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LUZ Y OPTICA

LUZ Y OPTICACAPITULO 1

CAPITULO 1LUZ Y OPTICALa bsqueda para entender la naturaleza de la luz ha guiado la curiosidad de los humanos dentro de los secretos ntimos del tomo y fuera de los alcances ms lejanos del universo estrellado.Ben BovaFUNDAMENTOSPara propsitos de luminotecnia, la sociedad de ingeniera de iluminacin de Norte Amrica (IESNA) define luz como energa radiante que es capaz de excitar la retina humana y crear una sensacin visual.Como una cantidad fsica, la luz est definida en trminos de su eficiencia relativa a todo lo largo del espectro electromagntico que se extiende aproximadamente entre 380 y 780 nm. Visualmente, hay una cierta variacin individual en la eficiencia dentro de estos lmites. TEORIASUna de las primeras teoras que describen la luz implico la idea de que la luz se emite desde los ojos, y esto hace visible lo que fue golpeado por las emisiones. Aristteles rechaza esta teora al cuestionar por qu no podamos ver en la oscuridad. Desde entonces, muchas teoras alternativas han sido propuestas. Desde el punto de vista fsico, estas teoras generalmente consideran a la luz como la transferencia de energa de un lugar a otro. Algunas teoras se tratan brevemente a continuacin:TEORIA CORPUSCULAREsta teora se deduce de la observacin de que las partculas que se mueven, o corpsculos, poseen energa cintica. Esta postura fue defendida por Isaac Newton (1 642-1727). Se basa en tres premisas:1. Los cuerpos luminosos emiten energa radiante en partculas.2. Las partculas son expulsadas intermitentemente en lnea recta. 3. Las partculas actan sobre la retina, estimulando una respuesta que produce una sensacin visual.TEORIA ONDULATORIAEsta teora se deduce de la observacin de que las ondas pueden transferir energa aunque el medio en s mismo no viaje. Esta postura fue defendida por Christiaan Huygens (1629-1695). Que tambin se basa en tres premisas:1. La luz es el resultado de la vibracin molecular en el material luminoso.2. Las vibraciones son transmitidas a travs de un "ter" como movimientos ondulatorios (comparables a ondas en el agua), y las vibraciones reducen su velocidad al entrar en medios mas densos.3. Las vibraciones transmitidas actan sobre la retina, estimulando una respuesta que produce una sensacin visual.TEORA ELECTROMAGNETICAEsta teora fue formulada por James Clerk Maxwell(1831-1879), y se basa en tres premisas:1. Los cuerpos luminosos emiten luz en forma de energa radiante.2. La energa radiante se propaga en forma de ondas electromagnticas.3. Las ondas electromagnticas actan sobre la retina, estimulando una respuesta que produce una sensacin visual.TEORIA CUANTICAUna forma moderna de la teora corpuscular fue formulada por Max Planck, y se basa en dos premisas:1. La energa es emitida y absorbida en cuantos de luz (fotones)2. La magnitud de cada cuanto, Q, se determina por el producto de h y v, donde h es 6.626*10-34 J.S (constante de Planck), v es la frecuencia de vibracin de los fotones en Hz, y Q es la energa en Joules. Esta teora proporciona una manera de determinar la cantidad de energa de cada cuanto. Se deduce de esta teora que la energa se incrementa con la frecuencia.TEORIA UNIFICADATeora propuesta por Louis de Broglie y Werner Heisenberg y se basa en dos premisas: 1. Cada elemento movible de masa tiene asociado con l una onda cuya longitud est dada por la ecuacin:

Donde: : longitud de onda h: constante de Planck m: masa de la partcula v: velocidad de la partcula.

Figura 1-1. La energa (electromagntica) del espectro radiante.

2. Es imposible determinar simultneamente todas las propiedades que son caractersticas de una onda o un corpsculo.Las teoras cuntica y de ondas electromagnticas proporcionan una explicacin de las caractersticas de la energa radiante de preocupacin para la ingeniera de iluminacin. Si la luz se considera como una onda o un fotn, su radiacin se produce por procesos electrnicos en el sentido ms exacto del trmino. La luz se produce en un cuerpo incandescente, de descarga de gas, o un dispositivo de estado slido por electrones excitados que se estn acomodando a sus posiciones ms estables en sus respectivos tomos, liberando energa.

