capitulo 2-3-4

INSTITUTO NACIONAL DE CAPACITACIÓN PROFESIONAL ÁREA ELECTRICIDAD SEDE COLON – SEDE RENCA Profesor : José Guzmán Q.

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Apuntes de Clase Nº 2-3-4

Magnitudes luminosas Fundamentales Unidades y medida

2.1. Generalidades

En la técnica de la iluminación intervienen dos elementos básicos : la fuente productora de luz y el objeto a iluminar. Las magnitudes y unidades de medida fundamentales empleadas para valorar y comparar las cualidades y los efectos de las fuentes de luz son las siguientes : ? ? ? ? ?

Flujo luminoso Rendimiento luminoso Intensidad luminosa Iluminancia Luminancia

2.2. Flujo luminoso ( potencia luminosa )

La energía transformada por los manantiales luminosos no se puede aprovechar totalmente para la producción de luz. Por ejemplo, una lámpara incandescente consume una determinada energía eléctrica que transforma en energía radiante, de la cual sólo una pequeña parte es percibida por el ojo en forma de luz, mientras que el resto se pierde en calor. ( fig. 2.1.) A la energía radiante de una fuente de luz que produce una sensación luminosa se le llama flujo luminoso. Este flujo luminoso se puede definir como la energía radiada por una fuente de luz, por segundo, comparada contra la sensibilidad espectral del ojo humano. El flujo luminoso se representa por la letra griega ? (fi), siendo su unidad el Lumen (lm). 6% calor conducción casquillo y ampolla.

12% calor convección gas.

Luz 5%

83 % calor radiante

12%

Figura 2.1. Transformación de la energía eléctrica para la producción de luz en una Lámpara incandescente. incandescente.

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2.3 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 ( cura V ? ), incorporado a una esfera hueca a la que se se le da el nombre de esfera integradora de Ulbricht, Ul bricht, y en cuyo cuyo interior interior se colo coloca ca la fuente a medir. El flujo luminoso es una característica que es entregada por los fabricantes de fuentes de luz ( Philips , General Electric , Osram , Etc.). La tabla Nº 2.1. muestra el flujo luminoso para algunas lámparas. Tab Tabla la 2.1. 2.1. Fluj Flujo o lum luminos inoso para para lámpa lámparas ras Philip hilipss Lámpara Incandescente Lámpara Compacta Fluorescente Lámpara Fluorescente Lámpara Sodio Alta Presión Lámpara Sodio Baja Presión Lámpara Mercurio Alta Presión Lámpara Haluros Metálicos

Argenta SL TL80 SON SOX HPL MH

75W 18W 36W 150W 135W 400W 1500W

900 lm 900 lm 3450 lm 14000 lm 22500 lm 23000 lm 155000 lm

Es importante señalar que el flujo luminoso sólo tiene magnitud y no dirección, cuando se habla de 900 lumenes , es la cantidad de luz que emite la fuente en toda las direcciones (fig. 2.2.). El símil hidráulico es la cantidad de agua que sale de un grifo o de una ducha en un segundo.

Figura 2.2. Emisión del flujo luminoso y su símil hidráulico.

2.4 Rendimiento luminoso o Eficacia luminosa

El rendimiento luminoso o eficacia luminosa de una fuente de luz, indica el flujo flujo que emite emite la misma por cada unidad de potencia eléctrica consumida para su obtención. El rendimiento luminoso se representa por la letra griega ? ( eta ), siendo su unidad el Lumen por expresa la eficacia luminosa es : watts ( Lm/W ). La fórmula que expresa ? =? /W

La tabla 2.2. muestra los rendimientos luminosos para distintas fuentes de luz. En el caso de lámparas de descarga en gas, los watts consumidos son relacionados con los watts consumidos por el sistema ( lámpara + ballast ), es decir , se habla de eficacia luminosa del sistema.

