La Naturaleza de la Luz
Corpuscular
Se considera que la luz está compuesta por fotones que se desplazan a una velocidad de 300.000 km/s. Los fotones son partículas con masa en reposo nula, lo que significa que solo tienen masa cuando están en movimiento.
Espectro Electromagnético
La luz forma parte del espectro electromagnético, que se clasifica según su frecuencia y longitud de onda. Algunos ejemplos son:
- Rayos gamma (>30 EHz): Origen nuclear, utilizados en radioterapia.
- Rayos X (>30 PHz): Utilizados en radiografías.
- Ultravioleta (>789 THz): Invisible, bronceado, pero dañino para la piel.
- Visible (>384 THz): La luz que podemos ver, con diferentes colores según su frecuencia.
- Infrarrojo (>300 GHz): Asociado al calor.
- Microondas (>30 KHz): Utilizadas en comunicaciones.
Banda de Comunicaciones
Dentro del espectro electromagnético, la banda de comunicaciones se utiliza para transmitir información. Algunos ejemplos son:
- Satélite/Móvil/Wifi (300-1 GHz): Microondas.
- TV (300 MHz – 1 GHz): Ultra alta frecuencia (UHF).
- Radio FM (30-300 MHz): Muy alta frecuencia (VHF).
- Taxi/Policía (1.7-30 MHz): Onda corta.
- Radio AM (650 KHz – 1.7 MHz): Onda media.
- Radio internacional (30 KHz – 650 KHz): Onda larga.
- Radioaficionado (<30 KHz): Muy baja frecuencia (VLF).
Propiedades de la Luz
Longitud de Onda
La luz es una onda electromagnética, y su color depende de su frecuencia. La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos picos consecutivos de una onda. Se suele utilizar el nanómetro (nm) como unidad de medida. Algunos ejemplos son:
- Violeta (380-436 nm)
- Azul (436-495 nm)
- Verde (495-566 nm)
- Amarillo (566-589 nm)
- Naranja (589-627 nm)
- Rojo (627-779 nm)
Frecuencia (F)
La frecuencia indica el número de ciclos de onda que pasan por un punto en un segundo. Se mide en Hercios (Hz). Por ejemplo, 100 Hz significa que hay 100 ciclos de onda por segundo.
Periodo (T)
El periodo es el tiempo que tarda un ciclo de onda completo en pasar por un punto. Se mide en segundos. La relación entre periodo y frecuencia es: T = 1/F.
Velocidad de Propagación (C)
La velocidad de propagación de una onda es la distancia que recorre en un segundo. Se mide en metros por segundo (m/s). La velocidad de la luz en el vacío es de 300.000.000 m/s. Algunos ejemplos son:
- Onda de presión (sonido) en aire: 345 m/s
- Onda de presión (sonido) en agua: 1500 m/s
- Onda electromagnética (luz) en el vacío: 300.000.000 m/s
Fórmula de la Longitud de Onda
La longitud de onda (λ), la velocidad de propagación (C) y la frecuencia (F) están relacionadas por la siguiente fórmula: λ = C/F.
Unidades de Medida
- 1 mm = 10-3 m (milímetro)
- 1 μm = 10-6 m (micrómetro)
- 1 nm = 10-9 m (nanómetro)
- 1 pm = 10-12 m (picómetro)
- 1 kHz = 103 Hz (kilohercio)
- 1 MHz = 106 Hz (megahercio)
- 1 GHz = 109 Hz (gigahercio)
- 1 THz = 1012 Hz (terahercio)
- 1 PHz = 1015 Hz (petahercio)
Interacción de la Luz con la Materia
Absorción
Un cuerpo absorbe ciertas longitudes de onda de la luz, mientras que refleja otras. El color de un objeto se debe a las longitudes de onda que refleja.
Reflexión
La reflexión se produce cuando la luz cambia de dirección al incidir sobre una superficie. Existen tres tipos de reflexión:
- Reflexión regular: La luz se refleja en una única dirección. Se produce en superficies lisas y pulidas.
- Reflexión difusa: La luz se refleja en todas direcciones. Se produce en superficies rugosas.
- Reflexión mixta: La luz se refleja en diferentes direcciones, pero con una dirección predominante.
Refracción
La refracción es el cambio de dirección de la luz al pasar de un medio a otro con diferente densidad. Un ejemplo clásico es la desviación de la luz al pasar del aire al agua.
Transmisión
La transmisión se produce cuando la luz atraviesa un medio transparente o translúcido. Puede ser:
- Regular: La luz mantiene su dirección al atravesar el medio.
