrojos,◦ Microondas, ◦ Ondas de Radio y otras radiaciones.
ESPECTRO DE FRECUENCIAS El ojo humanoojo humano es sensible a la radiación
electromagnética con longitudes deelectromagnética con longitudes de onda comprendidas entre 380 y 780 380 y 780 nm nm aprox. margen que se denomina LUZ VISIBLE.
Las longitudes de onda más cortas del espectro visible corresponden a la luz violeta y la más larga a la luz roja, y entre estos extremos se encuentran todos los colores del arco iris
Las ondas electromagnéticas con l i d d d lilongitudes de onda ligeramente inferiores a las de la luz visible se denominan rayos ultravioleta, y las que poseen longitudes de onda ligeramente superiores, se conocen como ondas infrarrojas.
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RADIACIÓN: (UNE 21-302-78.45)
Emisión o transporte de energía enforma de ondas electromagnéticas opartículas.
ENERGÍA RADIANTE: (UNE 21-302-78)
Energía emitida, transportada o recibidaen forma de ondas electromagnéticas opartículas.
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LUZ:
Parte de la energía radiante que nuestro ojo es capaz de detectar.
ESPECTRO DE FRECUENCIAS No existen límites en las longitudes de onda de la
di ió l t éti d i t d lradiación electromagnética; es decir, todas las longitudes de onda (o frecuencias) son teóricamente posibles.
Hay que tener en cuenta que los intervalos de longitud de onda (o de frecuencia) en los que se divide el espectro electromagnético no están a veces bien definidos y frecuentemente se solapan.
Los fabricantes de lámparas suelen dar las curvas radioespectrométricas con valores comprendidos entre 380 nm. y 780 nm.
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Radiación de una fuente con espectro continuo Todo cuerpo, a cualquier temperatura que no sea el cero
absoluto irradia energía según un amplio campo de longitudabsoluto, irradia energía según un amplio campo de longitud de onda.
Esta radiación se denomina incandescencia o radiación de temperatura.
Son fuentes de luz artificial incandescente:◦ La llama de una combustión, como la vela, candil, etc.◦ Un lingote o barra de acero caliente al rojo vivo.◦ El filamento de la lámpara de incandescencia como fuente más◦ El filamento de la lámpara de incandescencia, como fuente más
común de producir luz artificial. El término incandescencia se aplica a los tipos de radiación
asociados con la temperatura.
Radiación de una fuente con espectro continuo Para saber cómo está distribuida la potencia
radiada entre las longitudes de onda, se utiliza el espectrorradiómetro.
curva de distribución espectral
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Radiación de una fuente con espectro discontinuo La energía radiante de una fuente de descarga gaseosa, como
la de vapor de sodio vapor de mercurio argón neón etcla de vapor de sodio, vapor de mercurio, argón, neón, etc., consiste en una radiación integrada por pequeños intervalos de longitud de onda que se denominan picos de emisión.
Este tipo de descarga se denomina comúnmente luminiscencia y se caracteriza porque son tipos de radiación independientes de la temperatura.
Las fuentes luminosas o lámparas de descarga más usuales son ◦ los tubos fluorescentes◦ los tubos fluorescentes,◦ los de vapor de mercurio, ◦ los de vapor de sodio ◦ los de inducción.
Radiación de una fuente con espectro discontinuo Al igual que con la incandescencia, se obtiene la
curva de distribución espectral mediante el espectrorradiómetro.
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PERIODO (T):
Tiempo empleado en desarrollar laperturbación completa y se mide ensegundos.
FRECUENCIA (Ʋ )
Es el número de oscilaciones operturbaciones en la unidad de tiempo. Semide en s-1. De las definiciones deperíodo y frecuencia se deduce fácilmenteque son inversas entre sí, es decir,podemos escribir T=1/ Ʋ.
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VELOCIDAD (C)
Espacio recorrido en la unidad de tiempo,se designa con la letra c y como ya hemosdicho, en el vacío esta velocidad es de299.792,458 km/s.
EL ESPECTRO VISIBLE
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SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO
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ESTEREORRADIAN :Muchas magnitudes y unidadesluminosas se definen en funciónde la unidad de ángulo sólido.de la unidad de ángulo sólido.
Definimos un estereorradiáncomo
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FLUJO LUMINOSO (Φ) :Magnitud derivada del flujo radiante por evaluaciónde la radiación de acuerdo con su acción sobre unreceptor selectivo cuya sensibilidad espectral vienedefinida por las eficiencias luminosas espectralesnormalizadas.
(Energía radiante por unidad de tiempo que alcanzala retina y es capaz de estimularla, produciendosensación luminosa. Es una magnitud escalar.)
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?lms
J
Tiempo
Energia
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FLUJO LUMINOSO (Potencia luminosa) se llama flujo luminoso de una fuente a la energía radiada
ib l j di h ú dque recibe el ojo medio humano según su curva de sensibilidad y que transforma en luz durante un segundo
El flujo luminoso que produce una fuente de luz es la cantidad total de luz emitida o radiada, en un segundo, en todas las direcciones.
El flujo luminoso se representa por la letra griega y su unidad es el lumen (lm).El l l fl j l i d l di ió á i El lumen es el flujo luminoso de la radiación monocromática que se caracteriza por una frecuencia de valor 540·1012 Hz.y por un flujo de energía radiante de 1/683 W.
