El cientÃfico escocés James Clerk Maxwell desarrolló una teorÃa en la que predijo que la luz, la radiación térmica y las ondas de radio son manifestaciones de la energÃa de la misma naturaleza y todas ellas se propagan en el vacÃo con una velocidad de 300 000 000 metros por segundo (3 x 108 m/s).
En esta teorÃa se comprueba que la electricidad y el magnetismo están relacionados entre sÃ, por lo cual se habla de la teorÃa electromagnética. En 1887, las predicciones de Maxwell fueron confirmadas experimentalmente por el fÃsico alemán Heinrich Hertz (1857-1894), quién inició una nueva era en la ciencia y la tecnologÃa.
Una carga eléctrica en reposo produce un campo eléctrico. Si la carga se mueve, además de crear un campo eléctrico origina un campo magnético a su alrededor. Estos campos eléctricos y magnéticos se propagan en forma de ondas transversales y perpendiculares entre sÃ.
No existe transporte de materia, únicamente se propaga energÃa, la cual se denomina energÃa radiante; la propagación de este tipo de energÃa constituye la radiación electromagnética.
FUENTES DE LUZ
Cualquier cuerpo emite radiación electromagnética debido al movimiento térmico molecular. Si la temperatura que tiene el cuerpo no es muy alta, la emisión no es perceptible como luz; si se calienta puede emitir radiación visible, por ello se dice que el cuerpo está "caliente al rojo" o "caliente al blanco". Los cuerpos que emiten radiación visible son fuentes de luz.
Las lámparas modernas constan de un filamento de tungsteno, que emite radiación visible cuando se "calienta al blanco", debido a la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica.
Existen varios tipos de lámparas que emiten energÃa luminosa a través de un arco eléctrico; éstas se usan en proyectores de cine y para alumbrado público.
Una fuente luminosa de gran importancia en la vida moderna es el rayo láser, el cual es muy potente, tanto llegan a cortar una placa de acero o proyectar un disco de luz sobre la Luna.
Los rayos láser de baja intensidad se utilizan para cirugÃas en medicina en la retina del ojo y en otros órganos del cuerpo; en la electrónica para la reproducción de discos compactos en equipos de sonido.
Otra aplicación práctica es la luz láser en la caja registradora de un supermercado que usa un explorador de lectura óptica del código de barras en artÃculos empaquetados. Donde el cajero coloca el artÃculo frente a la ventanilla de manera que el láser pase por la etiqueta que lleva el código. Las lÃneas oscuras del código absorben luz y las lÃneas claras la reflejan. Un detector sensible a la luz lee el código y envÃa información a una computadora central, que identifica el producto y manda a la caja la información del tipo de artÃculo y de su precio.
ILUMINACIÓN. UNIDAD FUNDAMENTAL DE INTENSIDAD LUMINOSA
La intensidad luminosa está relacionada con la cantidad de energÃa emitida por una fuente, su unidad se denomina candela (cd). Es llamada asà debido a que un recurso antiguo para medir la intensidad luminosa consistÃa en tomar como unidad la intensidad producida por una vela o candela de 2 cm de diámetro, cuya flama fuera de 5 cm de alto.
Actualmente, las técnicas de medición están muy desarrolladas y la candela tiene una definición más precisa y compleja.
Una lámpara de gran intensidad no produce gran iluminación sobre una superficie si se encuentra alejada de ella. En caso de que una lámpara encendida se encuentre a 1 m de distancia de una superficie. Al alejarla a 2 m de distancia, el área alumbrada aumenta en proporción directa al cuadrado de la distancia, por lo que la iluminación disminuye en la misma proporción; es decir, se reduce cuatro veces porque los rayos luminosos se esparcen en un espacio mayor. Si se aleja la fuente 3 m, la iluminación se reduce nueve veces.
Por tanto, la iluminación (I) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) entre la fuente de luz y la superficie.
Por otra parte, la iluminación en una superficie es mayor cuanto mayor es la intensidad luminosa (E) de la lámpara; es decir, la iluminación es directamente proporcional a la intensidad luminosa. Esto se escribe:
La iluminación en una superficie es directamente proporcional a la intensidad luminosa de la fuente e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Las unidades en que se miden estas magnitudes son:
Intensidad luminosa (E): se mide en candelas (cd).
Distancia (d): se mide en metros (m).
Iluminación (I): se mide en lux (cd/m2).
La unidad de iluminación (cd/m2) se denomina lux (lx). Se define como la iluminación producida por una candela a 1 m de distancia.
EFICIENCIA EN LA ILUMINACIÓN
En la sociedad contemporánea, el uso y la demanda de energÃa eléctrica crece de manera continua. Gran parte de ésta se utiliza en iluminación producida por lámparas eléctricas. Sin embargo, los focos eléctricos tienen una eficiencia muy baja. Por eso se están desarrollando sistemas de iluminación fluorescente más eficaces, que utilizan menos energÃa con una producción igual de iluminación.
ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO
Aunque todas las ondas electromagnéticas son de la misma naturaleza y se propagan en el vacÃo a la misma velocidad (3 x 108 m/s), cada clase de radiación se caracteriza por su longitud de onda l y su frecuencia (f).
El conjunto de radiaciones electromagnéticas, llamado espectro electromagnético, es muy amplio, por lo cual, para su estudio y descripción, se divide en diferentes regiones.
Ondas de radio: se originan cuando se hacen oscilar cargas eléctricas en antenas. Reciben esta denominación por ser las utilizadas en estaciones de radiocomunicación.