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Ejemplo de cálculo de rendimiento luminoso: la lámpara incandescente de la serie estándar de 100W, que emite un flujo luminoso de 1380 lúmenes , tiene una eficacia luminosa de : ? = ? / W = 1380 / 100 = 13.8 lm/ lm/ W

Tab Tabla la 2.2. 2.2. Efic Eficac acia ia lum lumino inossa de de alg algun unas as lámpa lámparas ras Tip Tipo o de de lám lámpa para ra Incandescente Incandescente estándar estándar 40w Fluorescente Fluorescente lineal 40w Mercurio Alta P. 400w Haluros Metálicos 400w Sodio Baja Presión Presión 180w

Potencia Potencia Nominal N ominal Watts 40 40 400 400 180

Eficacia Eficacia Luminosa Luminosa ( lm/W ) 11 80 58 78 183

2.5 Intensidad Luminosa

Esta magnitud se entiende únicamente referida a una determinada dirección y contenida en un ángulo sólido ? ( omega ). Al igual que a una magnitud de superficie corresponde un ángulo plano que se mide en radianes, a una magnitud de volumen le corresponde un ángulo sólido o estéreo que se mide en estereorradianes. El estereorradian se define asimismo como el ángulo sólido que corresponde a un casquete esférico cuya superficie es igual al cuadrado del radio de la esfera. Figuras 2.3 y 2.4.

Fig.2.3. Ángulo plano

Fig.2.4. Ángulo sólido, relación entre flujo, Luminoso, intensidad luminosa e Iluminancia.

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 sólido cualquiera cuyo eje coincida con la dirección considerada y el valor de dicho ángulo sólido expresado en estereorradianes. La intensidad luminosa se representa por la letra I , siendo su unidad la candela (cd). La fórmula que expresa la intensidad luminosa es :

I = ?/ INACAP

?

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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 estereorradian. 1

cd =

1

lm /

1

sr

2.6 Distribución luminosa. Curva fotométrica

Conocer el valor de I según las diferentes direcciones del espacio es imprescindible a la hora de realizar los proyectos de iluminación. La medida de esta magnitud suele hacerse en grandes instalaciones , denominadas fotogoniométros ( existen diferentes tipos según su utilización ), utilizando fotoceldas para medir las lecturas de luz, ubicados muy alejados de las lámparas o luminarias, para que el ángulo sólido sea pequeño y la precisión en la medida de la intensidad sea aceptable. Si representásemos por medio de vectores la intensidad luminosa de un manantial, en infinitas direcciones del espacio, obtendríamos un cuerpo llamado “ Sóli Sólido do fotométrico “ . Figura 2.5.

Figura 2.5. Sólido fotométrico de una lámpara incandescente. Haciendo pasar un plano por el eje de simetría simetría del cuerpo cuerpo luminoso se obtendría una secc sección ión limitada por una curva que se denomina curva de distribución luminosa y también curva fotométrica. Figura 2.6.

Figura 2.6. 2.6. Curv Cur va fotométrica fotométrica de una lámpara incandescente incandescente estándar

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Mediante la curva fotométrica se puede determinar con exactitud la intensidad luminosa en cualquier dirección, dato necesario para algunos cálculos de iluminación. Cuando se analice el capitulo de Luminar Luminarias ias , se profundizará profundizará en extenso extenso las curvas curvas fotométricas. 2.7 Iluminancia o Nivel de 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 el Lux. La formula que expresa la iluminación es :

E=

?

/S

Se deduce de la formula que cuanto mayor sea el flujo luminoso incidente sobre una superficie, mayor será su iluminancia, y que para un mismo flujo luminoso incidente, la iluminancia será tanto mayor en la medida en que disminuya la superficie. El lux, unidad de iluminancia, se define como la iluminación de una superficie de un metro cuadrado que recibe uniformemente repartido un flujo luminoso de un lumen. 1

lux = 1 lm /

1

m2

La iluminancia constituye un dato importante para valorar el nivel de iluminación que existe en un puesto de trabajo, en la superficie de un recinto, en una calle, etc.

