ILUMINACION

La iluminación es la acción o efecto de iluminar. En la técnica se refiere al conjunto de dispositivos que se instalan para producir ciertos efectos luminosos, tanto prácticos como decorativos. Con la iluminación se pretende, en primer lugar conseguir un nivel de iluminación, o iluminancia, adecuado al uso que se quiere dar al espacio iluminado, nivel que dependerá de la tarea que los usuarios hayan de realizar.

En religión se denomina iluminación al esclarecimiento religioso interior místico experimental o racional.

DIFUSA Y REFLEXION

REFLEXION ESPECULAR

Reflexión especular – si la superficie de un material es microscópicamente lisa y plana, como en el caso del vidrio float, los haces de luz incidentes y reflejados crean el mismo ángulo con una normal a la superficie de reflexión produciendo una reflexión especular.

REFLEXION DIFUSA

La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial. Ejemplos comunes son la reflexión de la luz, el sonido y las ondas en el agua.

Reflexión difusa – si la superficie de un material es ‘rugosa’, y no microscópicamente lisa, se producirán reflexiones difusas. Cada rayo de luz que cae en una partícula de la superficie obedecerá la ley básica de la reflexión, pero como las partículas están orientadas de manera aleatoria, las reflexiones se distribuirán de manera aleatoria. Una superficie perfecta de reflexión difusa en la práctica reflejaría la luz igualmente en todas direcciones, logrando una terminación mate perfecta.

Las superficies de vidrio con dibujo o delicadamente grabadas producen significativas reflexiones difusas.

PROPAGACION DE LA LUZ

Propagación de la luz

La luz se propaga en línea recta en un medio homogéneo. La hipótesis de la propagación de la luz explica varios fenómenos entre los que se puede resaltar:

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Cuando un rayo de luz penetra en una habitación que está llena de humo, puede observarse que el rayo de luz tiene borde definido, que es una línea recta.
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Cuando se coloca una fuente luminosa en el centro de una habitación, se observa que la luz es capaz de iluminar a todos los objetos opacos. Las sombras proyectadas por estos objetos, se deben a que la luz se propaga en línea recta y los espacios detrás de los objetos opacos son inaccesibles a ella.
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Eclipses de sol y de luna: ocurre cuando la Luna se mueve a lo largo de una órbita prácticamente circular alrededor de la Tierra, de tal manera que en ciertas ocasiones se interpone entre ésta y el sol.
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La cámara oscura es una cavidad completamente cerrada en una de cuyas caras se ha practicado un orificio circular muy pequeño. Si se coloca cualquier objeto luminoso (una vela) frente a dicho orificio, capaz de enviar rayos en todas direcciones, se ha de notar que gran parte de esos rayos quedan detenidos en la pared de la caja. El resto de ellos logra penetrar por el orificio, formándose en la pared interior una imagen de la vela. Esta imagen resultante es invertida y su nitidez depende de la magnitud del orificio, y su tamaño de la profundidad de la caja.

FLUJO LUMINOSO

El 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:


El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de sensibilidad luminosa, 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 representa el flujo luminoso , simboliza la potencia radiante espectral del punto de luz en cuestión y la función de sensibilidad luminosa, entonces:



Bajo condiciones fotópicas una luz monocromática de 555 nm (color verde) con un flujo radiante de 1W, 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 .

INTENSIDAD LUMINOSA

INTENSIDAD LUMINOSA

Para poder definir más claramente la intensidad luminosa vamos a especificar una fuente patrón o manantial patrón. Un manantial patrón es cualquier cuerpo que radia energía, ahora bien, no toda la energía que radia es considerada energía luminosa (aquella que percibimos con el sentido de la vista) sino que parte de esa energía se transforma en calor y radiaciones no visibles, así que parte de esa energía emitida por un manantial no es energía visible. Las radiaciones luminosas provienen pues del calentamiento de un determinado material a consecuencia del cual radia energía.

Este manantial patrón es un tubo cilíndrico de material refractario (Torio), de punto de fusión muy elevado, rodeado de platino puro. El tubo se ensancha en su extremo formando un ángulo sólido de un estereorradián.