LA LUZ Y EL ESPECTRO DE ENERGALa teora ondulatoria permite una representacin grfica conveniente de la energa radiante en un arreglo ordenado de acuerdo con su longitud de onda o frecuencia. Este arreglo se denomina espectro. Es til para indicar la relacin entre las diversas regiones de longitud de onda de la energa radiante. Tal representacin grfica no debe ser interpretada para indicar que cada regin del espectro divide a las dems de alguna manera fsica; Hay una transicin gradual de una regin a otra. El espectro de la energa radiante se extiende a lo largo de un rango de longitudes de onda de 10-16 para 105 m. El Angstrom (), el nanmetro (nm), y el micrmetro (m), las cules son respectivamente 10-10, 10-9, y 10-6 m, son unidades de longitud comnmente usadas en la regin visible del espectro.El nanmetro es la unidad preferida de longitud de onda en las regiones ultravioleta (UV) y visibles del espectro. El micrmetro es normalmente usado en la regin infrarroja (IR).De especial importancia para la ingeniera de iluminacin son tres regiones del espectro electromagntico: UV, visible e IR. A partir de las aplicaciones prcticas y el efecto obtenido, la regin del UV se divide en las siguientes bandas (para propsitos de ingeniera, la regin "luz negra" se extiende ligeramente dentro de la porcin visible del espectro):

Otra divisin del espectro UV, a menudo utilizado por fotobilogos, est dada por la Comisin Internacional de la Iluminacin (CIE):

La energa radiante en el espectro visible se encuentra entre 380 y 780 nm. Para fines prcticos, la energa radiante infrarroja est dentro de la gama de longitud de onda de 0,78 a 103 micras. Esta banda est arbitrariamente dividida como sigue:

En trminos generales, a diferencia de la energa UV, la energa infrarroja no se evala en una longitud de sino ms bien en funcin en cuanto de toda esa energa incide sobre una superficie. Algunos ejemplos de estas aplicaciones son la calefaccin industrial, secado, coccin y reproduccin fotogrfica. Sin embargo, algunas aplicaciones, tales como dispositivos de visualizacin de IR, implican detectores sensibles a una gama limitada de longitudes de onda; en tales casos, las caractersticas espectrales de la fuente y del receptor son de importancia.

Figura 1-2. Velocidad de la luz de una longitud de onda de 589 nmTodas las formas de energa radiante se transmiten a la misma velocidad en el vaco (299.793 km/s, o 186.282 mi/s). Sin embargo, cada forma difiere en la longitud de onda y, por lo tanto, en su frecuencia. La longitud de onda y la velocidad pueden ser modificadas por el medio a travs del cual pasan, pero la frecuencia permanece constante, independiente del medio. As, a travs de la ecuacin:

Donde n: ndice de refraccin del medio : longitud de onda en el vaco : frecuencia en HzEs posible determinar la velocidad de la energa radiante y tambin indicar la relacin entre la frecuencia y la longitud de onda. La figura 1-2 muestra la velocidad de la luz en medios diferentes para una frecuencia correspondiente a una longitud de onda de 589 nm en el aire.La luz es... cierto movimiento o una accin, concebida de una manera muy sutil, que llena los poros de todos los cuerpos....Ren Descartes, en La Dioptrique, 1637

RADIACION DE CUERPO OSCUROLa intensidad y las propiedades espectrales de la radiacin de un cuerpo oscuro dependen exclusivamente de su temperatura. La radiacin de un cuerpo oscuro puede aproximarse por la potencia radiante emitida desde una pequea apertura en el interior de una caja, cuyas paredes se mantienen a una temperatura constante (Figura 1-3).La luz emitida por una fuente de luz prctica, particularmente de una lmpara incandescente, se describe a menudo en comparacin con la radiacin de un cuerpo oscuro. En teora, toda la energa emitida por las paredes del radiador de cuerpo negro es finalmente reabsorbida por las paredes; es decir, ninguno escapa de la caja. Por lo tanto, un cuerpo oscuro, para la misma rea, irradiar ms energa total a una determinada longitud de onda que cualquier otra fuente de luz que funciona a la misma temperatura.

Figura 1-3. Pequea abertura en un recinto exhibe caractersticas de cuerpo negro. Entre 1948 a 1979, la luminancia de un cuerpo oscuro, operando a la temperatura de congelacin del platino (2042 K), fue utilizada como una estndar internacional de referencia para definir la unidad de intensidad luminosa. Especficamente, tiene una luminancia de 60 cd/m2. Desde la operacin y mantenimiento de un cuerpo oscuro en el punto de congelacin del platino en una empresa de gran envergadura, se adopt una nueva definicin de la candela en 1979. La candela es ahora, bsicamente, la intensidad luminosa de una fuente de 555,016 nm cuya intensidad radiante es 1/683 W/sr. La nueva unidad fotomtrica se basa en una unidad elctrica, el vatio, que puede medirse con precisin y convenientemente con un radimetro elctricamente calibrado. Otra ventaja de esta definicin es que la magnitud de la unidad es independiente de la escala internacional de temperatura, que en ocasiones cambia.LEY DE LA RADIACIN DE PLANCK: Los datos que describen las curvas de radiacin de un cuerpo oscuro fueron obtenidos por Lummer y Pringsheim usando un tubo especialmente construido que se calienta de manera uniforme como la fuente. Planck, introduciendo el concepto de cuantos discretos de energa, desarroll una ecuacin que representa a estas curvas. Se da la radiancia espectral de un cuerpo oscuroen funcin de la longitud de onda y la temperatura. Vea la definicin de la ley de la radiacin de Planck en el Glosario.La figura 1-4 muestra la radiancia espectral de un cuerpo oscuro, en una escala logartmica, como una funcin de la longitud de onda para varias temperaturas absolutas.LEY DE LA