5.1. Magnitudes radiométricas

Transcripción

1 5. Radiometría y fotometría 5.1. Magnitudes radiométricas y fotométricas tricas 1

2 5. Radiometría y fotometría. 2

3 Magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Radiometría rama de la Física dedicada a la medida de las radiaciones electromagnéticas. Fotometría parte de la Radiometría que se ocupa de la parte del espectro electromagnético que el ojo humano percibe como sensación luminosa. 5. Radiometría y fotometría. 3

4 Magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Magnitudes Radiométricas Fotométricas Energía Sensación Visual Eficiencia luminosa espectral 5. Radiometría y fotometría. 4

5 Magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Magnitudes espectrales Aquéllas referidas a un rango infinitesimal de longitudes de onda en torno a una dada y tienen carácter de concentración espectral de magnitud radiométrica o fotométrica. Aquéllas que, sin tener carácter de concentración espectral, dependen de la longitud de onda. 5. Radiometría y fotometría. 5

6 Universidad de Vigo. Departamento de F Física Aplicada Relación n entre las magnitudes radiométricas y fotométricas tricas La capacidad de una radiación electromagnética para producir sensación visual depende de su longitud de onda (o frecuencia). Para una longitud de onda dada, el valor de cada magnitud fotométrica es proporcional al de la magnitud radiométrica correspondiente el factor de proporcionalidad K(λ), que depende de la longitud de onda, se denomina: eficacia luminosa espectral. 5. Radiometría y fotometría. 6

7 Relación n entre las magnitudes radiométricas y fotométricas tricas En una radiación policromática, con varias longitudes de onda, K(λ) relaciona sólo las magnitudes espectrales para determinar el valor neto de la magnitud fotométrica es necesario integrar para todas las longitudes de onda 5. Radiometría y fotometría. 7

8 Relación n entre las magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Eficiencia luminosa espectral La dependencia de la eficacia luminosa espectral con la longitud de onda se puede expresar K m = eficacia luminosa espectral máxima V(λ) = eficiencia luminosa espectral V(λ) magnitud adimensional normalizada: 0 V(λ) 1 5. Radiometría y fotometría. 8

9 Relación n entre las magnitudes radiométricas y Radiación monocromática fotométricas tricas Radiación policromática 5. Radiometría y fotometría. 9

10 Relación n entre las magnitudes radiométricas y La eficiencia luminosa espectral mide la sensibilidad espectral relativa del ojo del observador humano medio (C.I.E.). fotométricas tricas La C.I.E. ha normativizado dos curvas de V(λ): Visión fotópica (diurna) Visión escotópica (nocturna) 5. Radiometría y fotometría. 10

11 Relación n entre las magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Curvas C.I.E. de eficiencia luminosa espectral Visión Fotópica Visión Escotópica Radiometría y fotometría. 11

12 Relación n entre las magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Curvas C.I.E. de eficiencia luminosa espectral Visión Fotópica Visión Escotópica Radiometría y fotometría. 12

13 Diagrama CIE de cromaticidades. Los colores situados dentro del triángulo cental se pueden representar en un monitor. Los que se encuentran fuera se representan de forma aproximada (Un inciso colorimétrico trico) 5. Radiometría y fotometría. 13

14 El problema de la Radiometría/Fotometr /Fotometría Energía Q Radiación Flujo Recepción Φ Propagación Exitancia M Radiancia Luminancia Intensidad L I Irradiancia Iluminancia E 5. Radiometría y fotometría. 14

15 Universidad de Vigo. Departamento de F Física Aplicada Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Energía radiante: Q e joule o julio (J) «cantidad neta de energía electromagnética radiada por una fuente, que se propaga a través del espacio o que incide sobre una superficie durante un cierto periodo de tiempo» Flujo radiante: Φ e watt o vatio (W) «energía radiante Q e emitida, transmitida o recibida por unidad de tiempo t» 5. Radiometría y fotometría. 15

16 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Flujo luminoso: Φ v lumen (lm) «medida de la capacidad que tiene el flujo radiante para producir sensación luminosa» Para fuentes monocromáticas En general, para fuentes policromáticas 5. Radiometría y fotometría. 16

