¿Sabías que…?Número 6

…la cantidad de luz que emiten las lámparas se mide en lúmenes?

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Joaquín Campos Acosta

Instituto de Óptica “Daza de Valdés
Consejo Superior de Investigaciones Científicas

Cuando se compra una bombilla u otra fuente de luz habitual, como un tubo o una lámpara fluorescente compacta, solemos identificar el producto que queremos por la potencia eléctrica que consume, por el tipo de conexión eléctrica que lleva y por su tamaño o forma geométrica. Si el lector lo piensa esto no ocurre así habitualmente con los demás productos que usamos o adquirimos en nuestras vidas. Lo habitual es que los productos se identifiquen por aquello que nos proporcionan. Cabe preguntarse si esta práctica se debe a que lo que nos proporcionan las fuentes de luz, la cantidad de luz, no se puede medir y, por tanto, no podemos identificar estos objetos por lo que nos brindan. La respuesta a esta pregunta es que la luz sí se puede medir, pero sus magnitudes y unidades no son conocidas por el gran público. ¿Acaso conoce alguna unidad de medida de la luz? ¿A cuántas personas conoce que sepan los nombres de estas unidades? De hecho, hasta hace unos años ni siquiera aparecía en los embalajes de las lámparas la cantidad de luz que proporcionaban, si bien esta situación ya se ha corregido como se puede ver en la figura 1, que muestra las características de producto que aparecen en un embalaje de lámpara actual, que incluyen las luminosas, las eléctricas, y otras.

Figura 1. .Características de producto que aparecen en un embalaje de lámpara en la actualidad.

Como bien sabe el lector, se llama luz a la radiación electromagnética que es capaz de estimular el ojo humano 1 . Hablando en términos de longitud de onda, es la radiación comprendida en el intervalo [360 nm, 830 nm], aunque en muchas referencias se considera sólo el intervalo [380 nm, 780 nm]. Toda la radiación electromagnética de ese intervalo no es igualmente eficiente para estimular una respuesta del ojo humano, por ello, la cantidad de luz no es igual a la cantidad de radiación. Además, la estimulación que la radiación visible produce en el ojo humano varía de unas personas a otras, por lo que la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) definió en 1924 una curva de eficiencia luminosa espectral 2 para poder establecer la cantidad de luz asociada a una radiación electromagnética. Esta curva espectral de eficiencia luminosa, V(λ) , se puede observar en la figura 2.

Figura 2. .- Curva de eficiencia luminosa espectral, V(λ), para niveles de visión fotópica.

Conviene hacer notar que la eficiencia luminosa de la radiación electromagnética varía con la cantidad de radiación que incide en el ojo humano y que la curva anterior es la que corresponde al nivel de iluminación que da lugar a visión fotópica 3 , que es en el que habitualmente desarrollamos nuestra actividad. Para niveles de iluminación menores se ha acordado otra curva de eficiencia luminosa, pero cuando se habla de cantidad de luz se utiliza exclusivamente la curva fotópica. Para que el lector tenga una idea aproximada intuitiva, se dice que el nivel de iluminación produce visión fotópica cuando hay más luz que la presente al inicio del amanecer o final de un atardecer.

A partir de esta convención se define la cantidad de luz o flujo luminoso, φ m , que proporciona una fuente como el producto de la constante de máxima eficacia luminosa, Km , y el valor de la integral, en el intervalo espectral anterior, del producto de la curva de eficiencia luminosa por la potencia radiante de la fuente, es decir:

Donde φ(λ) representa la distribución espectral del emisor; es decir, la potencia radiante emitida en cada intervalo elemental de longitud de onda. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de flujo luminoso es el lumen, símbolo lm, y por ello, como puede comprobar el lector, en los embalajes de las lámparas se muestra una cifra seguida del símbolo lm (véase la figura 1), que indica el flujo luminoso que emite. Es claro que el flujo será mayor cuanto mayor sea la potencia radiante del emisor, pero es necesario conocer la distribución espectral de la emisión para saber la cantidad de luz asociada. Entonces, cabe preguntarse por qué se ha estado usando tanto tiempo el consumo de electricidad, que es indicador de la potencia radiante, como indicador de la cantidad de luz dada por una lámpara. El fundamento de esta práctica se encuentra en que para cada tipo de emisión luminosa (incandescencia, fluorescencia, etc.) la distribución espectral es característica, está íntimamente relacionada con el fenómeno físico que produce la emisión y, a mayor consumo eléctrico, mayor emisión de radiación y mayor cantidad de luz emitida para el mismo tipo de lámpara. Sin embargo, como se ve en la ecuación anterior, cabe obtener la misma cantidad de luz con distribuciones espectrales diferentes, al realizarse una integración sobre un intervalo espectral. Por tanto, se puede obtener la misma cantidad de luz con varias fuentes y se puede optar por usar aquellas que tengan un menor consumo eléctrico, como se promueve en la actualidad.

