Aspectos físicos de la Luz 1. Naturaleza de la luz: La luz es una manifestación de la energía en forma de radiación electromagnética, capaces de afectar al órgano visual. Se denomina radiación a la transmisión de energía a través del espacio. 2. Producción de la luz: La luz se puede producir de varias formas. La más importante con relación a las lámparas son: Calentando cuerpo solido hasta alcanzar su grado de incandescencia (fundamento de las lámparas incandescentes). Provocando una descarga eléctrica entre dos placas o electrodos situados en el seno de gas o de un vapor metálico (fundamento de las lámparas de descarga)
En cualquier caso la producción de la luz en una transformación de energía. 3. Transmisión de la luz: La luz se transmite a distancia a través del espacio, por medio de ondas similares a las que se forman en el agua de un estanque cuando se tira una piedra. Estas ondas concéntricas se propagan a lo largo y a lo ancho del estanque formando crestas y valles amortiguándose en su recorrido hasta desaparecer. Las ondas del agua y las ondas luminosas tienen en común que sus efectos se perciben a distancia, diferenciándose que las ondas luminosas no necesitan de ningún medio material para propagarse, aunque también se transmite a través de algunos cuerpos sólidos y líquidos mientras que la del agua precisa de este elemento. Así la luz que recibimos del sol en forma de ondas llega hasta nosotros atravesando el espacio vacío que existe entre los planetas, y al entrar en contacto con la atmosfera se transmite a través de los gases que la forman. Otra diferencia es que las ondas luminosas se propagan en toda las direcciones del espacio (largo, ancho y alto), mientras que el agua solo lo hace en la superficie del estanque (largo y ancho). 4. Características de las radiación luminosa: La radiación luminosa, al igual que las otras radiaciones electromagnéticas, presentan dos características fundamentales por los cuales se diferencian. Estas características son: La Longitud de ondas o distancia entre dos ondas consecutivas. La velocidad de propagación (la luz se propaga a la velocidad de 300.000 km por segundos).
Además de estas características, la luz se propagan en línea recta que corresponde al eje de las ondas luminosas.
La unidad de longitud de onda empleada en luminotecnia, es el nanómetro de símbolo “nm”. 5. El ojo humano, órgano receptor de la luz: El ojo es el órgano físico mediante el cual se realiza las sensaciones de la luz y el color. El ojo recibe la energía luminosa y la transforma en energía nerviosa, que es conducida a través del nervio óptico hasta el cerebro. El objetivo en el ojo está compuesto por cornea, humor acuoso y cristalino: el diagrama es el iris y la película fotosensible, la retina. La retina está dotada de elementos foto receptores que cumplen distintas funciones. Estos elementos, por su forma, reciben el nombre de conos y bastoncillos. Los conos y bastoncillos son los órganos realmente sensibles a los estímulos luminosos, siendo en ellos donde se realiza la transformación de la energía luminosa en sensación o energía nerviosa. Los bastoncillos son muy sensibles a la luz y casi insensible al color, mientras que los conos son muy sensibles a los colores y casi insensibles a la luz. De aquí que la misión de los bastoncillos sea la de percibir las mayor o menor claridad con que están iluminados los objetivos, y la de los conos el apreciar los colores de estos. En la visión a la luz del día o con suficiente luz artificial clara (llamada visión fotópica) interviene los bastoncillos y los conos, mientras que en la visión nocturna o con muy poca luz (llamada visión escotópica) intervienen esencialmente los bastoncillos. En la visión escotópica no se distingue el color de los objetos, lo que justifica el refr án de que “de noche todos los gatos son pardos”. En el centro de la retina se encuentra una mancha amarilla, donde el número de conos es muy superior al de bastoncillos, existiendo en el centro de esta mancha un pequeño punto de 0.25 mm de diámetro, llamado fóvea central, que solo contiene conos y en el cual la sensibilidad retiniana a la estimulación luminosa es máxima. El punto de entrada del nervio óptico constituye lo que se llama punto ciego, que por no contener ni bastoncillos ni conos es insensible a las impresiones luminosas. 6. Formación de imágenes: El cambo visual del hombre está limitado por un ángulo de unos 130° en sentido vertical y de unos 180° en sentido horizontal. De los objetos iluminados o con la luz propia situados en el campo visual, parten rayos luminosos que atravesando la córnea pasan por el cristalino donde se refractan y llegan a la retina en el cual se forma la imagen de los objetos. Esta imagen se percibe invertida y mucho más pequeña que la natural al igual que ocurre en la cámara fotográfica, pasando mediando el nervio óptico al cerebro que se encarga de su interpretación y de rectificar su posición.