17 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Cantidad de luz: Q v (lm s) Magnitud fotométrica correspondiente con la energía radiante. Exitancia radiante: M e (W m 2 ) Exitancia luminosa: M v (lm m 2 ) «flujo Φ emitido por una superficie radiante por unidad de área S» 5. Radiometría y fotometría. 17

18 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Intensidad radiante: I e (W sr 1 ) Intensidad luminosa: I v candela (cd) «flujo Φ que, partiendo de de una fuente puntual, se propaga por unidad de ángulo sólido Ω en una determinada dirección del espacio» 5. Radiometría y fotometría. 18

19 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Radiancia: L e (W m 2 sr 1 ) Luminancia: L v (cd m 2 ) «flujo Φ que emerge o se propaga a través de una cierta superficie y según una determinada dirección del espacio por unidad de ángulo sólido Ω y unidad de área proyectada sobre dicha dirección S cosθ» 5. Radiometría y fotometría. 19

20 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Radiancia y Luminancia (continúa) Se aplican fundamentalmente a: Fuentes extensas Difusores Intensidad de una fuente extensa 5. Radiometría y fotometría. 20

21 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Irradiancia: E e (W m 2 ) Iluminancia: E v lux (lx) «flujo Φ que incide sobre una superficie por unidad de área S» 5. Radiometría y fotometría. 21

22 Principales magnitudes radiométricas y fotométricas tricas Con radiación no uniforme 5. Radiometría y fotometría. 22

23 Unidades fotométricas tricas SI (ISO-UNE) Universidad de Vigo. Departamento de F Física Aplicada Candela: cd «intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite energía radiante monocromática de Hz de frecuencia y que tiene una intensidad radiante, en dicha dirección, de 1/683 W sr 1» Es una unidad básica del sistema internacional. Lumen: lm = cd sr «flujo luminoso que emite una fuente puntual con intensidad luminosa de una candela en un ángulo sólido de un estereorradián» 5. Radiometría y fotometría. 23

24 Unidades fotométricas tricas SI (ISO-UNE) Lux: lx = lm m 2 = cd sr m 2 «iluminancia que produce una fuente puntual con intensidad luminosa de una candela sobre una superficie perpendicular a la dirección de propagación situada a un metro de la fuente» 5. Radiometría y fotometría. 24

25 5. Radiometría y fotometría 5.2. Leyes básicas b de la Radiometría y de la Fotometría 25

26 Ley del inverso del cuadrado Qué irradiancia produce una fuente puntual de intensidad I sobre una superficie cuyos puntos equidistan d de la fuente? Consideremos una fuente puntual que radia uniformemente con intensidad I. En un ángulo sólido Ω se propaga un flujo 5. Radiometría y fotometría. 26

27 Ley del inverso del cuadrado A una distancia d de la fuente, el flujo incide sobre la superficie esférica que subtiende el ángulo sólido Ω, y cuyo área S es Y la irradiancia resultante sobre la misma 5. Radiometría y fotometría. 27

28 Ley del inverso del cuadrado Ley del inverso del cuadrado: 5. Radiometría y fotometría. 28

29 Ley de Lambert o «del coseno» Radiadores y difusores lambertianos Se llama superficies emisoras o difusoras de luz lambertianas o «perfectas» a aquéllas que presentan la misma radiancia y luminancia en todas las direcciones del espacio. En general, la radiancia o luminancia de una superficie en una dirección que forma un ángulo θ cualquiera con su normal es 5. Radiometría y fotometría. 29

30 Ley de Lambert o «del coseno» En una superficie lambertiana L es constante y la intensidad de la superficie resulta El valor máximo de I(θ) se tiene en la dirección de la normal a la superficie Y se puede escribir 5. Radiometría y fotometría. 30

31 Ley de Lambert o «del coseno» Ley de Lambert: «La intensidad de un emisor o difusor perfecto es proporcional al coseno del ángulo de observación» Emisor o difusor lambertiano 5. Radiometría y fotometría. 31

32 Descripción n macroscópica de la interacción n de la radiación n con un cuerpo Haz incidente Retrorreflexión Reflexión difusa Transmisión difusa Reflexión especular Transmisión especular 5. Radiometría y fotometría. 32

33 Descripción n macroscópica de la interacción n de la radiación n con un cuerpo El flujo incidente Φ i se reparte en Flujo reflejado Φ r Flujo absorbido Φ a Flujo transmitido Φ t Relaciones adimensionales entre flujos Reflectancia espectral Absortancia espectral Transmitancia espectral 5. Radiometría y fotometría. 33

