3 tipos de fotómetros para medir la intensidad luminosa

Los fotómetros son aparatos que permiten comparar intensidades luminosas aplicando el principio de iluminación.

En esta ocasión hablaremos de 3 tipos de fotómetros:

1. Fotómetro de Rumford. Sobre una pantalla P se producen dos sombras S₁, S₂ del objeto O por dos fuentes Iᵤ (unidad) y Iₓ (intensidad desconocida). Sirviéndonos del sentido de la vista movemos Iₓ hasta que las sombras se vean iguales. Entonces se miden R₁ y R₂ y se aplica la fórmula de la iluminación que es la misma para los dos focos:
   
   
   
   
   
2. Fotómetro de Bunsen. Utiliza una pantalla translúcida P que tiene una mancha de grasa G. La pantalla se mueve entre la lámpara unidad I y la lámpara desconocida I, hasta que la grasa quede igualmente iluminada por ambos lados. Entonces se mide R₁ y R₂ y se aplica la fórmula de iluminación de igual manera a los dos focos:
   
   
   
   
   
   Ver también: 2 conceptos de fotometría para entender la iluminación
   
   En general, para dos lámparas luminosas de intensidad I₁, I₂ y produciendo igual cantidad de iluminación sobre una superficie a R₁ y R₂ de distancia respectivamente, el principio de la fotometría queda así:
   
   
   
   
   
3. Exposímetro. Para medir directamente la iluminación, los fotógrafos utilizan los exposímetros, que tienen sustancias que producen electricidad con la luz (efecto fotoeléctrico). El equipo mide la corriente eléctrica producida pero dando la lectura directamente en unidades de iluminación: lux.
   
   
   

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2 conceptos de fotometría para entender la iluminación

1. Flujo luminoso
   
   Si en un segundo medimos el número de fotones que irradió una vela y un foco de 100 w, encontraremos que éste envió al espacio mayor número. Decimos que el flujo luminoso F del foco es mayor que el de la vela. Entonces el flujo luminoso se define como la cantidad de fotones (energía luminosa) que emana la fuente de luz, durante una unidad de tiempo.
   
   
   
   
   
   Ver también: Propagación de la luz
   
   
2. Iluminación
   
   La iluminación es la razón del flujo luminoso F al área A que lo recibe. La abreviaremos con la letra E.




Consideremos una vela que tomaremos como patrón y llamaremos bujía. En un instante dado, emite un flujo luminoso F que incide sobre una esfera de radio R, considerada en el espacio.




Entonces la iluminación es:





pero


Como la vela ha sido tomada como una unidad, haremos:

Entonces




y todas las demás fuentes luminosas quedarán relacionadas con esta unidad: bujía (b). El sistema internacional de unidades, la unidad de iluminación es el lux:




La tabla siguiente nos proporciona intensidades luminosas de lámparas incandescentes de tungsteno y fluorescentes.




El mínimo recomendado para una correcta lectura es una iluminación de 100 lux.
Supongamos que queremos saber a qué distancia habría que colocar un foco de fluorescente de 30 w para obtener una iluminación higiénica (100 lux)
En la tabla anterior I para un foco fluorescente de 30 w es de 119 b
Entonces, despejando y sustituyendo valores en la última fórmula obtenemos:




En la práctica esta distancia puede acortarse un poco porque parte de la luz emitida por el foco es absorbida por la superficie iluminada.

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5 aplicaciones del rayo Laser

El nombre Laser es un acrónimo para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = amplificación de la luz por la emisión estimulada de la radiación. Este rayo fue inventado por Charles H. Townes. Las ondas luminosas, tanto naturales como artificiales tienen diferentes longitudes de onda y direcciones, o sea se producen en forma desordenada o incoherente.

Para producir luz coherente (rayo Laser) se enciende un tubo de flash fotográfico T alrededor de una varilla de rubí R. La luz del flash excita a los electrones de la varilla que desprenden energía luminosa de igual longitud de onda. Parte de la luz excita más átomos de rubí originando más luz. Al abrir el diafragma D sale un rayo laser de luz coherente.

Ver también: Propagación de la luz

Algunas de las aplicaciones del rayo Laser son:

1. Transmisiones de TV. Estando en peligro de congestión los canales de transmisión de radio, la región de luz visible pero en forma de rayo Laser puede permitir hasta 80 millones de canales de TV.