Si se quiere ver con mayor nitidez la imagen de un objeto, ha de mirarse de tal forma que los rayos luminosos procedentes del mismo convergen exactamente sobre la retina, en el Fóvea central. 7. Adaptación: Es la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automáticamente a las diferentes iluminaciones de los objetos. Este ajuste lo realiza la pupila en su movimiento de cierre y apertura. Si la iluminación es muy intensa, la pupila se contrae la luz que llega al cristalino y si es escasa, se dilata para captarla en mayor cantidad. En la iluminaciones muy alta de valor, la pupila se reduce a un diámetro de aproximadamente de 2 mm, y en iluminaciones muy bajas, se abre aproximadamente 8 mm. Cuando se pasa de un local bien iluminado a otro completamente a oscuras, el ojo se ve sometido a un proceso de adaptación en el que para su ajuste total necesita unos 30 minutos, mientras que por el contrario cuando se pasa de un local a oscuras a otro bien iluminado, dicho periodo es de solo unos segundos. 8. Acomodación: Es la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automáticamente a las diferentes distancias de los objetos, y obtener de esta forma una imagen nítida en la retina. Este ajuste se efectúa variando las curvaturas del cristalino y con ellos la distancia focal por la concentración o distensión de los músculos ciliares. Si el objetivo próximo al ojo, la curvatura del cristalino se hace mayor que cuando está lejos. En la máquina fotográfica se hace variando la distancia entre el objetivo y la película. La capacidad de acomodación del ojo disminuye con la edad a consecuencia del endurecimiento del cristalino. 9. Agudeza visual: La agudeza visual es la capacidad que tiene el ojo de reconocer por separado con nitidez y precisión objetos muy pequeños y próximos entre sí. La visión nítida está delimitada en su mayor parte en la región de la fóvea central. Se dice que una persona tiene elevada o buena agudeza visual cuando puede leer sin esfuerzo, distinguir los detalles de un objeto minúsculo o reconocer perfectamente una señal tráfico a larga distancia. La agudeza visual normal se considera que tiene el valor unidad, disminuyendo este valor con la edad debido a que el cristalino, endurecido con el tiempo, pierde elasticidad y no enfoca la imagen de los objetos suficientemente definida sobre la retina. 10. Sensibilidad del ojo a las radiaciones luminosas:
El conjunto de radiaciones de la luz del día está comprendido en una zona de espectro electromagnético, cuya longitud de onda van desde 380 nm para el color violeta hasta 780 nm para el color rojo. Estos valores corresponden a los límites de sensibilidad del ojo humano a la luz. Fuera de los mismos, el ojo es ciego, esto es, no percibe ninguna clase de radiación. Todas las fuentes luminosas tienen su propia radiación o mezcla de ella dentro de dichos límites. Si cada una de las radiaciones que contiene la luz blanca se hace llegar al ojo independientemente, éste las captará en sus diversos colores con distintas intensidad, debido a que la sensibilidad de los conos de la retina es diferente para cada color. El ojo tiene la mayor sensibilidad para una longitud de onda de 555 nm que corresponde de color amarillo- verdoso, y la mínima a los colores rojo- violeta. De aquí se deduce que los manantiales luminosos que presentan más radiaciones, cuyas longitudes de onda corresponde a los colores verde y amarillo, tendrán más eficacia, aunque una luz de tal clase no es apropiada a nuestro ojo acostumbrando a las luz blanca del sol. En la visión escotópica (en el crepúsculo y la noche), el máximo de sensibilidad se desplaza hacia las longitudes de ondas menores. Este fenómeno se denomina “Efecto Purkinje” y consiste en que las radiaciones de menor longitud de onda (violeta y azul) producen mayor intensidad de sensación con baja que con alta iluminación, mientras que las radiaciones de mayor longitud de onda (anaranjado y rojo) se comportan al contrario. Este efecto es de tener en cuenta cuando se evalúa pequeñas iluminaciones. Magnitudes Luminosas fundamentales. Unidades y medidas.
