ÓPTICA

FENÓMENOS ÓPTICOS

Espectro de la radiación solar por encima de la atmósfera (amarillo) y a nivel del mar (rojo). La línea gris es el espectro térmico de un cuerpo en perfecto equilibrio con la radiación electromagnética 5250 ºC, dado que en el sol ocurren fenómenos irreversibles y existen otros fenómenos que radiación electromagnética, el espectro amarillo se aparta ligeramente de él. El espectro en rojo tiene en cuenta el efecto de la atmósfera terrestre que dispersa o absorbe preferentemente ciertas frecuencias y no otras.

En fotometría la energía lumínicaes la fracción percibida de la energía transportada por la luz y que se manifiesta sobre la materia de distintas maneras, una de ellas es arrancar los electrones de los metales, puede comportarse como una onda o como si fuera materia, pero lo más normal es que se desplace como una onda e interactúe con la materia de forma material o física. La energía lumínica es de hecho una forma de energía electromagnética.

La energía luminosa no debe confundirse con la energía radianteya que no todas las longitudes de onda comportan la misma cantidad de energía.

Su símbolo es Q _v y su unidad es el lumen por segundo (lm·s).

Definición[editar]

Si se denota por F el flujo luminoso y éste se mantiene constante en un período dado t, entonces se tiene que:

${\displaystyle Q_{v}=F\cdot \ t}$

si no, la expresión válida sería la integral del flujo luminoso respecto al tiempo.

La cantidad de luz se puede definir a partir de la energía radiante espectral, ${\displaystyle Q_{e}(\lambda )}$, gracias a la función de sensibilidad luminosa, ${\displaystyle V(\lambda )}$:

${\displaystyle Q_{v}=K\int _{\mathrm {visible} }^{\ }Q_{e}(\lambda )V(\lambda )\,d\lambda }$

Esta cantidad difiere de la energía radiada en forma de luz:

${\displaystyle Q_{rad}=\int _{0}^{\infty }Q_{e}(\lambda )\,d\lambda =\int _{0}^{\infty }{\frac {hc}{\lambda }}n_{fot}(\lambda )\,d\lambda }$

Energía radiante[editar]

Artículo principal: Energía radiante

La energía radiante es una cantidad objetiva que depende sólo de la intensidad y el color de la luz. La intensidadestá relacionada con el número de fotones por unidad de tiempo que inciden en una superficie y el color está relacionado con la longitud de onda o frecuencia de la luz incidente. La potencia lumínica asociada a una fuente es la tasa de transferencia de energía radiada por unidad de tiempo y puede expresarse como:

${\displaystyle P_{rad}={\frac {dE_{rad}}{dt}}=\int _{0}^{\infty }n_{fot}(\nu )h\nu \ d\nu }$

Donde:

${\displaystyle n_{fot}(\nu )\,}$ es el número de fotones de una cierta frecuencia ${\displaystyle \nu \,}$ emitidos por unidades de tiempo.

${\displaystyle h\,}$, es la constante de Planck.

Energía lumínica absorbida[editar]

En las situaciones prácticas la energía luminosa transferida a una superficie dependerá tanto de propiedades físico-químicas de esta como de factores geométricos como su orientación respecto a la dirección de incidencia de la luz.

Esto tienen interés práctico porque a partir de la energía luminosa puede obtenerse bien directamente o bien indirectamente energía eléctrica. La forma directa involucra el uso de células fotovoltaicas, mientras que las formas indirectas consisten en calentar un fluido circulante, que puede usarse en mover algún tipo de turbina o elemento mecánico generando energía cinética, y transformar la energía mecánica resultante en energía eléctrica. En este segundo caso frecuentemente se usan espejos curvados que concentran la energía luminosa en un volumen o área más reducidos aumentando localmente la intensidad de la luz. El fluido calentado frecuentemente está dentro de un circuito provisto de un sistema de válvulas movidas por vapor de agua que ha sido vaporizada por el calor concentrado de los espejos.

Balance energético y entropía[editar]

Nótese que la energía lumínica absorbida del sol, y la energía lumínica emitida por la tierra al espacio, tanto desde la mitad iluminada (día) como la mitad no iluminada (noche), iguala prácticamente a la luz que llega del sol, eso es lo que hace que el planeta tenga una temperatura aproximadamente constante de 15 ºC de media en la superficie (excepto por pequeñas fluctuaciones que se manifiestan como glaciaciones o calentamiento global). Lo importante entre el flujo entrante y el saliente, es que el primero tiene un número importante de fotones en el espectro visible y ultravioleta, mientras que el reemitido al espacio se sitúa en el infrarrojo y por debajo de él. Esa diferencia implica que la radiación reemitida tiene una entropía mucho mayor que la entrante. La vida en el planeta requiere por ejemplo esa diferencia de entropías para perpetuarse. De hecho el sol más que una fuente neta de energía puede considerarse una fuente de baja entropía. El balance energético entre lo recibido y lo reemitido está prácticamente equilibrado, no así la entropía.

Energía luminosa absorbida[editar]

Forma directa involucrada en células fotovoltaicas, mientras que las otras calientan fluidos. Sin esta absorción de energía la temperatura media del planeta sería más baja. Para cada nivel de radiación y cada composición de la atmósfera el equilibrio es diferente, en Marte la temperatura es baja por la baja densidad de energía lumínica que llega a su superficie, y la rápida reemisión de esta al espacio exterior. En Venus la irradiación es algo mayor, aunque similar a la tierra, sólo que sus densas nubes hacen que el equilibrio entre energía absorbida y reemitida se de a una temperatura muy alta, con respecto a la tierra.