300 Lux en el cuarto

10000 Lux en la sombra 6000 Lux bajo la marquesina

100000 Lux en el sol

2500 Lux adentro de la ventana

10 Lux en el sótano

Fig. 2.7. Distintos valores aproximados de iluminancias en el exterior Tab Tabla la 2.2. 2.2. Dis Disttint intos valo alore ress aprox aproxim imad ados os de ilum iluminanc inancias ias Medio día verano al aire libre, con cielo despejado ......................................................100.000 lux Medio día día de verano al aire libre, con cielo cubier cubierto........ to............. .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..... 20.000 lux lux Pues Puesto to de trabajo trabajo bien bien iluminado iluminado en un recint recinto o interior interior .......... ..... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ....... .. 1.000 lux Buen uen alumbra alumbrado do públic público o ....................................... ............ ....................................................... .................................................... ........................ 20 a 40 lux Noche de luna luna llena llena ...................................................... ........................... ....................................................... ............................................ ................ 0.25 lux

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2.8.


Medida de la iluminancia

La medida de la iluminancia se realiza por medio de un aparato especial denominado luxómetro ( figura 2.7 ), 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 Lux.

Figura 2.7. Luxometro Luxometro Digital Digital 2.9.

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 ). La luminancia puede ser directa o indirecta , correspondiendo la primera a la producida por las fuentes de luz y la segunda a la producida por reflejo reflej o en las superficies. superficies. Figura 2.8 2. 8 y 2.9. 2.9.

Figura 2.8. 2.8. Luminancia directa de una superficie iluminada.

Figura 2.9. Luminancia Luminancia indirect indirecta a de una superficie Luminosa Luminosa iluminada.

La luminancia es lo que produce en el órgano visual la sensación de claridad, pues la luz no se hace visible hasta que es reflejada reflej ada por los lo s ccuerpos. uerpos. La mayor mayor o menor claridad claridad con con que vemos vemos los objetos Igual mente iluminados, depende de su luminancia.

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La percepción de la luz es realmente la percepción de diferencias de luminancias. Se puede decir, por lo tanto , que el ojo ve diferencias de luminancia y no de iluminación. La luminancia tiene gran importancia en el fenómeno llamado deslumbramiento, que se tratará más adelante. La fórmula que expresa la luminancia es :

L = I / S x Cos ? 2.10. Medida de la Luminancia

La medida de la luminancia se realiza por medio de un aparato especial llamado Luminancimetro, de constitución similar al luxómetro, del que igualmente existen diversos modelos.

Figura 2.10. Luminancim Luminancimetro etro de Morass, mide luminancias luminancias en Calles.

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Leyes Fundamentales Fundamentales de la luminotecnia

3.1. Ley del inverso del cuadrado de la distancia

Es importante conocer la iluminancia requerida para diferentes tareas visuales, por lo tanto es esencial tener un método para calcular esta cantidad. J.H. Lambert en la mitad del siglo 18 estableció una de las primeras leyes de iluminación para permitir él calculo de la iluminancia, iluminancia, llamada el Inverso del Cuadrado de la Distancia. Para entender esta ley, considere un cono de luz que emite una fuente puntual y unas superficies a diferentes distancias. Supongamos que el flujo luminoso dentro del cono es un lumen y la superficie esta a un metro de distancia, produciendo un área iluminada de 1 metro cuadrado. Dividiendo el flujo luminoso por el área nosotros podemos encontrar la iluminancia, que será de 1 lux. Si la superficie es desplazada a una distancia de 2 metros hacia delante, entonces el flujo luminoso dentro del cono será el mismo, pero el área iluminada incrementará su tamaño a 4 metros cuadrados. Entonces Entonces resultará una iluminancia iluminancia de ¼ de lux. lux. Tenemos entonces entonces que el área se ha incrementado incrementado en proporción propor ción al cuadrado de la distancia de la fuente de luz, y la ililuminancia uminancia ha cambiado cambiado invers inversamente amente con el cuadrado de la distancia ( figura 3.1.). Por lo tanto se puede establecer :

Figura 3.1. 3. 1. Ley del Inverso del del cuadrado de la dist distancia ancia “ Para una misma fuente de luz , las iluminancias en diferentes superficies situadas perpendicularmente a la dirección de la radiación son directamente proporcionales a la intensidad luminosa del foco, e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia que las separa del mismo.”. Esta ley se expresa por la fórmula :

E = I / D2

( 3.1.1)

La ley del inverso del cuadrado de la distancia se cumple cuando se trata de una fuente puntual de superficies perpendiculares a la dirección del flujo luminoso y cuando la distancia es grande en relación al