Generalidades: En la técnica de la iluminación interviene dos elementos básicos: la fuente productora de la luz y el objeto a iluminar. Las magnitudes y unidades de medida fundamentales empleadas para valorar y comparar las cualidades y los efectos de la fuente de luz, son las siguientes: - Flujo luminoso - Rendimiento luminoso - Cantidad de luz - Intensidad luminosa - Iluminancia - Luminancia
Flujos luminoso (potencia luminosa) La energía transformada por los manantiales luminosos, no se puede aprovechar totalmente para la producción de luz. Por ejemplo, una lámpara incandescentes consume una determinada energía eléctrica que transforma en
energía radiante, de la cual sólo una pequeña parte de percibida por el ojo en forma de luz mientras que el resto se pierde en calor y en flujo no luminoso. A la energía radiante que afecta a la sensibilidad del ojo durante un segundo, se le llama flujo luminoso o potencia luminosa de una fuente de luz. El flujo luminoso se representa por la letra griega ɸ (fi), siendo su unidad el lumen (lm) que, como unidad de potencia, corresponde a 1/680 W emitidos en la longitud de onda de 555 nm, a la cual la sensibilidad del ojo es máxima.
Medida del flujo luminoso: La medida del flujo luminoso se realiza en el laboratorio por medio de un fotoelemento ajustado según la curva de sensibilidad fotópica del ojo a las radiaciones monocromáticas, incorporando a una esfera hueca a la que se le da el nombre de esfera integradora de Ulbricht, y en cuyo interior se coloca la fuente de medir.
Rendimiento luminoso o coeficiente de eficacia luminosa: El rendimiento luminoso o coeficiente de eficacia luminosa indica el flujo que emite una fuente de luz por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. El rendimiento luminoso se representa por la letra griega η (eta), siendo su unidad el lumen por vatio (lm/W). La fórmula que expresa el rendimiento luminoso es:
Si se lograse fabricar una lámpara que transformara sin perdidas toda la potencia eléctrica consumida en luz de una longitud de onda de 55nm, esta lámpara tendría el mayor rendimiento luminoso posible, cuyo valor seria de 680 Lm/W, pero como solo una pequeña parte esta transformada en luz, los rendimientos luminosos obtenidos hasta ahora para las distintas lámparas quedan muy por debajo de ese valor, presentando diferencias notables entre las mismas. Ejemplo de cálculo de rendimiento luminoso: la lámpara incandescente de la serie Standrad de 100 W, que emite un flujo luminoso de 1.380 lúmenes tiene un rendimiento luminoso de:
El rendimiento luminoso se suele dar también, para las lámparas de descarga, respecto al consumo de potencia de la lámpara con accesorio de conexión.
Cantidad de la luz (Energía luminosa): De forma análoga a la energía eléctrica que se determina por la potencia eléctrica en la unidad de tiempo, la cantidad de luz o energía luminosa se determina por la potencia luminosa o flujo luminoso emitido en la unidad de tiempo. La cantidad de luz se representa por la letra Q, siendo su unidad el lumen por hora (lmh).
La fórmula que expresa la cantidad de luz es:
Esta magnitud es importante en las lámparas relámpago empleadas en fotografía, pues su valor es decisivo para la iluminación de la película. Debido al corto tiempo de la descarga, la cantidad de luz suele darse en lúmenes por segundo (lms). La lámpara AG 3B que emite cantidad de luz de 2,1 lmh, esta magnitud por segundo será:
También tiene interés conocer a efectos de cálculos económicos la cantidad de luz que emite una lámpara durante su vida. Una lámpara incandescente Standrard de 40 w que tiene un flujo luminoso de 430 lúmenes, durante si vida de 1000 horas emitirá una cantidad de luz de:
De esta cantidad hay que descontar la correspondiente a la perdida de flujo que se produce en el transcurso de dicha vida.