- Difusa: La luz se dispersa en todas direcciones.
- Mixta: Combinación de transmisión regular y difusa.
Dispersión
La dispersión es la separación de la luz blanca en sus diferentes colores al pasar por un prisma. Esto se debe a que cada color tiene una longitud de onda diferente y se refracta en un ángulo ligeramente distinto.
Difracción
La difracción es la capacidad de la luz para doblarse y rodear obstáculos. Se produce cuando la luz pasa por una abertura estrecha o alrededor de un objeto pequeño.
Magnitudes de la Luz
Flujo Luminoso (Lúmenes)
El flujo luminoso es la cantidad total de luz emitida por una fuente de luz por unidad de tiempo. Se mide en lúmenes (lm).
Iluminancia (Lux)
La iluminancia es la cantidad de luz que incide sobre una superficie. Se mide en luxes (lx). La iluminancia depende del flujo luminoso y de la distancia a la fuente de luz. La fórmula para calcular la iluminancia es:
IL(d) = F / d2
Donde:
- IL(d): Iluminancia (lx)
- F: Flujo luminoso (lm)
- d: Distancia a la fuente de luz (m)
Ejemplos de Iluminancia
- Luz de luna llena: 0.5 lx
- A 25 cm de una vela: 10 lx
- Una farola: 60 lx
- Interior fluorescente: 500 lx
- Luz solar 1 hora antes del anochecer: 1000 lx
- Luz solar mediodía nublado: 25000 lx
- Luz solar mediodía despejado: 65000 lx
- Playa mediodía despejado verano: 150000 lx
Temperatura de Color
La temperatura de color se mide en grados Kelvin (K) e indica el tono de la luz blanca. A temperaturas bajas, la luz tiende al rojo, mientras que a temperaturas altas, la luz tiende al azul. Algunos ejemplos son:
- Brasas encendidas (1800 K): Rojo
- Luz cálida/Luz del amanecer (2300 K): Naranja
- Luz cálida/30 minutos antes de la puesta de sol (2800 K): Amarillo
- Sol mediodía (5500 K): Blanco
- Cielo azulado (12000 K): Azul
Contraste
El contraste es la diferencia de luminosidad entre las zonas más claras y más oscuras de una imagen. Algunos ejemplos de relaciones de contraste son:
- Ojo humano: 1000:1
- Película de cine a color: 128:1
- Sensor CCD (TV): 30:1
Tipos de Lámparas
Incandescentes
- Tungsteno: Filamento de tungsteno dentro de una bombilla de vidrio. Temperatura de color: 2500-2800 K. Eficiencia: 20 lm/W.
- Halógenas: Similares a las de tungsteno, pero con gas halógeno para aumentar la vida útil y la eficiencia. Temperatura de color: 3200 K. Eficiencia: 40 lm/W.
De Descarga
- Fluorescentes: Convierten la radiación ultravioleta en luz visible mediante vapor de mercurio. Temperatura de color: 3000-6000 K. Eficiencia: 60-90 lm/W.
- Halogenuro metálico (HMI): Mezcla de gases inertes y vapor de mercurio. Temperatura de color: 5600 K. Eficiencia: 100 lm/W.
- Xenón: Bombilla de silicio rellena de gas xenón. Temperatura de color: 5400 K. Eficiencia: 80 lm/W.
Proyectores
Los proyectores se utilizan para dirigir y controlar la luz. Algunos tipos de proyectores son:
- Ciclorama: Haz de luz muy abierto para iluminar fondos.
- Cuarzos: Reflector parabólico que proporciona un haz de luz abierto y controlable con aletas. Luz dura.
- Brutos: Conjunto de cuarzos para cubrir áreas más amplias.
- De haz difusa: Luz suave y sin sombras.
- Fresnel: Haz de luz definido con bordes difusos.
- De recorte: Haz de luz concentrado con bordes muy marcados.
- Focos PAR: Haz de luz concentrado con borde suave. Utilizados en teatro.
- Robotizados de espejo móvil: Un espejo dirige el haz de luz.
- Robotizados de cabeza móvil: Orientación, tamaño del haz e intensidad variables.
Luminaria Fría
Las luminarias frías son paneles de luz que utilizan LEDs o fluorescentes para generar una luz suave y uniforme.
Tipos de Luz
: luz suave: un día nublado; no genera sombreas. Luz dura: luz solar día despejado. Sombras muy definidas.