LUMEN

El lumen (símbolo: lm) es la unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa emitida por la fuente. El flujo luminoso se diferencia del flujo radiante en que el primero contempla la sensibilidad variable del ojo humano a las diferentes longitudes de onda de la luz y el último involucra toda la radiación electromagnética emitida por la fuente según las leyes de Wien y de Stefan-Boltzmann sin considerar si tal radiación es visible o no.

INTERPRETACION

Si una fuente luminosa emite una candela de intensidad luminosa uniformemente en un ángulo sólido de un estereorradián, su flujo luminoso total emitido en ese ángulo es un lumen. Alternativamente, una fuente luminosa isótropa de una candela emite un flujo luminoso total de exactamente lúmenes. Se puede interpretar el lumen de forma menos rigurosa como una medida de la "cantidad" total de luz visible en un ángulo determinado, o emitida por una fuente dada.

Una bombilla incandescente de 100 vatios emite aproximadamente 1000 lúmenes, mientras que una lámpara de vapor de sodio de la misma potencia emite alrededor de 15.000 lúmenes, unas quince veces más, pudiendo llegar a emitir hasta 20 veces más que una lámpara de incandescencia, dependiendo del tipo de lámpara.

POTENCIA DE UN PROYECTOR

LÚMENES ANSI

La potencia luminosa de un proyector suele medirse en lúmenes. El Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI, por sus siglas en inglés) ha creado un procedimiento estándar para determinar dicha potencia, tomando mediciones en diferentes posiciones y calculando un valor medio.1 En el aspecto comercial, la potencia luminosa calculada según este método se suele publicar en "lúmenes ANSI", para distinguirlos de aparatos cuya potencia se haya calculado de alguna otra manera. Las mediciones de lúmenes ANSI son generalmente más correctas que las ofrecidas por otras técnicas de la industria de proyectores.2

LÚMENES PICO

lumenEstándar: Unidades derivadas del Sistema Internacional

Magnitud: Flujo luminoso

Símbolo: lm

Expresada en: 1 lm

Unidades básicas del Sistema Internacional cd sr = lx · m

Los lúmenes pico constituyen una medida de la potencia luminosa habitualmente usada para los proyectores de TRC. Su medición se efectúa usando un patrón con un 10% a un 20% de la imagen en blanco (en el centro), y el resto en negro. La potencia luminosa se mide en el área central. Las limitaciones técnicas de este tipo de proyectores implica que producen el mayor brillo cuando sólo una pequeña área se ilumina, como en este test. El resultado es que un aparato puede producir 1200 lúmenes pico, y sólo 200 lúmenes ANSI.3

UNIDADES DE FOTOMETRÍA DEL SISTEMA INTERNACIONAL

Magnitud Símbolo Unidad Abrev. Notas

Energía lumínica Qv lumen segundo lm· s A veces se usa la denominación talbot, ajena al Sistema Internacional.

Flujo luminoso F lumen (= cd· sr) lm Medida de la potencia luminosa percibida.

Intensidad luminosa Iv candela (= lm/sr) cd Es una unidad básica del Sistema Internacional.

Luminancia Lvcandela por metro

cuadrado cd/m2 A veces se usa la denominación nit, ajena al Sistema Internacional.

Iluminancia Ev lux (= lm/m2) lx Usado para medir la incidencia de la luz sobre una superficie.

Emitancia luminosa Mv lux (= lm/m2) lx Usado para medir la luz emitida por una superficie.

Eficacia luminosa η lumen por vatio lm/W Razón entre flujo luminoso y flujo radiante.

1.- ENERGÍA LUMÍNICA

En fotometría la energía lumínica es la fracción percibida de la energía transportada por la luz y que se manifiesta sobre la materia de distintas maneras, una de ellas es arrancar los electrones de los metales, puede comportarse como una onda o como si fuera materia, pero lo más normal es que se desplace como una onda e interactúe con la materia de forma material o física. La energía lumínica es de hecho una forma de energía electromagnética.

La energía luminosa no debe confundirse con la energía radiante.