Con un radiorreceptor, es posible oÃr la réplica de la voz de una persona que habla frente al micrófono de una estación emisora situada a cientos de kilómetros de distancia. El fundamento de la radiocomunicación consiste en que un conductor, por el que oscila una corriente eléctrica, emite ondas electromagnéticas en el espacio que lo rodea.
Cuando una persona habla produce vibraciones en el aire. En el micrófono, éstas se transfieren a una lámina delgada conectada a un circuito eléctrico en su interior. Cuando la lámina vibra, la corriente en el circuito cambia, formando lo que se conoce como señales eléctricas.
Un aparato llamado oscilador modula la amplitud (amplitud modulada o AM) o la frecuencia de las ondas (frecuencia modulada o FM) y hace que las señales eléctricas suban y bajen (oscilen) por una antena. AsÃ, la antena emite ondas electromagnéticas moduladas que se propagan en el espacio que la rodea a una velocidad de 3 x 108 m/s.
Otro conductor (antena receptora), que se encuentra a cierta distancia, intercepta las ondas y en él se produce una señal eléctrica idéntica a la de la antena emisora de ondas.
En el radiorreceptor, esta señal eléctrica hace vibrar las bocinas mediante otro circuito eléctrico y se produce una copia del sonido original.
En el cuadro se muestran las caracterÃsticas de las ondas de radio y algunos de sus usos.
Microondas: se generan por medio de circuitos electrónicos y son utilizadas en el radar y en la banda UHF de la televisión. Las microondas tienen una frecuencia comprendida aproximadamente entre 108 Hz y 1012 Hz. Actualmente tienen una aplicación doméstica en los hornos de microondas.
Radiación infrarroja: la región infrarroja (antes del rojo) del espectro electromagnético, queda en el extremo de longitud de onda larga (y baja frecuencia) del espectro visible. Las frecuencias infrarrojas son de 1011 Hz a 1014 Hz, aproximadamente, y su longitud de onda de 10–3 a 10–7 m. Los cuerpos calientes son emisores de radiaciones infrarrojas (aparatos de calefacción, planchas, bombillas, el Sol, etcétera). Con placas fotográficas sensibles al infrarrojo se pueden fotografiar objetos en ausencia total de luz visible.
Luz visible: existe una franja de radiaciones electromagnéticas capaz de impresionar a la retina y que permite "ver" los objetos, pues construye la luz visible. Sus longitudes de onda van aproximadamente desde los 380 x 10–9 m del violeta hasta los 780 3 10–9 m del rojo, pasando por los diferentes colores del arco iris. A cada color le corresponde una región de longitud de onda y de frecuencia. La luz blanca es la mezcla de estos colores.
Se define a la luz visible como el efecto producido en el sentido de la vista por ondas electromagnéticas, cuya longitud está comprendida entre 380 x 10–9 m y 780 x 10–9 m (7.5 x 1014 Hz y 4.6 x 1014 Hz).
Un esquema detallado de espectro visible relaciona los diferentes colores con su longitud de onda expresada en nanómetros (nm).
El color de un objeto opaco depende de la frecuencia de la luz blanca que refleja.
Cuando la luz blanca incide sobre una superficie opaca, y se refleja totalmente, entonces se ve al objeto de color blanco.
Cuando la luz blanca incide en un cuerpo opaco, sólo refleja el color caracterÃstico del cuerpo y absorbe los demás.
Cuando la luz que incide es absorbida en su totalidad, se ve el color negro.
Radiación ultravioleta: más allá del extremo violeta, fuera de la zona visible, se extiende la región de la radiación ultravioleta. Su intervalo aproximado de frecuencias es de 1014 Hz a 1017 Hz y su longitud de onda de 10–7 m a 10–10 m.
El Sol es una fuente muy importante de radiación ultravioleta, que al llegar a la Tierra ioniza las moléculas de las capas altas de la atmósfera; en las inferiores –entre los 15 km y los 50 km de altitud–, es casi totalmente absorbida por las moléculas de ozono (O3). Los rayos ultravioleta pueden causar quemaduras en la piel, dañar los tejidos del ojo humano y acelerar procesos bioquÃmicos que pueden provocar un desequilibrio ecológico.
Debido a que la capa de ozono desempeña un papel protector, existe interés en conservarla. Puede ser destruida por algunos gases, como el freón.
Por otro lado, la exposición moderada a la luz solar es necesaria para la producción natural de vitamina D a partir de compuestos que hay en la piel; pero la exposición excesiva puede causar cáncer en ésta.
Rayos X: el intervalo aproximado de frecuencia en los rayos X es de 1017 Hz a 1019 Hz, y su intervalo de longitud de onda es de 10–10 m a 10–11 m. Los rayos X son usados para obtener las radiografÃas. Esta radiación electromagnética de elevada energÃa y gran poder de penetración puede ocasionar cáncer, quemaduras de la piel entre otros efectos perjudiciales. Sin embargo, en intensidades bajas, pueden emplearse con relativa seguridad para observar la estructura interna del cuerpo humano y la estructura atómica de algunos materiales.
Rayos gamma: la frecuencia de los rayos gamma es superior a los 1019 Hz y su longitud de onda es menor a 10–12 m. Son ondas electromagnéticas que, en efecto, presentan frecuencias muy altas.
Se originan en procesos radiactivos y nucleares, siendo muy penetrantes, ya que pueden atravesar espesores apreciables de materia, por lo que los materiales que los emiten deben protegerse con láminas gruesas de plomo, para evitar que las personas que trabajan con ellos se expongan a dichos rayos.
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