La fotometria

MATERIAL DE PLAN DE CLASE

TEMA: Fotometría

OBJETIVO: Aplicación de la Ley de fotometría. Interpretación y distinción de los conceptos y definiciones planteadas. Uso adecuado de las unidades.

CONTENIDOS: Fotometría-Ley de fotometría-Fotómetros-Intensidad luminosa-Flujo luminoso-Iluminación-Unidades-Aplicaciones.

ACTIVIDAD: Desarrollo de experiencia con Fotómetro de Foucault.

FOTOMETRIA

Parte de la óptica que se ocupa de la medición de las intensidades de los focos de luz y la incidencia de la luz sobre la superficie.

F. Astronómica es la medición de los flujos luminosos procedentes de los astros.
La fotometría heterocromatica estudia los colores de la luz como medio de explicar otros fenómenos. La fotometría heterocromatica es el proceso de comparar dos haces luminosos de diferente color, donde se deduce o concluye cuando una superficie es mas brillante que otra de color diferente.

LEY DE FOTOMETRIA

De dos observaciones experimentales se derivan a esta ley, las cuales son:

La iluminación depende de la intensidad de la fuente, o sea cuanto mayor es la intensidad de la fuente mayor es la iluminación. Por lo cual "la iluminación es directamente proporcional a la intensidad de la fuente".
La iluminación depende de la distancia. Por lo tanto "la iluminación es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente y la pantalla".

La expresión matemática que se deriva a partir de la observación es:

E=I/d^2, donde E es la iluminación, I es la intensidad luminosa y d es la distancia entre la fuente y la superficie iluminada.
Para iniciar a los alumnos en la comprensión de esta ley, se puede empezar con experiencias sencillas como la de encender focos de desiguales intensidades con la precaución de ambientar el aula o laboratorio a oscuras, también se puede pedir a los alumnos que se coloquen a diferentes distancias y que indiquen la disminución de la iluminación. Para las dos actividades se deben utilizar focos o bombillas convenientes.
El uso de los fotómetros proporcionara una mayor comprensión en la formulación matemática.

UNIDADES

INTENSIDAD LUMINOSA

Es una magnitud física por la cual se puede hacer una diferenciación de mayor o menor cantidad de luz que emite un foco.

La unidad establecida por el Sistema Métrico Legal Argentino (S.M.E.L.A.), es la candela (cd): Es la intensidad luminosa en la dirección perpendicular a una superficie de 1/600.000m^2 de un cuerpo negro, a la temperatura de solidificación del platino (aprox. 1700ºC y a la presión de 101.325 N/m2, a un atm).

Esta efinición fue establecida en 1971 por el Comité Internacional de Pesas y Medidas. Actualmente es aceptada la definición siguiente:

La candela es la intensidad luminosa en una determinada dirección, de una fuente emisora de radiación monocromática de frecuencia 540x10^12 Hz, equivalente a 555 nm en el vacío, y que posee una intensidad de radiación en esa dirección de 1/683 vatios por estereorradián.

FLUJO LUMINOSO O CANTIDAD DE LUZ

Esta es una de las definiciones mas importante y mas practica a la hora de las aplicaciones. Su unidad es el lumen (lm), y por definición: El flujo luminoso de un lumen ilumina el área de 1 m2 sobre la superficie de una esfera con radio de un metro, cuando la fuente luminosa de una candela se encuentra en el centro de la esfera. La formula matemática es F=E.S, donde E es la iluminación y S la superficie.

ILUMINACION

La iluminación de una superficie es tanto menor cuanto más alejada esta del foco. De aquí se desprende la Ley Fotométrica y su unidad es el lux (lx), que se define: Como la iluminación que recibe una superficie perpendicular a los rayos luminosos, ubicada a un metro de distancia de una fuente puntual de una candela. Donde E=I/d^2, donde I es la intensidad y d es la distancia.
Otras unidades que se derivan de otros definiciones son:

Rendimiento luminoso, F/P. Es la razón del flujo luminoso al flujo radiante (Lumen/w).
Radiancia luminosa, L. Es el flujo luminoso emitido por unidad de área (Lumen/cm^2).
Brillo, B. Es la intensidad luminosa por unidad de área proyectada (Bujía/cm^2).

APLICACIONES

El conocimiento de la fotometria y sus leyes en unión con otros conocimientos sobre óptica y un poco de electrónica (semiconductores), han contribuido en demasía al avance tecnológico para la construcción de dispositivos informáticos. Los cuales cuentan con un CCD (charge couple device) o dispositivo de carga acoplada. Prueba de esto se registra la obtención del premio Nobel de Física 2009 por Boyle y Smith. Los más conocidos son las cámaras fotográficas y el escáner.

