Fundamentos de Iluminación


Física de la luz | La visión | Magnitudes Luminosas | Leyes básicas de iluminación | Colorimetría | Ejercicios

La Física de la Luz

Aproximadamente el 80% de la información que recibe el ser humano proviene del sentido de la vista. Por lo tanto no es necesario decir que la luz es imprescindible y vital para que el ojo pueda realizar sus funciones.

La luz ha sido un misterio que ha intrigado a toda la humanidad desde hace siglos. Las primeras teorías definidas por Platón y Euclides creían que el ojo producía rayos que al reflejarse en el objeto lo hacían visible.

Las primeras hipótesis científicas surgieron en el siglo XXVII. Entre ellas, las más conocidas son la teoría corpuscular y la teoría ondulatoria entre otras.

La teoría corpuscular, fue defendida por Isaac Newton (1642-1727). Afirmaba que la luz está compuesta por un haz de partículas materiales llamadas corpúsculos, que se desplazan en línea recta a velocidades muy elevadas que pueden atravesar medios transparentes y ser reflejados por superficies opacas.

Con esta teoría se pudo demostrar los fenómenos de:

Newton demostró experimentalmente que al hacer pasar una la luz blanca a través de un prisma (ver Imagen1), esta se descomponía en todos los colores del espectro de manera que era posible descomponer la luz solar en todos los colores del arcoiris y haciendo pasar de nuevo la luz por otro prisma volver al estado original.

Prisma de Newton

Imagen - Prisma de Newton

Christian Huygens (1629-1695) fue el defensor de la teoría ondulatoria. Afirmaba que la luz se comporta como un movimiento ondulatorio que se propaga a través de un medio ideal, conocido como éter, que está presente tanto en el vacío como en los cuerpos materiales.

El principal problema que presentó está teoría fue la hipótesis del éter, que por una parte debía ser un medio sólido para propagar las ondas transversales y por la otra no podía oponer resistencia al movimiento de las ondas.
La teoría de Huygens también sirvió para demostrar las leyes de la reflexión y refracción.

Años más tarde James Clerk Maxwell (1831-1879) desarrolla la teoría electromagnética de la luz defendiendo que la energía radiante se propaga en forma de ondas electromagnéticas. Además un poco más tarde, Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) consiguió producir radiaciones de corta longitud de onda y demostrar que eran muy semejantes a las ondas luminosas.

Estas últimas teorías no lograron explicar los fenómenos de absorción, fenómenos fotoeléctricos. Por estas razones, la teoría corpuscular cogió más fuerza que la teoría ondulatoria.

En el año 1900 Max Planck (1858-1947) dedujo una teoría que proponía que la energía de un haz luminoso se emite y absorbe por quantums, pero no creyó en su propia teoría porque contradecía las ecuaciones de Maxwell.
Unos años más tarde, Albert Einstein es quien finalmente, apoyandose en la teoría de Planck, afirma que el éter no existe y define al quanto con el nombre de fotón. De manera que un electrón necesita que absorba o emita un fotón de energía para pasar de un nivel de energía a otro.

La teoría aceptada actualmente data del 1925. Es la teoría dual de Broglie y Heisenberg defienden la doble naturaleza de la luz unificando la teoría corpuscular y la teoría ondulatoria. Para los fenómenos de propagación de la luz se apoyan en la teoría ondulatoria y la interacción entre luz y materia se apoya en la teoría corpuscular.

En resumen, la luz es una forma de energía igual que las ondas de radio y los rayos X. Pero el ojo humano no es capaz de distinguir todas las radiaciones. Sino que el ojo es sensible solamente un intervalo de longitudes de onda.
Por lo tanto a partir de ahora el término luz hará referencia a las radiaciones electromagnéticas que son capaces de excitar la retina humana.

Las ondas electromagnéticas se expresan como el producto de un campo magnético y un campo eléctrico perpendiculares entre si y a la vez perpendiculares a la dirección de la onda, tal como se muestra en la Imagen 2.

Propagación de las ondas electromagnéticas

Imagen - Propagación de las ondas electromagnéticas

Las ondas están definidas por las características siguientes:

Espectro de las radiaciones electromagnéticas

La radiación visible es el intérvalo de la banda de radiación electromagnética a la que el ojo es sensible. Esta banda está comprendida entre las longitudes de onda de 370nm (rojo) y 780nm(violeta).
Entre las radiaciones no visibles para el ojo se incluyen los Rayos Gamma, Rayos X, Radiación ultravioleta, etc. En la Imagen 3 se muestra el amplio espectro de frecuencias.

Barra de Frecuencias

Imagen - Espectro de frecuencias (Fuente: Edison UPC)

Los colores no están definidos por una única longitud de onda, es decir una única radiación monocromática, sino que a medida que se desplaza la onda, modifica la frecuencia, los colores van apareciendo de manera que están en una mezcla constante de colores.

Espectro visible

Imagen - Espectro visible por el ojo humano

Propiedades de la Luz, interacción con la materia

 

Reflexión

El fenómeno de reflexión ocurre cuando la luz incide sobre un cuerpo especular, la luz se refleja y genera nuevas ondas que se alejan del cuerpo.