Cuando este radiador total está calentado a la temperatura de 2045ºK emite una determinada cantidad de energía radiante, 1m²/600000 de esta energía es nuestra medida de referencia y es lo que llamamos candela (cd).



La intensidad luminosa (I), característica fundamental de la fuente de radiación, viene dada por el flujo luminoso F emitido por unidad de ángulo sólido W en una dirección especificada o, lo que es lo mismo, la potencia luminosa propia de la fuente que se expresa en vatios.

Como el flujo luminoso se mide en lúmenes, la unidad de intensidad luminosa será el lumen por estereorradián, dicha unidad se llama candela (cd).

Sin embargo, no resulta fácil medir la potencia que corresponde exclusivamente a la región visible, ya que la mayoría de las fuentes emiten en una zona más amplia del espectro electromagnético.

Para medir la intensidad de una fuente, es necesario definir una unidad que debe ser constante e invariable en relación a una superficie determinada.

El Sistema Internacional de Unidades (SI) incorporó a la CANDELA como unidad de medida de intensidad luminosa de una fuente.

La candela (cd) se define como la intensidad luminosa en una determinada dirección, de una fuente emisora de radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz, equivalente a 555 nm en el vacío, y que posee una intensidad de radiación en esa dirección de 1/683 vatios por estereorradián.

La ‘frecuencia escogida’ es aquella a la que el ojo es más sensible y normalmente es cuantificada en la Literatura Lumínica como la correspondiente a una longitud de onda de 555 nanómetros. La longitud de onda varía según el medio a través del cual pasa la luz, así que, para precisar esto, nuestra común descripción de longitud de onda luminosa no es la usada de modo estándar

La extraña elección del factor 683 es a fin de que el valor sea idéntico al obtenido con la previa versión de la unidad: la emisión de 1cm² de brillo de platino solidificado.

El estereorradián (sr)es el cono de luz difundido desde la fuente que ilumina 1m² de la superficie oscura de una esfera de un metro de radio alrededor de la fuente. (O sea, 1 estereorradián cubre 1m² de la superficie de una esfera de 1m de diámetro.)

El aparente brillo de una fuente cuando se mira directamente no se debe confundir con su emisión lumínica. El brillo de una fuente es medido en candela por metro cuadrado (cd/m²) y a su magnitud se la llama luminancia.

La luminancia (L) es la magnitud luminotécnica que determina la impresión de mayor o menor claridad producida por una superficie. La luminancia es un concepto propio del brillo de un objeto, bien con relación a la luz de producción propia, bien reflejada (fuente que emite luz, fuente de luz sólo reflejada o fuente de luz de ambas emisiones). Se define como la sensación luminosa, que por efecto de la luz, se produce en la retina del ojo. Es la densidad superficial de la intensidad luminosa y se expresa como la relación entre la intensidad luminosa y la superficie desde la cual se emite:

SOMBRA, UMBRA Y PENUNBRA

Una sombra es una región de oscuridad donde la luz es obstaculizada. Una sombra ocupa todo el espacio de detrás de un objeto opaco con una fuente de luz frente a él. La sección eficaz de una sombra es una silueta bidimensional o una proyección invertida del objeto que bloquea la luz.

Cuanto mayor es el ángulo entre la dirección de la luz y un objeto alargado que la obstaculice, más corta será su sombra. Por otro lado, cuanto menor sea el ángulo entre la dirección de la luz y la superficie en la que aparece la sombra, más larga será ésta. Si el objeto está cerca de la fuente luminosa, la sombra será mayor que si el objeto se encuentra lejos. Si la superficie está curvada, habrá más distorsiones.

Cuando la fuente de luz no es puntual, la sombra se divide en umbra y penumbra. Cuanto más ancha es la fuente de luz, más difuminada o borrosa será la sombra.