2. Medicina. Para cirugía dedicada: soldar retinas desprendidas.


3. Comunicaciones. Como radar óptico, el cual es 10 000 veces más preciso. También para hacer mediciones más exactas de distancias.


4. Ingeniería. Direcciones precisas en construcción. Por ejemplo, la construcción de largos túneles, al hacerse por ambos lados. También es usado en microsoldadura.


5. Navegación espacial. Para el control de las trayectorias de vuelo. A la menor desviación el receptor de Laser actúa sobre la nave, corrigiendo el vuelo.

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Propagación de la luz

Si colocamos un cuadro de cartón delante de un proyector, obtenemos un cuadro oscuro en una pantalla.

La razón es que la luz se propaga en línea recta. Sin embargo los objetos luminosos no son puntos. Por lo tanto, el cuadro negro (sombra) no es nítido: los rayos 1 y 3 determinan una región oscura en la pantalla (sombra) y los rayos 2 y 4 una zona menos oscura (penumbra). Si acercamos C y P, la distancia d disminuye.

La cámara oscura, o sea una caja con un orificio practicado con un alfiler en una de sus caras, teniendo en la opuesta una ventana de papel mantequilla, nos demuestra la propagación rectilínea de la luz: el foco se ve al revés.

Ver también: Velocidad de la luz

Los eclipses no son más que una consecuencia de la propagación rectilínea de la luz: suceden cuando un astro entra en la penumbra o sombra de otro astro.

En la mecánica relativista de Einstein se concluye que la masa se transforma en energía y viceversa. Como vimos que la luz es una forma de energía, debe tener masa y al pasar por una gran masa debe ser atraída. Efectivamente es lo que pasa: durante un eclipse total de sol, una estrella E se observa en E' debido a que el rayo de luz se curvó hacia el Sol.

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Velocidad de la luz

Los pensadores griegos afirmaron que los rayos de luz se propagaban instantáneamente. Galileo no lo creyó así y trató de calcular su velocidad en 1667 midiendo lo que tardaba en recorrer 3.2 km pero no lo logró, dada su enorme rapidez. En 1675, Römer, midió la velocidad de la luz por método astronómico. Una de las lunas de Júpiter (la cual llamaremos L)tiene un eclipse cada 42 horas aproximadamente. Römer encontró, al volver a medir en el punto B, seis meses después, un atraso de 22 minutos. Como conocía la distancia d entre las dos mediciones, aplicando la fórmula c=d/t, obtuvo que la velocidad de la luz era de 307,000 km/s.

Ver también: 2 tipos de fuentes de luz

Michelson, entre 1880 y 1931 realizó medidas muy precisas para calcular la velocidad de la luz. Colocó un espejo E giratorio de 8 caras a 35.4 km de otro espejo cóncavo. Al mandar un rayo de luz desde la fuente luminosa A, el rayo se reflejaba en la dirección (1) y luego de reflejarse en el espejo plano p tomaba la dirección (2) hasta el ojo O, siempre que el espejo E estuviera fijo en posición adecuada. Al girar E se pierde la visión de la luz. Al ir aumentando la velocidad de rotación se volverá a tener una posición "estática" del rayo. En ese momento se anota la velocidad angular ω y así se obtiene el período T. Entonces la luz cuenta para recorrer 2d con un tiempo de T/8.
Se aplica c = v/t y Michelson obtuvo, en 1926 que c = 299,796 km/s, cifras no muy seguras. Actualmente se acepta que la velocidad de la luz es de 300,000 km/s.

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2 tipos de fuentes de luz

Las fuentes de luz pueden ser de dos tipos:

1. Naturales. Objetos luminosos que encontramos en la naturaleza.  La principal fuente de luz para nosotros la tenemos en el sol.
   
   
   


Ver también: 5 tipos de fuentes luminosas


2. Artificiales. Objetos luminosos construidos por el hombre. Por ejemplo, mediante corriente eléctrica se produce incandescencia en un alambre, lo que produce oscilaciones electromagnéticas visibles de sus átomos.
   