Tipos de reflexion

Imagen - Reflexión especular, difusa y mixta (Fuente: PHILIPS)

La reflexión es la responsable del buen rendimiento de las luminarias, ya que utilizando reflectores adecuados, permite una conducción precisa del haz de luz hacia los lugares que se quieren iluminar.

La relación entre el flujo luminoso reflejado y el flujo incidente es el índice de reflexión o reflectancia:

Tipos de reflexion

Donde:

  • ρ Factor de reflexión
  • Φr Flujo luminoso reflejado
  • Φi Flujo luminoso incidente
  • En la Tabla 1 se muestran algunos valores ejemplo del coeficiente de reflexión para distintos materiales.

    Existen varios tipos de reflexión en función de la superficie sobre la que se refleja:

    Tipos de reflexion

    Imagen - Tipos de reflexión (Manual de Iluminación INDAL)

     

    Transmisión

    La transmisión se considera una doble refracción. Ocurre cuando la luz atraviesa el material y modifica su trayectoria al encontrarse con el siguiente medio.

    La relación entre el flujo luminoso transmitido y el flujo luminoso incidente se conoce como factor de transmisión:

    Ejemplo refracción

    Imagen - Fenómeno de transmisión (Fuente: Francisca Prat)

    Tipos de reflexion

    Donde:

  • τ Factor de transmisión
  • Φt Flujo luminoso reflejado
  • Φi Flujo luminoso incidente
  • En la Tabla 1 se dan valores ejemplo del coeficiente de trasmisión para algunos materiales.

    Existen 3 tipos de transmisión en función de la transparencia de los materiales:

    Tipos de transmision

    Imagen - Tipos de transmisión (Manual de iluminación INDAL)

     

    Absorción

    La absorción es la capacidad de un material para absorber total o parcialemente las radiaciones que le llegan a la superficie y convertirlas en otra forma de energía, normalmente en calor produciendo una pérdida de luz y disminución del rendimiento de la luminaria.

    El fenómeno de la absorción se puede aprovechar para coseguir un buen confort visual gracias al apantallamiento de las fuentes de luz.

    La relación entre el flujo luminoso absorvido y el flujo luminoso incidente se conoce como factor de absorción:

    Tipos de reflexion

    Donde:

  • α Factor de absorción
  • Φa Flujo luminoso absorbido
  • Φi Flujo luminoso incidente
  • En la Tabla 1 se muestran algunos valores de coeficientes de transmisión para distintos materiales.

    Los factores de reflexión, absorción y transmisión nunca pueden superar la unidad. En el caso de que el material posea las tres propiedades, se debe cumplir

    ρ + α + τ = 1

    En el caso que solo se produzca reflexión y abosorción se debe cumplir:

    ρ + α = 1

    Material Factor de Reflexión (ρ) Factor de Absorción (α) Factor de Transmisión (τ)
    Papel Blanco 0,6 - 0,8 0,10 - 0,30 0,10 - 0,20
    Seda blanca 0,28 - 0,38 0,01 0,61 - 0,71
    Vidrio opaco negro 0,5 0,95 0
    Vidrio opaco blanco 0,75 - 0,80 0,20 - 0,25 0
    Vidrio transparente 0,08 0,02 0,90
    Vidrio deslustrado 0,06 - 0,55 0,04 - 0,08 0,63 - 0,89
    Vidrio opalino blanco 0,30 - 0,55 0,04 - 0,08 0,36 - 0,66
    Vidrio opalino amarillo 0,25 - 0,30 0,55 - 0,58 0,12 - 0,20

    Tabla - Coeficientes factores de reflexión, absorción y transmisión

     

    Refracción

    La refracción se conoce como el cambio de dirección de la onda al pasar de un medio a otro, el cual tiene un índice de refracción diferente. El índice de refracción se simboliza con la letra n.

    Este fenómeno se produce en medios como el agua, el vidrio, etc., donde existe una variación en la velocidad de propagación de la luz y de la dirección del rayo. La velocidad de propagación de la luz disminuye a medida que aumenta el índice de refracción.
    El fenómeno más conocido de la refracción se muestra en la Imagen 7, cuando se introduce una cuchara dentro de un vaso. Desde el exterior se puede creer que la cuchara está partida, pero no es así. Esto se debe al cambio de velocidad de propagación en el agua.

    Ejemplo refracción

    Imagen - Fenómeno de refracción

    Las leyes de la refracción son conocidas como las Leyes de Snell, enunciadas a continuación:

    Ley de Snell
    Formula indice de refraccion

    Imagen - Ley de Snell

    El índice de refracción varia con los cambios de temperatura y la longitud de onda de la luz. El índice de refracción de un medio se calcula como:

    Ley de Snell
    Formula indice de refraccion

    Donde:

    La Tabla 2 muestra algunos ejemplos del índice de refracción en distintos medios:

    Material Índice de refracción (n)
    Aire 1
    Agua 1,33
    Cristal 1,56 - 1,78
    Vidrio común 1,50 - 1,54

    Tabla - Índices de refracción

     

    Interacción de la luz y la materia

    Los objetos por si solos no tienen color. El color del objeto está condicionado por las propiedades de la materia: absorción, reflexión, refracción y longitud de onda.