Umbra y penumbra
Ya mencionamos que la Tierra deja tras sí una zona de sombra, esta zona está
comprendida por dos partes: la umbra y la penumbra. Un eclipse lunar ocurre cuando la
Tierra se interpone entre el Sol y la Luna y cuando un objeto opaco (en este caso la Tierra)
se interpone en el trayecto de los rayos de luz emitidos por un objeto luminoso (en este
caso el Sol) se forma un cono de sombra, la umbra. La otra zona, la penumbra, es menos
oscura que la umbra. Al estudiar los eclipses de Luna, hay que tener más consideración por
la umbra ya que, cuando la Luna atraviesa la umbra, tiene lugar un eclipse que la oscurece
totalmente; pero cuando la Luna atraviesa la penumbra sólo se observa una disminución
de brillo que es imperceptible al ojo humano y por eso no se toma mucho en cuenta esta
zona.
La umbra se forma con las tangentes exteriores de la Tierra y el Sol. La penumbra se forma
por dos lineas que parten desde el centro del Sol y son tangentes a la Tierra. Ya se dijo que
la Luna, al atravesar la penumbra, solamente se oscurece un poco y por esta razón, cuando
los astrónomos mencionan el "cono de sombra" se están refiriendo a la zona de la umbra
que tiene forma de cono en el caso de la Tierra, y dejan de lado la penumbra.

LUZ COMO PARTICULAS

La luz como partícula

Aunque la teoría ondulatoria es generalmente correcta cuando describe la propagación de la luz, falla a la hora de explicar otras propiedades como la interacción de la luz con la materia.

Cuando, en 1887, Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell, también observó un nuevo fenómeno, el efecto fotoeléctrico, que sólo puede explicarse con un modelo de partículas para la luz:

El fotón: partícula de luz

Einstein ha contribuido enormemente a nuestro conocimiento sobre la luz. No sólo demostró que la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 300.000 km/s) no puede ser superada, sino que introdujo la idea del cuanto de luz.

En esencia la idea de Einstein consiste en considerar que la luz está formada por partículas ya que los cuantos son pequeños "paquetes" indivisibles de energía, a los que llamó fotones. Recuerda que Newton planteó la idea de la luz compuesta de partículas, a las que llamó corpúsculos. Los fotones pueden tener diferente energía dependiendo de su frecuencia, así una radiación de frecuencia elevada está compuesta de fotones de alta energía. La relación entre la frecuencia y la energía es:

E = hf

donde E = energía ,h = constante de Planck y f = frecuencia.

En física moderna, el fotón es la partícula elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno electromagnético. Es la partícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio. El fotón tiene una masa invariante cero,[1] y viaja en el vacío con una velocidad constante c. Como todos los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad onda-corpúsculo"). Se comporta como una onda en fenómenos como la refracción que tiene lugar en una lente, o en la cancelación por interferencia destructiva de ondas reflejadas; sin embargo, se comporta como una partícula cuando interacciona con la materia para transferir una cantidad fija de energía, que viene dada por la expresión.

LUZ COMO ONDA

En el siglo XIX Fresnel y Young observaron los fenómenos de interferencia y difracción para la luz, que no se podían explicar con la hipótesis de Newton, y Foucault midió la velocidad de la luz en diferentes medios y observó que al pasar del aire al agua disminuía su velocidad, tal como había propuesto Huygens.

Estos descubrimientos permitieron que se consolidaran las ideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz, aunque todavía quedaban algunas cuestiones sin resolver relacionadas con la propia naturaleza de la luz y con su propagación en el vacío.
En 1860, Maxwell publicó su teoría matemática sobre el electromagnetismo que predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se propagaban a la misma velocidad que la luz.

Por ello argumentó que la luz y otras ondas que se conocían como las de radio consistían en un mismo fenómeno: eran ondas electromagnéticas que se diferenciaban sólo en su frecuencia.

Hoy consideramos que una onda electromagnética es única, aunque se compone de dos perturbaciones: un campo eléctrico vibrando perpendicularmente a un campo magnético.

