Naturaleza y Características de la Luz

La luz es una radiación electromagnética mediante la cual se propaga la energía a través del espacio. Dividiendo esta radiación según su espectro de frecuencias, encontramos:

Radiación Infrarroja

(750 GHz – 3 THz.) No es una luz visible y se manifiesta en el cuerpo en forma de calor. 1 THz = Terahercio = 10¹² Hz.

Radiación Ultravioleta

(769 THz. – 30.000 THz). No es una radiación visible, actúa en el cuerpo produciendo el bronceado.

Radiación Visible

(384 THz – 769 THz.) Este tipo de radiación provoca en los ojos las sensaciones visuales que constituyen los colores.

La luz se puede producir de diferentes formas, siendo las más usuales:

• Calentando un cuerpo sólido hasta la incandescencia.
• Provocando un arco eléctrico entre dos electrodos.

Características de la Luz

• Se transmite mediante ondas senoidales.
• No requiere ningún medio material para propagarse.
• Se transmite en todas las direcciones, pero siempre en línea recta.
• La velocidad de propagación es de 300.000 km/s.

Parámetros Básicos de una Fuente de Luz

Flujo Luminoso

Es la cantidad de rayos de luz o cantidad de energía que irradia una fuente en la unidad de tiempo. Su unidad básica es el vatio-luz o LUMEN (lm). Un lumen es la cantidad de flujo incidente sobre una superficie de un metro cuadrado. (1W-luz = 621 lm).

• Símbolo: Φ
• Unidad: lm

Intensidad Luminosa

Es el flujo luminoso emitido por un foco respecto a la unidad del ángulo sólido, por lo que su valor es diferente en cada dirección. Su unidad es la candela (Cd).

Intensidad luminosa = Φ / Ω

• Símbolo: I
• Unidad: Cd

Iluminancia

La iluminancia o iluminación (E) es la densidad de flujo luminoso Φ que incide sobre una superficie. Esta es igual al flujo luminoso / unidad de superficie. Su unidad de medida es el lux (lx). Podríamos decir que un lux es la iluminación sobre una superficie de un metro cuadrado cuando se recibe un flujo luminoso de un lumen:

E = Φ / S (lux = lumen / m²)

Luminancia

Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan sobre propiedades de las fuentes de luz (flujo luminoso o intensidad luminosa) o sobre la luz que llega a una superficie (iluminancia).

Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo, que a fin de cuentas es la que vemos. De esto trata la luminancia. Podemos decir que la luminancia es la luz que recibimos de los objetos.

Se define como luminancia a la relación entre la intensidad luminosa y la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su símbolo es L y su unidad es la cd/m².

También es posible encontrar otras unidades como el:

• stilb (1 sb = 1 cd/cm²) o el
• nit (1 nt = 1 cd/m²).

La Descarga Eléctrica en un Gas

En un tubo de vidrio completamente estanco, introducimos un gas a una presión determinada. Inicialmente el gas es totalmente neutro, pero bajo determinadas condiciones, puede volverse conductor. En los extremos internos del tubo se colocan dos electrodos, conectados al exterior mediante conductores para aplicar corriente eléctrica. El circuito se alimenta con corriente eléctrica, colocando en serie una resistencia variable para controlar la tensión aplicada. Cuando esto ocurre, el gas se ioniza, produciendo iones, moléculas y átomos cargados eléctricamente, lo que inicia una corriente denominada de descarga. La intensidad de la corriente de descarga dependerá de:

• Tensión aplicada a los electrodos.
• Separación de los electrodos.
• Tipo de gas.
• Presión del gas.

Dependiendo de la tensión aplicada a los electrodos, la intensidad de descarga varía de la siguiente forma (ver curva). La zona que corresponde a la descarga luminiscente, también denominada independiente o autónoma, es la comprendida entre los puntos A y B.

Se caracteriza porque el gas se ilumina levemente y la corriente aumenta de valor aunque se mantenga constante la tensión entre sus electrodos. Las lámparas de neón o xenón trabajan en este margen. Al no producirse emisión térmica de los electrones, a este tipo de lámparas se las denomina de cátodo frío.

Tipos de Lámparas

Se dividen en:

Lámparas de Xenón con Destellos

Con vapor de xenón de media presión y una descarga de breve duración. Entre las aplicaciones de estas lámparas se encuentran las luces estroboscópicas de las aeronaves. Para producir el destello, se debe aplicar una tensión elevada, operación que se consigue con la descarga de un condensador cuya energía es absorbida por la lámpara.

Lámparas de Xenón de Descarga Permanente

Con vapor de xenón a alta presión y descarga eléctrica permanente. En este caso, la presión de xenón debe ser muy alta, ya que deben ser capaces de proporcionar flujos luminosos muy potentes. La luz que proporciona es muy blanca, con tonalidades similares a la luz solar.

Ventajas:

• No necesitan los elevados tiempos de encendido y enfriamiento como las de vapor de mercurio.
• Al ser lámparas de cátodo frío, para promover el encendido, necesitan una tensión extremadamente alta (de 50 a 90 kV) durante un breve espacio de tiempo.

La zona C-D de la curva es la zona de descarga de arco. Los tubos de vapor de mercurio o sodio trabajan en esta zona. Este tipo de lámparas se denominan de cátodo caliente, ya que la emisión de electrones se produce por el calentamiento del cátodo.

Inconvenientes:

• El tiempo que necesita para alcanzar su régimen normal de funcionamiento (de 2 a 4 segundos).
• Una vez apagada, hay que esperar que baje la temperatura para volver a encenderla.