    Cuando un cuerpo absorbe todas las radiaciones que le llegan se verá como un cuerpo negro. Y no importa el color con el que se ilumine que el objeto siempre se verá negro.

    Cuando un objeto tiene la propiedad de reflejar todos los colores del espectro visible influye el color de la fuente de luz. El objeto tendrá el mismo color que el del haz de luz que incide sobre él.

    Tipos de reflexion

    Imagen - Representación transmisión, reflexión y absorción en función de la longitud de onda

    Un cuerpo no siempre absorbe, refleja o transmite toda la radiación que le llega. En estos casos el color depende de la mezcla de colores. Para más información ver apartado colorimetría

    Flujo luminoso | x

    Cantidad de luz emitida por una fuente de luz en todas las direcciones del espacio, en lumen [lm]

    Más información

    Intensidad luminosa | x

    Flujo luminoso emitido por una fuente de luz en una dirección dada, en candelas [cd]

    Más información

    Iluminancia | x

    Flujo lumínico que incide sobre la unidad de superficie, en lux [lx]

    Más información

    Luminancia | x

    Intensidad luminosa por unidad de superficie aparente de una fuente que emite luz o que la refleja, captada por el ojo humano, en candela/metro2 [cd/m2]

    Más información

    Uniformidad | x

    La uniformidad hace referencia a la iluminancia proporcionada sobre la superficie de referencia, generalmente la iluminancia no será uniforme, pero es una magnitud importante para el confort y la visión.

    Más información

    Deslumbramiento | x

    Pérdida o disminución de la capacidad visual debido al exceso de luminancia del objeto que se observa o incide sobre el ojo.

    Más información

    Contraste | x

    Mide la relación entre la luminancia de un objeto y la luminancia de su fondo.

    Más información

    Equilibrio Lumínico | x

    El equilibrio lumínico es la uniformidad en 3D y de las luminancias. Es una magnitud muy compleja de calcular porque aunque el ojo humano no distingue entre los distintos niveles de iluminación del espacio, estos existen.

    Más información

    Uniformidad General (Uo) | x

    Relación entre la luminancia mínima y la luminancia media de una instalación

    Más información

    Uniformidad longitudinal (UL) | x

    Relación la luminancia mínima y máxima longitudinal de una instalación

    Más información

    Uniformidad extrema (Ue) | x

    Relación la iluminancia mínima y máxima de una instalación

    Más información

    Uniformidad media (Um) | x

    Relación la iluminancia mínima y la iluminancia media de una instalación

    Más información

    Mantenimiento | x

    La iluminancia inicial proporcionada por la instalación disminuye de manera gradual con el tiempo debido al uso, disminución de los lúmenes de las lámparas, a la suciedad del sistema, etc. Pero es posible mantener la iluminancia sobre un mínimo si se limpian las lámparas y luminarias, se reemplazan las lámparas quemadas o gastadas. Es decir, si se establece un programa de mantenimiento de la instalación.

    Más información

    Eficacia luminosa | x

    Flujo que emite una fuente de luz por cada vatio consumido, en lumen/vatio [lm/W]

    Más información

    Distribución espectral | x

    La distribución espectral representa la cantidad de energía radiada que emite la fuente de luz en las diferentes áreas visibles del espectro.

    Más información

    Temperatura del color | x

    La temperatura del color mide el grado de calidez o frialdad que reproduce una fuente de luz. Se expresa en grados Kelvin [K].

    Más información

    Índice de reproducción cromática (IRC) | x

    El IRC es la capacidad de la fuente de luz para reproducir fielmente el color, comparándola con un patrón de referencia.

    Más información

    Depreciación Luminosa | x

    La depreciación luminosa hace referencia a la pérdida de iluminancia que sufre la instalación a lo largo de uso.

    Más información

    Adaptación | x

    Habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando hay cambios en el nivel de iluminación

    Más información

    Capacidades Visuales | x

    Habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando hay cambios en el nivel de iluminación

    Más información

    Vida Útil | x

    La vida útil de una lámpara se define como el número de horas de funcionamiento antes de sufrir una depreciación del 30%.

    Más información

    Tiempo de encendido | x

    El tiempo de encendido es el tiempo necesario de las lámparas para llegar al nivel estable de flujo luminoso, arrancando en frío

    Más información

    Flujo hemisférico superior instalado | x

    Porcentaje de flujo emitido por encima del plano horizontal y el flujo total de la luminaria

    Más información

    Índice de reflexión | x

    Relación entre el flujo luminoso reflejado y el flujo incidente

    Más información

    Deslumbramiento directo | x

    Deslumbramiento que se produce por una luminaria situada dentro del campo visual.

    Más información

    Fuentes de luz de alta intensidad (HID)| x

    Dentro de este grupo se encuentran las lámparas de vapor de mercurio, halogenuros metálicos y vapor de sodio

    Más información

    Agudeza visual| x

    Capacidad del ojo para reconocer y distinguir detalles de objetos situados a distancias cortas.

    Más información


    Volver arriba
    Atrás