Un watio de energía radiante de longitud de onda de 555 nm. en el aire equivale a 683 lm aproximadamente.
UNIDAD DE FLUJO LUMINOSO: LUMEN (Φ)Flujo luminoso emitido dentro del ángulo sólido unidad (un estereorradián), por unafuente luminosa puntual uniforme, que tiene una intensidad luminosa de una candela.
lVd
K e )(1 watt-luz a 555 nm = 680 lm
lmVd
K em )(
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INTENSIDAD LUMINOSA (I) :Se define como el cociente entre el flujo luminosoque abandona una superficie y se propaga por unelemento de ángulo sólido que contiene la direccióny este elemento de ángulo.
(Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido cuyo ejecoincide con la dirección considerada. Es unamagnitud vectorial.)
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candelad
d
INTENSIDAD LUMINOSA La intensidad luminosa de una fuente de luz es
igual al flujo emitido en una dirección por unidadigual al flujo emitido en una dirección por unidad de ángulo sólido en esa dirección.
Su símbolo es I, su unidad es la candela (cd)
La candela se define como la intensidad luminosa de una fuente puntual que emite un flujo luminoso de un lumen en un ángulo sólido de un estereorradián (sr).
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UNIDAD DE INTENSIDAD LUMINOSA: CANDELA (cd)Intensidad luminosa en la dirección perpendicular a unasuperficie de 1/600.000 m2 de un cuerpo negro a latemperatura de solidificación del platino (aproximadamente ºC)bajo una presión de 101.325 Nm2.bajo u a p es ó de 0 3 5
CURVAS FOTOMETRICASDistribución de las intensidadesluminosas en los distintos planosdel espacio, y según las diferentesdirecciones en cada uno de estosplanos que pasan por el centro
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p q p pfotométrico de la fuente luminosao luminaria.
Sólido fotométrico de una lámpara incandescente.
Si hacemos pasar un plano por el d í d l f
REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE MAGNITUDES LUMINOSAS
eje de simetría de la fuente luminosa, por ejemplo, un plano meridional, obtenemos una sección limitada por una curva que se denomina curva fotométrica o curva de distribución luminosa
Mediante la curva fotométrica de Mediante la curva fotométrica de una fuente de luz se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación. Curva fotométrica de una lámpara incandescente.
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ILUMINANCIA (E) :También denominada nivel de iluminación. Es elcociente entre el flujo luminoso incidente en unelemento de superficie que contiene el punto ,y elárea de ese elemento.
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(Flujo luminoso de 1 lm repartido uniformementesobre una superficie de 1 m2. Se trata de unamagnitud escalar.)
luxm
lm
S1
1
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ILUMINANCIA (Nivel de iluminación)
La iluminancia o nivel de iluminación de una superficie es la relación entre el flujo luminoso que recibe la superficie y su área.
Se simboliza por la letra E, y su unidad es el lux(lx).
La medida del nivel de iluminación se realiza por di d i l d i dmedio de un aparato especial denominado
luxómetro
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LUMINANCIA (L) : UNE 21‐30‐78 (45)Se define como el cociente entre el flujo luminoso queabandona, alcanza o atraviesa un elemento de superficieen ese punto y que se propaga en las direccionesdefinidas por un cono elemental que contiene ladirección dada, y el producto del ángulo sólido del conopor el área de la proyección ortogonal del elemento desuperficie sobre un plano perpendicular a la direccióndada.
(También denominada brillo fotométrico, es la intensidadluminosa radiada por unida de superficie aparente).
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2
2
cos m
cd
dSd
dL
LUMINANCIA efecto de luminosidad que produce una superficie en la retina del
ojo, tanto si procede de una fuente primaria que produce luz, como si procede de una fuente secundaria o superficie que refleja luz.
La luminancia de una superficie iluminada es el cociente entre la intensidad luminosa de una fuente de luz, en una dirección, y la superficie de la fuente proyectada según dicha dirección.
Se representa por la letra L, siendo su unidad la candela/metro cuadrado llamada “nit (nt)”, con un submúltiplo, la candela/centímetroca de a/ce t et ocuadrado o “stilb”, empleada para fuentes con elevadas luminancias.
La medida de la luminancia se realiza por medio del luminancímetro o nitómetro.
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REFLECTANCIA.ABSORTANCIA.TRANSMITANCIA.
LEY DE CONSERVACIÓN DEL FLUJO.
1 = α + ρ + ζ
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PROPIEDADES DE LA MATERIA– Cuando un rayo de luz se propaga por un medio y alcanza el
límite que lo separa de un segundo medio, puede suceder, l ( fl ó ) l
q p g pque retorne al primero (reflexión), o que lo atraviese y que ingrese al segundo medio donde parte se convertirá en otra forma de energía (absorción) y parte no cambiará (transmisión).
– Dos, o los tres de dichos fenómenos ocurren simultáneamente, y como la energía no se puede destruir, la suma de la energía transmitida, absorbida y reflejada debe ser igual a la energía incidente.
– Por lo tanto, la aplicación de la luz en la forma más , pconveniente exige un control y una distribución que se consigue modificando sus características a merced a los fenómenos físicos de reflexión, absorción y transmisión de la luz, sin olvidarnos de otro cuarto factor conocido como REFRACCIÓN.