Energía lumínica visible[editar]

El ojo humano es más eficiente para detectar fotones cuya frecuencia se encuentra en el centro del espectro visible, es decir para la longitud de onda cercana al verde. La Función de luminosidadfotópica (negro) y función de luminosidad escotópica¹​ (verde). La gráfica muestra la sensibilidad relativa del ojo a las diferentes longitudes de onda. El eje horizontal es la longitud de onda en nanómetros. Igualmente le hecho que la mayoría de plantas del planeta usen pigmentos verdes para la fotosíntesis tiene la misma explicación.

De toda la energía lumínica absorbible sólo una fracción es percibida por el ojo, que además presenta diferente sensibilidad a la luz de diferentes colores. Por lo que una medida de la luz percibida debe ponderar diferente cada longitud de onda, así por ejemplo, el ojo presenta la máxima sensibilidad para longitudes entorno de 380 nm a 780 nm.

Invisibilidad[editar]

Una luz con la misma energía radiante pero con longitud de onda más corta (0 nm a 380 nm) o más largas que 780 nm será percibida con menor energía lumínica. Los rayos ultravioletas pueden llegar a causar daño en la piel de los seres humanos, y las radiaciones de alta frecuencia pueden eventualmente a producir mutaciones genéticas que dan lugar a una variabilidad genética sobre la que opera la evolución de las especies.

Unidades[editar]

Unidades de fotometría del Sistema Internacional

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Magnitud	Símbolo	Unidad	Abrev.	Notas
Energía lumínica	Qv	lumen segundo	lm·s	A veces se usa la denominación talbot, ajena al Sistema Internacional.
Flujo luminoso	F	lumen (= cd·sr)	lm	Medida de la potencia luminosa percibida.
Intensidad luminosa	Iv	candela (= lm/sr)	cd	Es una medida de la intensidad luminosa.
Luminancia	Lv	candela por metro cuadrado	cd/m2	A veces se usa la denominación nit, ajena al Sistema Internacional.
Iluminancia	Ev	lux (= lm/m2)	lx	Usado para medir la incidencia de la luz sobre una superficie.
Emitancia luminosa	Mv	lux (= lm/m2)	lx	Usado para medir la luz emitida por una superficie.
Exposición luminosa	Hv	lux segundo	lx·s	Iluminancia integrada en el tiempo.
Eficacia luminosa	η	lumen por vatio	lm/W	Razón entre flujo luminoso y flujo radiante.

En otros sistemas de unidades, la energía lumínica se puede expresar en unidades de energía.

flujo luminoso es la medida de la potencia luminosa percibida. Difiere del flujo radiante, la medida de la potencia total emitida, en que está ajustada para reflejar la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda.

Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen (lm) y se define a partir de la unidad básica del SI, la candela (cd), como:

${\displaystyle {\rm {lm=cd\cdot sr}}}$

El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de luminosidad, que representa la sensibilidad del ojo en función de la longitud de onda. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible. La radiación fuera del espectro visible no contribuye al flujo luminoso. Así, para cualquier punto de luz, si ${\displaystyle \scriptstyle {F}}$ representa el flujo luminoso, ${\displaystyle \scriptstyle {\Phi \ (\lambda )}}$simboliza la potencia radiante espectral del punto de luz en cuestión y ${\displaystyle \scriptstyle {V(\lambda )}}$ la función de sensibilidad luminosa, entonces:

${\displaystyle F=683{,}002\int _{\lambda _{\mathrm {visible} }}^{\ }\Phi (\lambda )V(\lambda )\,d\lambda }$

Bajo condiciones fotópicas una luz monocromática de 555 nm (color verde) con un flujo radiante de 1 W, genera un flujo luminoso de 683,002 lm, que corresponde con la máxima respuesta del ojo humano. Por otro lado, el mismo flujo de radiación situado en otra longitud de onda diferente de la del pico, generaría un flujo luminoso más pequeño, de acuerdo con la curva ${\displaystyle \scriptstyle {V(\lambda )}}$.

Relación con intensidad luminosa[editar]

Flujo luminoso (en lúmenes) es una medida de la potencia luminosa total que emite una lámpara (cantidad percibida). La intensidad luminosa (en candelas) es una medida de cuanto brillo tiene el haz en una dirección particular. Teniendo en cuenta la fórmula:

${\displaystyle {\rm {lm=cd\cdot sr}}}$

Si una lámpara tiene una fuente de luz de 1 lumen y la óptica de la lámpara se configura para enfocar toda la luz de manera uniforme en un 1 estereorradián, el haz tendría una intensidad luminosa de 1 candela. Si se cambia la óptica para concentrar el haz en medio estereorradián entonces la fuente tendría una intensidad luminosa de 2 candelas, es decir, el haz resultante es más estrecho y más brillante, sin embargo, el flujo luminoso sigue siendo el mismo.

Unidades de fotometría del Sistema Internacional

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Magnitud	Símbolo	Unidad	Abrev.	Notas
Energía lumínica	Qv	lumen segundo	lm·s	A veces se usa la denominación talbot, ajena al Sistema Internacional.
Flujo luminoso	F	lumen (= cd·sr)	lm	Medida de la potencia luminosa percibida.
Intensidad luminosa	Iv	candela (= lm/sr)	cd	Es una medida de la intensidad luminosa.
Luminancia	Lv	candela por metro cuadrado	cd/m2	A veces se usa la denominación nit, ajena al Sistema Internacional.
Iluminancia	Ev	lux (= lm/m2)	lx	Usado para medir la incidencia de la luz sobre una superficie.
Emitancia luminosa	Mv	lux (= lm/m2)	lx	Usado para medir la luz emitida por una superficie.
Exposición luminosa	Hv	lux segundo	lx·s	Iluminancia integrada en el tiempo.
Eficacia luminosa	η	lumen por vatio	lm/W	Razón entre flujo luminoso y flujo radiante.