Con respecto a las cámaras fotográficas hay que introducirnos en la ciencia más antigua, la astronomía, la cual tiene una rama llamada astronomía estelar y se vale de la fotometria CCD. El conocimiento astronómico se constituye en mayor porcentaje por los astrónomos aficionados, los cuales consumen la mayor cantidad de horas en la pura observación, y para obtener buenos resultados requieren los aparatos mas modernos y avanzados en tecnología. La favorita de ellos es la cámara fotográfica CCD y sus filtros para adecuar las fotografías y las vistas en la computadora.

La fotometria astronómica tiene su mayor importancia en el estudio de la medida del brillo aparente y el color de los cuerpos. Se puede decir que fue iniciada por el astrónomo Hiparco de Nicea (aprox. 190 AC.- aprox.120 AC) estableciendo una escala de brillos de las estrellas tomando como referencia magnitudes o grados.

Con respecto al escáner el CCD es el que determina la resolución óptica y a los modos de escaneo, en conjunción con un espejo y las lámparas que iluminan la imagen a escanear.

En aplicaciones mas practicas y directas se encuentran aquellas en la cual esta involucrado el concepto de flujo luminoso. Por ejemplo en la disposición y distribución de las lámparas en restaurantes o negocios, es evidente que para lograr una mayor iluminación el foco debe estar mas cerca de la superficie a iluminar. Esto ocurre en los bares y restaurantes, donde no es necesario tener los focos de iluminación tan cerca del techo y por lo cual es mejor disponer un foco por mesa, reduciendo la cantidad de focos y su potencia. A esto se suma la utilización mayormente de las lámparas LED, que su iluminación es mas direccional o sea menos dispersa; lo mas usado son las linternas. Y también en el alumbrado publico, interviniendo la técnica iluminaria.

Sabiendo las definiciones y conceptos de la fotometria, el criterio al uso de las lámparas o focos es determinante en lo que se las necesite. Lo básico se da en la compra de las lámparas, en las cuales no solo es importante ver la potencia (W) si no también los lúmenes (lm) que genera y el tiempo de exposición.

Haciendo comparaciones con las unidades y las definiciones se pueden encontrar algunos datos curiosos, por así decirlos:

-Una lámpara de 100 W produce aproximadamente 120 candelas.

-El fotómetro diseñado en este trabajo fue muy adaptado al hecho de tener mayor precisión en la medición. Los focos o lámparas no fueron utilizados por León Foucault (1819-1863), simplemente por que en ese tiempo todavía la lámpara o bombilla eléctrica no se había inventado (1850 por Edison).

-León Foucault es el mismo que aporto en la medición de la velocidad de la luz y en la demostración de la rotación terrestre.

-Las velas tienen un rendimiento de decenas a cientos de lúmenes, los tubos lumínicos van de miles a centenares de miles de lúmenes y el Sol llega miles de cuatrillones de lúmenes. Cuestión de comparar.

-Sabemos que la Luna refleja la luz del Sol, ese reflejo es solo un 7% y se mide en albedo, siendo de 0,07. Lo extraño es que ni en Luna Llena la luminosidad es tan grande, ya que la intensidad luminosa del mayor claro de Luna apenas supera a la de una vela situada a un par de metros.
-En sus comienzos las bombillas eléctricas registraban un rendimiento de cuatro lúmenes por vatio. Actualmente llegan a un valor de 13 lúmenes por vatio. Las que llegan a 180 lúmenes por vatio son las lamparas de sodio a baja presión, las cuales son utilizadas en el alumbrado publico.

FOTÓMETRO
(foto=luz; metro=medir)
Con las experiencias realizadas y sugeridas anteriormente solo se pueden arribar a comparaciones aproximadas de dos fuentes o manantiales puntuales mirándolos alternativamente; pero para determinar valores cuantitativos, se deben comparar indirectamente por la iluminación que producen. Y esto se realiza con el uso de un aparato llamado fotómetro. Su funcionamiento se detalla en el apartado de La Construcción del Fotómetro. Se pueden mencionar el fotómetro de Bunsen, de Lummer-Brodhum, de Foucault y de Rumford.

BIBLIOGRAFIA
*Maiztegui-Sábato. (1995). Física II: Fotometría. Cap2, pag13-23. Ed Kapelusz. Buenos Aires.

*Baldwin Neil, Investigación y ciencia, Cuadernos de laboratorio de Thomas Edison, Nº231 Pág.56-61, Ed. Scientific American, 1995, Barcelona.
*Chozas Martín.(1987). Revista Muy Interesante, ¡Luz, mas luz! Nº24, Pag 38-43. Ed. Garcia Ferre SA. Buenos Aires.

*Gibelli Nicolás, Enciclopedia Alfatematica, Hágalo usted mismo: Fotómetro de Foucault, Nº45, Pág.1081-1082, Ed.Cuantica Editora S.A., Buenos Aires.