34 Descripción n macroscópica de la interacción n de la radiación n con un cuerpo Reflexión reflexión esencialmente difusa reflexión difusa + especular reflexión difusa + retrorreflexión Transmisión transmisión esencialmente difusa transmisión esencialmente especular 5. Radiometría y fotometría. 34

35 5. Radiometría y fotometría 5.3. Leyes de la radiación n del cuerpo negro 35

36 Radiadores térmicos. t El cuerpo negro Universidad de Vigo. Departamento de F Física Aplicada Radiador térmico cualquier cuerpo que se encuentre a una temperatura superior al cero absoluto (0 K). Todos los cuerpos que se encuentran a una tempertura superior a 0 K emiten radiación en forma de ondas electromagnéticas. Cuerpo negro o radiador completo el que absorbe toda la energía radiante que incide sobre él. Toda la radiación que sale de un cuerpo negro es emitida por él mismo, nunca reflejada ni transmitida. 5. Radiometría y fotometría. 36

37 Ley de radiación n de Planck Exitancia radiante espectral del cuerpo negro Primera constante de la radiación c 1 = 3, W m 2 Segunda constante de la radiación c 2 = 0, m K El cuerpo negro es un radiador lambertiano y 5. Radiometría y fotometría. 37

38 Ley de radiación n de Planck Exitancia radiante espectral del cuerpo negro K K K 4000 K 3200 K Radiometría y fotometría. 38

39 Ley de Stefan-Boltzmann «La exitancia radiante M eb del cuerpo negro sólo depende de su temperatura termodinámica T» y vale: Constante de Stefan-Boltzmann σ = 5, W m 2 K 4 La radiancia del cuerpo negro es, por tanto, 5. Radiometría y fotometría. 39

40 Ley del desplazamiento de Wien «La longitud de onda λ max para la cual es máxima la exitancia radiante espectral del cuerpo negro es inversamente proporcional a su temperatura termodinámica T» y vale: Con la constante b = 2, m K A medida que la temperatura del cuerpo negro aumenta, la luz que irradia se va haciendo: rojiza anaranjada blanquecina azulada. 5. Radiometría y fotometría. 40

41 Ley del desplazamiento de Wien λ max en función de la temperatura Color del 0 Cuerpo Negro Radiometría y fotometría. 41

42 Emisividad. Cuerpo gris Emisividad espectral de un radiador térmico: Es un parámetro adimensional y, además, Emisividad de un radiador térmico 5. Radiometría y fotometría. 42

43 Emisividad. Cuerpo gris Universidad de Vigo. Departamento de F Física Aplicada Cuerpo gris o radiador no selectivo: radiador térmico que tiene una exitancia radiante espectral proporcional a la del cuerpo negro a la misma temperatura. Cuerpo gris emisividad espectral constante y por ello: Cuando radia presenta el mismo color que el cuerpo negro a la misma temperatura. Cuando se ilumina con luz blanca absorbe por igual todos los colores y se ve gris. 5. Radiometría y fotometría. 43

44 Temperatura de color Universidad de Vigo. Departamento de F Física Aplicada Temperatura de color de un radiador: la temperatura del cuerpo negro cuando presenta el mismo color que el radiador. La temperatura del radiador no tiene por que ser igual a su temperatura de color, esto sólo ocurre en los cuerpos negros y grises. La temperatura de color permite caracterizar y comparar el tono de las fuentes de luz blanca que se emplean para iluminación. 5. Radiometría y fotometría. 44

45 Temperatura de color Algunos ejemplos. Luz del cielo claro a la sombra >10000 K Lámpara fluorescente «luz de día» 6500K Luz solar al mediodía con cielo claro 6300K Luz solar al mediodía con cielo nublado 5700K Lámpara fluorescente «blanco cálido» 4000K Bombilla incandescente de 200 W 3200K Bombilla incandescente de 40 W 2600K Vela de cera 1900K 5. Radiometría y fotometría. 45

46 Dónde puedo conseguir más s información? n? Lámparas de luz blanca para iluminación, programas para cálculo de alumbrado, etc. ywww.osram.com ywww.lighting.philips.com ywww.gelighting.com Valores actualizados de constantes fundamentales ywww.codata.org 5. Radiometría y fotometría. 46