HISTORIA DE LA LUZ

Diferentes teorías se han ido desarrollando para interpretar la naturaleza de la luz hasta llegar al conocimiento actual. Las primeras aportaciones conocidas son las de Lepucio (450 a.C.) perteneciente a la escuela atomista, que consideraban que los cuerpos eran focos que desprendían imágenes, algo así como halos oscuros, que eran captados por los ojos y de éstos pasaban al alma, que los interpretaba.

Los partidarios de la escuela pitagórica afirmaban justamente lo contrario: no eran los objetos los focos emisores, sino los ojos. Su máximo representante fue Apuleyo (400 a.C.); haciendo un símil con el sentido del tacto, suponían que el ojo palpaba los objetos mediante una fuerza invisible a modo de tentáculo, y al explorar los objetos determinaba sus dimensiones y color.

Dentro de la misma escuela, Euclides (300 a.C.) introdujo el concepto de rayo de luz emitido por el ojo, que se propagaba en línea recta hasta alcanzar el objeto.

Pasarían nada mas que trece siglos antes de que el árabe Ajasen Basora (965-1039) opinara que la luz era un proyectil que provenía del Sol, rebotaba en los objetos y de éstos al ojo.

¿Qué es la luz?. Los sabios de todas las épocas han tratado de responder a esta pregunta. Los griegos suponían que la luz emanaba de los objetos, y era algo así como un "espectro" de los mismos, extraordinariamente sutil, que al llegar al ojo del observador le permitía verlo.

De esta manera los griegos y los egipcios se abocaron a la solución de estos problemas sin encontrar respuestas adecuadas. Posteriormente en la Europa del S. XV al XVII, con los avances realizados por la ciencia y la técnica, surgieron muchos matemáticos y filósofos que produjeron importantes trabajos sobre la luz y los fenómenos luminosos.

Es Newton el que formula la primera hipótesis seria sobre la naturaleza de la luz.

LUZ OPTICA

La óptica es la rama de la física que estudia el comportamiento de la luz, sus características y sus manifestaciones. Abarca el estudio de la reflexión, la refracción, las interferencias, la difracción, la formación de imágenes y la interacción de la luz con la materia.

La óptica se ocupa del estudio de la luz, de sus características y de sus manifestaciones. La reflexión y la refracción por un lado, y las interferencias y la difracción por otro, son algunos, de los fenómenos ópticos fundamentales. Los primeros pueden estudiarse siguiendo la marcha de los rayos luminosos. Los segundos se interpretan recurriendo a la descripción en forma de onda. El conocimiento de las leyes de la óptica permite comprender cómo y por qué se forman esas imágenes, que constituyen para el hombre la representación más valiosa de su mundo exterior.

«Una casa o un árbol proyectando sombra en un día soleado, un espejo o la superficie de un estanque devolviendo nuestra propia imagen, la apariencia quebrada de una varilla parcialmente sumergida en el agua, la ilusión de presencia de agua sobre el asfalto recalentado, el arco iris cruzando el cielo después de una tormenta, son parte de las incontables experiencias visuales que responden a tres simples leyes empíricas» (B. Rossi).

La óptica, o estudio de la luz, constituye un ejemplo de ciencia milenaria. Ya Arquímedes en el siglo III antes de Cristo era capaz de utilizar con fines bélicos los conocimientos entonces disponibles sobre la marcha de los rayos luminosos a través de espejos y lentes. Sin planteamientos muy elaborados sobre cuál fuera su naturaleza, los antiguos aprendieron, primero, a observar la luz para conocer su comportamiento y, posteriormente, a utilizarla con diversos propósitos. Es a partir del siglo XVII con el surgimiento de la ciencia moderna, cuando el problema de la naturaleza de la luz cobra una importancia singular como objeto del conocimiento científico.






La orientación de este capítulo respetará, en cierta medida, la sabia indicación de la evolución histórica sobre el estudio de la luz, y dará prioridad a lo que es la óptica geométrica: el estudio del comportamiento de haces y rayos luminosos ante espejos o a su paso por medios transparentes como láminas, prismas o lentes. El problema de lo que es la luz, o dicho de otra forma, las descripciones de su naturaleza mediante modelos científicos, se planteará en la última parte.