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tamaño del foco. Para fuentes de luz secundarias ( luminarias ), se considera suficientemente exacta, si la distancia es por lo menos cinco veces la máxima dimensión de la luminaria. 3.2. Ley Ley del Coseno oseno

En el caso anterior la superficie estaba situada perpendicularmente a la dirección de los rayos luminosos, pero cuando forma con ésta un determinado ángulo ? como muestra la figura 3.2.1., la formula de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia hay que multiplicarla por el coseno del ángulo correspondiente cuya expresión constituye la llamada “ Ley del Coseno que se enuncia así :

E = I / D2 x Cos ?

( 3.2.1 )

“ La iluminancia en un punto cualquiera de una superficie es proporcional al coseno del ángulo de incidencia del rayo luminoso en el punto iluminado”

F D

I ?

p Figura 3.2.1 Iluminancia en un punto debido a una fuente puntual F. 3.3. Iluminancia Horizontal y Vertical

En muchas aplicaciones de iluminación de interior, las luminarias utilizadas son ubicadas en un plano horizontal ( por ejemplo cielo falso americano ) el cual esta en forma paralela a la superficie que contiene al punto P. ( escritorio ). En estos casos la formula puede expresar la distancia D como una función de la altura h , la cual puede reconocerse fácilmente pues siempre será la altura de montaje de las luminarias con respecto al piso.

F H

?

I

D

?

p Figura 3.3.1 Iluminanc Il uminancia ia Horizontal en el punto punto P debido debido a la fuente F.

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Eh = I / h2 x Cos3 ?

( 3.3.1 )

En otras aplicaciones, iluminancias diferentes a la del plano horizontal son importantes. Algunos ejemplos son el pizarrón en una sala de clases , los paneles verticales de control de algunos tipos de máquinas, etc. Aquí se debe calcular calcular la la iluminancia iluminancia sobre un plano vertical vertical como muestra muestra la figura 3.3.2 3.3.2 y con con este propósito se puede re-escribir la fórmula :

Eh = I / D2 x Sen ?

( 3.3.2 )

F I D

P

?

Figura 3.3.2 Iluminanc I luminancia ia Vertical Vertical en el punto punto P debido a la fuente F. 3.4. Ley de Lambert

Existen Existen superficies superficies emisora emisorass o difusoras como como la de la figura 3.4.1 3.4. 1 que al observarlas desde distintos ángulos se tiene la misma sensación de claridad. A estas superficies se las denomina emisores o difusores perfectos. Si Lo es la luminancia según la normal y L? la luminancia según el ángulo de observación ? , se verifica que L? = Lo para cualquier ángulo ? . Como Lo=Io / S y L? = I? / S x Cos ?

, se cumple cumple la ecuación ecuación I ? = Io x Cos ?

Esta Esta relación se conoce como Ley de Lambert y sólo sólo la cumplen los emisores o difusores perfectos. Uno de los difusores más perfectos que se conocen es el óxido de magnesio. También cumplen esta Ley, con gran aproximación, la superficie de color blanco mate y los metales fundidos.

?

? ?

Figura 3.4.1 Ley de lambert

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Reflexión , Transmisión Y Absorción de la Luz.

Cuando un rayo de luz se propaga por un medio y alcanza el límite que lo separa del segundo medio, puede suceder, suceder, que retorne al primero primero ( reflexión reflexión ), o que ,lo ,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, simultáneamente, y como la energía no se puede destruir, la suma de la radiación transmitida, absorbida y reflejada debe ser igual a la incidente. 4.1. Reflexión

Este fenómeno ocurre cuando un rayo luminoso que llega a una superficie puede ser reflejado. La relación relación entre entre la luz reflejada y la incidente se se denomina reflectancia reflectancia ( denominada en iluminación de interior como factor de reflexión ) de la superficie, y generalmente depende de la longitud de onda. Cualquier superficie que no es completamente negra puede reflejar luz. La cantidad de luz que refleja y la forma en que dicha luz es reflejada se determina por las propiedades de reflexión de la superficie. Se distinguen cuatro tipos de reflexiones : -

Reflexión Especular Reflexión Difusa Reflexión Dispersa ó Mixta

4.1.1. Reflexión Especular

Esta reflexión ( fig4.1.1 ) se produce cuando la superficie reflectora es lisa. Dicha reflexión obedece a dos leyes fundamentales: - El rayo incidente, el rayo reflejado y el normal a la superficie en un punto de incidencia se trazan en el mismo plano. - El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión ? =?