La distribución espectral de la fuente no sólo es importante para conocer la cantidad de luz, sino que tipifica de alguna forma el ambiente visual, de tal forma que según la tarea visual a desarrollar preferimos un ambiente visual “cálido” o un ambiente visual “frío” y el lector avezado habrá notado que cuando se compran lámparas fluorescentes se habla de luz cálida o luz fría (véase la figura 1). Esta cualidad de la luz se cuantifica con un número que lleva unidades de temperatura termodinámica (K, kelvin, en el SI) y que también se suele encontrar hoy día en los embalajes de las lámparas: 2500 K, 2750 K, 3200 K, 4100 K, etc. ¿Qué sentido tiene ese número y qué relación tiene con la distribución espectral?

La Física ha establecido que todos los cuerpos en equilibrio térmico emiten radiación electromagnética por el hecho de encontrarse a una temperatura. En los cuerpos que tienen emisividad unidad, que se conocen como radiadores completos o cuerpos negros (porque absorben toda la radiación que incide sobre ellos), la potencia radiante emitida es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura y su distribución espectral está dada por la ley de Planck. Por tanto, la temperatura de un cuerpo negro indica la distribución espectral de la radiación que emite. Las lámparas de incandescencia, que eran las más habituales hasta hace poco tiempo, emiten porque su filamento se calienta hasta una temperatura dada y su distribución espectral es muy próxima a la de un cuerpo negro, por lo que su emisión se puede caracterizar por un valor de temperatura que se conoce como temperatura de color correlacionada (CCT), que se corresponde con la temperatura que tendría un cuerpo negro que produjera un ambiente luminoso del mismo color que la lámpara. Este concepto se ha extendido a los demás tipos de lámparas: fluorescentes, compactas, de LED, etc., de forma que se puede tener una idea de la sensación visual que producirán estas lámparas por el valor de su temperatura de color correlacionada, aunque su distribución espectral sea muy diferente a la de las lámparas de incandescencia. Así, el lector podrá encontrar en el comercio una lámpara fluorescente compacta con una TCC de 6500 K, por ejemplo, que le indicará que el color del ambiente visual es el mismo que produciría un cuerpo negro de esa temperatura pero, ni ningún elemento de la lámpara alcanza esa temperatura, ni su distribución espectral es la que corresponde a un cuerpo negro a esa temperatura. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la cantidad de luz de longitud de onda corta (color azul) con respecto a la de longitud de onda larga (rojo), lo que se relaciona con un ambiente visual menos cálido.

La diferencia en la distribución espectral es muy importante a la hora de reproducir el color de los objetos, por ejemplo, y seguramente el lector tiene experiencias cotidianas en este sentido, pero este asunto queda para otra oportunidad. Baste aquí con decir que también hay un parámetro que indica la capacidad de reproducir el color por parte de un emisor, el índice de rendimiento en color Ra (véase la figura 1) cuyo valor ideal sería 100.

En resumen, la cantidad de luz emitida por una lámpara se caracteriza por el flujo luminoso que emite, que se expresa en lúmenes en el Sistema Internacional de Unidades, SI, y el ambiente visual que produce se califica mediante la temperatura de color correlacionada, TCC (o CCT si se usa el acrónimo inglés), que se expresa en K, teniendo presente que un valor de 2800 K se corresponde, aproximadamente, con el que producía una lámpara de incandescencia de potencia media, y que 6000 K se corresponden con ambientes de luz del día, aproximadamente.

Notas

1 “International Lighting Vocabulary”, ítem 17-659. http://eilv.cie.co.at/.
2 ISO 23539:2005(E)/CIE S 010/E:2004. Photometry – The CIE System of Physical Photometry.
3 “International Lighting Vocabulary”, item 17-938 photopic vision. http://eilv.cie.co.at/.

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