Intensidad luminosa: Esta magnitud se entiende únicamente referida a una determinada dirección y contenida en un ángulo sólido. Al igual que una magnitud se superficie le corresponde un ángulo plano que mide en radiaciones, a una magnitud de volumen le corresponderá un ángulo solido o estéreo que se medirá en este reorradianes. El radian se define como ángulo plano que corresponde a un arco de circunferencia de longitud igual al radio. El estereorradián se define asimismo como el ángulo solido que corresponde a un casquete esférico cuya superficie es igual al cuadrado del radio de la esfera. La intensidad luminosa de una fuente de luz en una determinada dirección es igual a la relación entre el flujo luminoso contenido en un ángulo solido cualquiera cuyo eje coincida con la dirección considerada y el valor de dicho ángulo solido expresado en estereorradianes. La intensidad luminosa se representa por la letra l, siendo su unidad la candela (cd). La fórmula que expresa la intensidad luminosa es:
La candela, unidad de intensidad luminosa, se define como 1/60 de la intensidad luminosa por cm2 de manantial luminoso patrón (cuerpo negro) a la temperatura de fusión de del platino (2.046 °k). El cuerpo negro es aquel capaz de emitir y absorber todas las radiaciones del espectro visible. El conjunto de la intensidad luminosa de un manantial en todas direcciones constituye lo que se llama distribución luminosa. La fuentes de luz utilizadas en la práctica tienen una superficie luminosa más o menos grande, cuya intensidad de
radiación se ve efectuada por la propia construcción de la fuente, presentando valores diversos en las diversos en las distintas direcciones. Con aparatos especiales se puede determinar la intensidad luminosa de un material en todas direcciones del espacio con relación a un eje vertical. Si representásemos por medio de vectores la intensidad luminosa de un manantial, en infinitas direcciones del espacio, obtendríamos un cuerpo llamado “Solido fotométrico”. Haciendo pasar un plano por el eje de simetría del cuerpo luminoso se obtendría una sección limitada por una curva que se denomina curva de distribución luminosa y también curva fotométrica. Mediante la curva fotométrica de un manantial se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación. Las curvas fotométricas se dan referidas a un flujo luminoso emitido de 1000 lúmenes y como el caso más general es que la fuente de luz emita un flujo superior, los valores de la intensidad luminosa correspondientes se hallan mediante una simple relación. Ejemplo: Si una lámpara de mercurio a alta presión tipo HQL tiene el flujo luminoso de 23.000 lúmenes, los valores de la intensidad luminosa deducidos de su curva fotométrica dada para 1000 lúmenes, habrá que multiplicarlos por el factor 23 hallado de la relación 23.000/1000, para obtener el verdadero valor. Medida de la intensidad luminosa: La medida de la intensidad luminosa se realiza en el laboratorio por medio de aparatos especiales, de los cuales existen diversos modelos fundados en la ley de la inversa del cuadrado de la distancia de la iluminación de una fuente de luz patrón y otra desconocida, situada una frente a otra en un mismo eje e interceptadas por una pantalla en la que se igualan las iluminaciones captadas en ambas caras de la misma mediante un objetivo apropiado.
Iluminación: La iluminancia o iluminación de una superficie es la relación entre el flujo luminoso que recibe la superficie y su extensión. La iluminancia se representa por la letra E, siendo su unidad de lux. La fórmula que expresa la iluminancia es:
Se deduce de la fórmula que cuando mayor sea el flujo luminoso incidente sobre una superficie, mayor será su iluminancia, y que, para un mismo flujo luminoso incidente, la iluminancia será mayor a medida que disminuye la superficie.
El lux, unidad de iluminancia, se define como la iluminancia de una superficie de 1 m2 que recibe uniformemente repartido un flujo luminoso de un lumen. La iluminancia constituye un dato importante para valorar el nivel de iluminación que existe en un puesto de trabajo, en una superficie de un recinto, en una calle, entre otros. Medida de la iluminancia: se realiza por medio de un aparato especial denominado luxómetro, que consiste en una célula fotoeléctrica que al incidir la luz sobre su superficie genera una débil corriente eléctrica que aumenta en función de la luz incidente. Dicha corriente se mide con un miliamperímetro calibrado directamente en el lux.
Luminancia La luminancia de una superficie en una dirección determinada, es la relación entre la intensidad luminosa en dicha dirección y la superficie aparente (superficie vista por el observador situado en la misma dirección). La luminancia se representa por la letra L, siendo su unidad la candela por metro cuadrado (cd/m2) llamada nit (nt), con un submúltiplo, la candela por centímetro cuadrado (cd/cm2) empleada para fuentes con elevada luminancias. La fórmula que expresa la luminancia es:
Siendo: S x cos. = Superficie aparente.
La luminancia será máxima cuando el ojo se encuentre en la perpendicular a la superficie luminosa, ya que entonces el ángulo es igual a cero y coseno de igual a uno, correspondiendo la superficie aparente a la real.
Leyes fundamentales de la luminancia Ley de coseno: Cuando la superficie no es perpendicular a la dirección de los rayos luminosos, la ecuación del nivel de iluminación hay que multiplicarla por el coseno del ángulo ð que forman con la normal a la superficie con la dirección de los rayos luminosos.
Aparatos de alumbrado: Unidad completa de iluminación que consiste en una o más lámparas junto con los elementos necesarios para distribuir la luz, fijar y proteger las lámparas, y conectarlas a la red. También llamado aparato de iluminación, luminaria.