Ventajas Principales:

• Mayor tiempo de vida útil (cuatro veces superior).
• Gran rendimiento luminoso.

Lámparas de Vapor de Sodio

Otra variedad en las lámparas de cátodo caliente es la de vapor de sodio, gas introducido en el interior de la ampolla de vidrio, de funcionamiento similar a las luminiscentes. La radiación obtenida es monocromática.

Ventajas:

• Excelente rendimiento luminoso.
• Elevada vida útil.
• Gran visión de los detalles.

Inconvenientes:

• Tiempo largo para el encendido.
• Acusada deformación de colores.
• Baja luminancia (no aconsejada para interiores).

Lámpara Fluorescente

Este tipo de lámpara es una variedad de la de vapor de mercurio, en la que la presión de vapor es baja. La descarga se produce en un tubo de cristal de pequeño diámetro y gran longitud, en cuyo interior se ha depositado argón y vapor de mercurio, y sobre sus paredes interiores, un material fluorescente. La corriente aplicada provoca la emisión de electrones libres de los electrodos, que impactan en los átomos del gas del interior. Esto produce luz ultravioleta invisible que, al incidir en la película fluorescente, produce luz blanca. Esta conversión de color se denomina fluorescencia.

Algunas de estas lámparas fluorescentes necesitan un caldeo rápido de sus electrodos antes de establecer el arco; para esto se utilizan interruptores térmicos denominados cebadores. La puesta en marcha requiere una tensión superior a la normal, por lo que lleva en serie una reactancia (balasto), que produce una sobretensión en los electrodos necesaria para producir la descarga. Para compensar el desfase producido entre la corriente y la tensión en la reactancia, se coloca un condensador.

Ventajas:

• Gran variedad en tonalidades de color.
• Espectro de frecuencias similar a la luz natural.
• Gran rendimiento.

Lámparas Incandescentes

Estos dispositivos luminosos son capaces de generar radiación visible haciendo pasar una corriente eléctrica a través de un filamento resistivo. El funcionamiento de la bombilla incandescente es muy simple. Una corriente eléctrica pasa a través de un filamento de tungsteno muy fino. Esto eleva a los electrones a un estado de energía muy alto con un movimiento incrementado. Este aumento del movimiento hace que el conductor se caliente. Los electrones solo permanecen en un nivel de energía alto por un período corto de tiempo. A medida que vuelven a un nivel de energía más bajo, el exceso de energía se elimina en forma de fotones de luz. Esto hace que el filamento se vuelva incandescente.

El montaje del filamento se lleva a cabo en el interior de una ampolla de vidrio para evitar la transferencia de temperatura. El filamento está formado por pequeñas bobinas, montadas sobre varillas de vidrio. El conjunto se encapsula en una cubierta de vidrio. La cubierta de vidrio se llena entonces con el gas requerido y se cementa a la base.

La lámpara incandescente tiene alrededor del 5% de eficiencia, puesto que pierde la mayor parte de su energía en forma de calor y radiación invisible.

Lámparas Halógenas

Una opción más eficiente es la lámpara halógena. Los halógenos son un grupo de elementos (flúor, cloro, bromo y yodo) que tienen una órbita de valencia con un electrón ausente. Básicamente, esto significa que en cualquier reacción tienden a ganar un electrón.

Los metales son lo contrario: tienen una órbita de valencia con uno o dos electrones y, como tal, tienden a ceder un electrón en cualquier reacción. Cuando halógenos y metales se reúnen en las condiciones adecuadas, se forma un enlace iónico.

Las lámparas de este tipo tienen una envoltura de cuarzo y se rellenan con un gas halógeno. Durante el uso, el filamento de tungsteno se vaporiza lentamente y, en circunstancias normales, se deposita en la cara interior de la ampolla, reduciendo así la salida de luz.

El gas halógeno mantiene la ampolla limpia mediante una reacción química con el tungsteno vaporizado depositado. La reacción va un paso más allá: el tungsteno vaporizado se vuelve a depositar sobre el filamento, extendiendo así su vida útil.

La lámpara halógena tiende a dar una luz brillante. Esto es excelente para el uso en exteriores, pero no tan deseable para interiores.

Algunos fabricantes de automóviles han empezado a utilizar lámparas de cuarzo-yodo como faros. Lo mismo ocurre en los aviones con las luces de aterrizaje, etc.

La sustitución de este tipo de lámparas requiere precauciones especiales, ya que los aceites naturales de la piel pueden depositarse en el exterior de la ampolla. Use siempre guantes de protección adecuados al manipular este tipo de lámpara.

LED (Diodo Emisor de Luz)

El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se polariza directamente. El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita luz va desde 8 mA hasta 20 mA.

En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura (principalmente cerca de la unión), ocurre una recombinación de huecos y electrones al paso de la corriente. Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N, una parte de esta energía se convierte en calor y otra en fotones.

En el Si y el Ge, el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón, se utilizan otros materiales para fabricar los LED, como Fosfuro Arseniuro de Galio (GaAsP) o Fosfuro de Galio (GaP).

El uso de los LED es aún algo restrictivo para sistemas de iluminación general, pero se utilizan muy ampliamente para sistemas de indicación, por ejemplo, en aeronaves. Se utilizan en formatos de siete segmentos y para la transmisión por fibra óptica. Son indicadores útiles, ya que son muy eficientes, no requieren componentes adicionales complejos y transmiten poco calor (otra ventaja importante).