   
   

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El experimento de Thomas Young

Thomas Young fue un científico inglés que dio un gran impulso a la teoría ondulatoria, más de un siglo después que fuera propuesta por Cristiaan Huygens.
En 1801, Young realizó un experimento para demostra que la luz se mueve en forma de onda. Hizo pasar un rayo de luz a través de los orificios perforados en dos pantallas opacas paralelas, provocando que la luz se divida, produciendo interferencia entre las distintas fuentes de luz y generando un patrón de bandas claras y oscuras.

Ver también: Christiaan Huygens y la teoría ondulatoria de la luz

La teoría corpuscular de Newton era incapaz de explicar el hecho de que dos rayos luminosos, al incidir en un punto pudieran originar oscuridad.
Young también demostró con este experimento, que debido a la interferencia luminosa, la suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos luminosidad que por separado, algo que es muy importante tomar en cuenta cuando estamos diseñando el circuito de alumbrado de nuestras instalaciones eléctricas residenciales .

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Cristiaan Huygens y la teoría ondulatoria de la luz

En 1678, el físico holandés Christiaan Huygens realizó la primera exposición de la llamada "teoría ondulatoria de la luz", la cual establece que la luz está constituida por ondas longitudinales (es decir, como esferas que surgen de la fuente luminosa, produciendo un movimiento paralelo a la dirección de propagación de la onda, igual que las ondas del sonido), y que se transmiten en un medio homogéneo.

El aire es un medio homogeneo, porque aunque es un compuesto formado por muchos elementos, todos ellos están muy bien mezclados, y  no se pueden diferenciar a simple vista lo diversos componentes que lo conforman. Eso lo convierte en un medio ideal para transmitir la luz.

Pero en los tiempos de Huygens se creía en la existencia del Éter, aquella hipotética sustancia material, extremadamente ligera, que se suponía ocupaba todos los espacios vacíos.

Ver también: Iluminación en las instalaciones eléctricas residenciales

Para Huygens, la luz era un movimiento vibratorio a través de este hipotético éter, que se difundía y producía la sensación de luz cuando era captado por el ojo. Con base en esta teoría, pudo deducir las leyes de la reflexión y la refracción de la luz. Pero no pudo explicar los patrones de interferencia que se provocan entre sí dos fuentes luminosas y que tienen aspecto de imagen "acuosa" sobre las superficies iluminadas. Por eso la teoría corpuscular de Newton, que gozaba de mayor prestigio, tuvo más  peso que la teoría ondulatoria de Huygens durante más de cien años.

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Isaac Newton y la teoría corpuscular de la luz

Sir Isaac Newton fue un físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés. Él trató de interpretar los fenómenos luminosos basado en principios de la mecánica clásica, cuyas bases él mismo estableció. 

De esa manera, supuso que la luz estaba formada por unas partículas (que llamó "corpúsculos") emitidas por los cuerpos luminosos. Por tanto, la reflexión de la luz quedaría explicada como el "rebote" de estos corpúsculos sobre las superficies de los materiales.

Ver también: Fuentes luminosas

Newton supuso que habría tantas clases de corpúsculos como colores en las luces comúnmente observadas. Gracias al respaldo del científico inglés, quien gozaba de gran prestigio en la sociedad científica de aquel tiempo, esta "teoría corpuscular de la luz" prevaleció y fue generalmente aceptada hasta la mitad del siglo XVII, aunque no era capaz de explicar todos los fenómenos luminosos.

Cuando en 1848 se lograron hacer mediciones más precisas del comportamiento de la luz, la teoría corpuscular de Newton comenzó a ser descartada y dio paso a otras teorías que lograban explicar un mayor número de fenómenos relacionados con la iluminación, y cuya comprensión nos permite realizar instalaciones de alumbrado más eficientes dentro de nuestras instalaciones eléctricas residenciales.

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5 tipos de fuentes luminosas

Los equipos que emiten luz artificial en las instalaciones eléctricas residenciales se llaman “lámparas”, los equipos en que se instalaran éstas se llaman “luminarios”.

Solemos reconocerlas por su forma y por su principio de operación, es decir su forma de producir luz.

Por reacción nuclear, como el Sol.

Por reacción química, como la llama de una vela.

Ver también: Iluminación en las instalaciones eléctricas residenciales

Por calentamiento y emisión, como las lámparas incandescentes y halógenas.

Por descarga de gas ionizado, como las lámparas fluorescentes, de baja intensidad de descarga y HID.

Por salto cuántico, como los LEDs.

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