Figura 4.1.1 Reflexión Especular Las superficies de reflexión especular se utilizan para los espejos que se encuentran en algunos tipos de luminarias. Entre los materiales más utilizados se encuentran el aluminio anodizado, vidrio de aluminio y plásticos.

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4.1.2. Reflexión Difusa

La reflexión es difusa cuando la superficie es irregular o cuando está compuesta de partículas reflectoras diminutas. ( por ejemplo, una superficie micro-cristalina ) ( fig4.1.2 ) Cada partícula diminuta puede actuar como un reflector especular, pero como las superficies de las partículas se encuentran en diferentes planos, distribuyen la luz en todas direcciones.

Figura 4.1.2 4. 1.2 Reflexión eflexión Difusa El papel blanco mate, las paredes y cielos rasos de yeso, y la nieve son ejemplos de superficies que producen una reflexión totalmente difusa. La pintura blanco mate se utiliza en reflectores donde se requiere un ángulo amplio de distribución de luz. 4.1.3. Reflexión Dispersa ó Mixta

En la reflexión mixta o dispersa ( fig.4.1.3 ), se producen los fenómenos de la reflexión especular y difusa, en este caso no hay imagen de espejo del objeto o de la fuente de luz, pero el ángulo de intensidad máxima reflejada es igual al ángulo de incidencia.

Figura 4.1.3 Reflexión Dispersa ó Mixta Este tipo de reflexión ocurre cuando la superficie es irregular o rugosa. Los reflectores mixtos se utilizan en el alumbrado display y en algunos tipos de proyectores, donde es importante que la distribución de luz esté bien definida.

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4.2. Transmisión

La transmisión se define como el paso de una radiación a través de un medio sin cambio de frecuencia de las radiaciones monocromáticas que la componen. Este fenómeno es característico de ciertos tipos de vidrios, cristales, plásticos, agua y otros líquidos, y del aire. Al atravesar el material parte de la luz se pierde debido a la reflexión en la superficie del medio siguiente y parte se absorbe. La relación entre la luz transmitida y la luz incidente se denomina transmitancia del material ( denominado factor de transmisión ). Existe al igual que en la reflexión diferentes tipos de transmisión: regular, difusa, mixta, selectiva. Esta ultima es de gran importancia, por que aquí ciertos colores son más absorbidos que otros. Los materiales que transmiten la luz exhibiendo la transmisión selectiva se denominan filtros. 4.3. Absorción

En los fenómenos de reflexión y transmisión, parte de la luz que incide sobre los cuerpos es absorbida en mayor o menor porción según la constitución de los materiales que lo componen. De aquí que los fenómenos de reflexión, transmisión y absorción tengan una estrecha relación entre sí. La absorción jueg juega a un pap papel el impo import rtan antte en el colo colorr de los los cue cuerp rpos os com como o ver verem emos os a all trat tratar ar de de ést éste. La La abs absorción orción siem siempr pre e representa una pérdida de luz. La relación entre la luz absorbida y la luz incidente, se denomina absortancia del material, denominado factor de absorción. 4.4. Refracción

Al pasar de un medio a otro, el rayo de luz puede cambiar su dirección. Dicho cambio, se produce por una alteración en la velocidad de la luz. La misma disminuye si la densidad del nuevo medio es mayor, y aumenta si es menor. Este cambio de velocidad y de dirección se denomina refracción ( fig.4.4.1 ).

Luz Incidente ?

Absorción

N1

N1 N2

Reflexión

?

Transmisión

N1 y N2 índices de Refracción

Figura 4.1.3 Reflexión Dispersa ó Mixta En el capitulo de luminarias veremos en detalle los usos de las propiedades ópticas de la materia de la reflexión, transmisión y refracción.

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