Propiedades
Las cualidades de los aparatos de alumbrado se dividen en tres clases: a) Propiedades ópticas • Distribución luminosa adaptada a su iluminación. • Buen rendimiento luminoso de acuerdo con las condiciones de iluminación • Luminancia inferior o igual a un valor dado en ciertas direcciones de observación
b) Propiedades mecánicas y eléctricas • Ejecución robusta • Construidos de un material adaptado a su función • Equipo eléctrico perfecto • Calentamiento admisible con su construcción y con su empleo • Fácil limpieza
c) Propiedades estéticas • Los aparatos de alumbrado deben estar encendidos o apagados; bajo ambas
apariencias, deben ayudar a crear el ambiente e integrarse en el conjunto arquitectónico y decorativo del interior a iluminar
Clasificación según: funcionamiento, constitución y tipo de radicación Las luminarias pueden clasificarse de muchas maneras aunque lo más común es utilizar criterios: »Ópticos »Mecánicos »Eléctricos.
Circuito eléctrico
Un circuito es una red eléctrica (interconexión de dos o más componentes, tales como resistencias, inductores, condensadores, fuentes, interruptores y semiconductores) que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y elementos de distribución lineales (líneas de transmisión o cables) pueden analizarse por métodos algebraicos para determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más complejos. Magnitudes básicas:
Intensidad de corriente.
La intensidad del flujo de los electrones de una corriente eléctrica que circula por un circuito cerrado depende fundamentalmente de la tensión o voltaje (V) que se aplique y de la resistencia (R) en ohm que ofrezca al paso de esa corriente la carga o consumidor conectado al circuito. Si una carga ofrece poca resistencia al paso de la corriente, la cantidad de electrones que circulen por el circuito será mayor en comparación con otra carga que ofrezca mayor resistencia y obstaculice más el paso de los electrones.
Resistencia.
La resistencia de un material es una medida que indica la facilidad con que una corriente eléctrica puede fluir a través de él. La resistencia de un conductor es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección y varía con la temperatura.
Tensión o Voltaje
La tensión, el voltaje o diferencia de potencial es una magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado. La diferencia de potencia también se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.
Resistencia de un conductor eléctrico.
Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre. La resistencia está dada por la siguiente fórmula:
En donde ρ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material. Ley de Ohm y Joule
La ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simón Ohm, es una ley de la electricidad. Establece que la intensidad de la corriente que circula por un conductor es proporcional a la diferencia de potencial que aparece entre los extremos del citado conductor. Ohm completó la ley introduciendo la noción de resistencia eléctrica ; esta es el coeficiente de proporcionalidad que aparece en la relación entre y :
En la fórmula, corresponde a la intensidad de la corriente, a la diferencia de potencial y a la resistencia. Las unidades que corresponden a estas tres magnitudes en el sistema internacional de unidades son, respectivamente, amperios (A), voltios (V) y ohmios (Ω). Se conoce como efecto Joule al fenómeno irreversible por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor 1 2 debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor, el físico británico James Prescott Joule
El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuas colisiones con los núcleos atómicos y como consecuencia una pérdida de energía cinética y un aumento de la temperatura en el propio cable. Generalidades sobre cable eléctrico.
En su aspecto más general, un cable es un elemento destinado al transporte de energía eléctrica en las condiciones. Carga Eléctrica.
Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones.
Potencia eléctrica.
La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt ). Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías. Diferencia de potencial.
La diferencia de potencial entre dos punto de un campo eléctrico, es el trabajo que se debe realizar para trasladar la unidad de carga entre dicho punto. Corrientes (Dc-Ac)
La corriente se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial, que no cambia de sentido con el tiempo. A diferencia de la corriente alterna (CA en español, AC en inglés, de Alternating Current ), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan
siempre en la misma dirección. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con una corriente constante, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad, así disminuya su intensidad conforme se va consumiendo la carga (por ejemplo cuando se descarga una batería eléctrica). Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de oscilación de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una oscilación senoidal (figura 1), puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de oscilación periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. Energía y transformación de energía. Energía se encuentra en constante transformación,
pasando de unas formas a otras. La energía siempre pasa de formas más útiles a formas menos útiles. Por ejemplo, en un volcán la energía interna de las rocas fundidas puede transformarse en energía térmica produciendo gran cantidad de calor; las piedras lanzadas al aire y la lava en movimiento poseen energía mecánica; se produce la combustión de muchos materiales, liberando energía química; etc.