ENERGÍA RADIANTE

La energía radiante es una cantidad objetiva que depende sólo de la intensidad y el color de la luz. La intensidad está relacionada con el número de fotones por unidad de tiempo que inciden en una superficie y el color está relacionado con la longitud de onda o

frecuencia de la luz incidente. La potencia lumínica asociada a una fuente es la tasa de transferencia de energía lumínica por unidad de tiempo y puede expresarse como:

Donde:

es el número de fotones de una cierta frecuencia emitidos por unidades de tiempo.

, es la constante de Planck.

EJEMPLOS DE LAS ENERGIAS: Solar: paneles de energía solar que proporcionan luz. Térmica: caldera, estufa, microondas Química: pila, batería de autos, etc. Hidráulica: turbinas Eléctrica: televisión, computadora

ENERGÍA LUMÍNICA ABSORBIDA

En las situaciones prácticas la energía luminosa transferida a una superficie dependerá tanto de propiedades físico-químicas de esta como de factores geométricos como su orientación respecto a la dirección de incidencia de la luz.

Esto tienen interés práctico por que a partir de la energía luminosa puede obtenerse bien directamente o bien indirectamente energía eléctrica. La forma directa involucra el uso de células fotovoltaicas, mientras que las formas indirectas consisten en calentar un fluido circulante, que puede usarse en mover algún tipo de turbina o elemento mecánico generando energía cinética, y transformar la energía mecánica resultante en energía eléctrica. En este segundo caso frecuentemente se usan espejos curvados que concentran la energía luminosa en un volumen o área más reducidos aumentando localmente la intensidad de la luz. El fluido calentado frecuentemente está dentro de un circuito provisto de un sistema de válvulas movidas por vapor de agua que ha sido vaporizada por el calor

Panel solar

ORGANIZACIÓN

La organización de la energía luminosa es específica en situaciones prácticas de factores geométricos con respecto a la luz.

ENERGÍA LUMINOSA ABSORBIDA

Forma directa involucrada en células fotovoltaicas, mientras que las otras calientan fluidos.

ENERGÍA LUMÍNICA VISIBLE

De toda la energía lumínica absorbible sólo una fracción es percibida por el ojo, que además presenta diferente sensibilidad a la luz de diferentes colores. Por lo que una medida de la luz percibida debe ponderar diferente cada longitud de onda, así por ejemplo, el ojo presenta la máxima sensibilidad para longitudes entorno de 380nm a 780 nm.

INVISIBLE

Una luz con la misma energía radiante pero con longitud de onda más corta (0 nm a 380 nm) o más largas que 780 nm nm será percibida con menor energía lumínica.

2.- FLUJO LUMINOSO

El flujo luminoso es la medida de la potencia luminosa percibida. Difiere del flujo radiante, la medida de la potencia total emitida, en que está ajustada para reflejar la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda.

Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen (lm) y se define a partir de la unidad básica del SI, la candela (cd), como:

El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de luminosidad, que representa la sensibilidad del ojo en función de la longitud de onda. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible. La radiación fuera del espectro visible no contribuye al flujo luminoso. Así, para cualquier punto de luz, si representa el flujo luminoso , simboliza la potencia radiante espectral del punto de luz en cuestión y

la función de sensibilidad luminosa, entonces:

Bajo condiciones fotópicas una luz monocromática de 555 nm (color verde) con un flujo radiante de 1 W, genera un flujo luminoso de 683,002 lm, que corresponde con la máxima respuesta del ojo humano. Por otro lado, el mismo flujo de radiación situado en otra longitud de onda diferente de la del pico, generaría un flujo luminoso más pequeño, de acuerdo con la curva .

3.- INTENSIDAD LUMINOSA

En fotometría, la intensidad luminosa se define como la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente por unidad de ángulo sólido. Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es la candela (cd). Matemáticamente, su expresión es la siguiente:

donde:

es la intensidad luminosa, medida en candelas. es el flujo luminoso, en lúmenes. es el elemento diferencial de ángulo sólido, en estereorradianes.

La intensidad luminosa se puede definir a partir de la magnitud radiométrica de la intensidad radiante sin más que ponderar cada longitud de onda por la curva de sensibilidad del ojo. Así, si es la intensidad luminosa, representa la intensidad radiante espectral y simboliza la curva de sensibilidad del ojo, entonces:

INTENSIDAD LUMINOSA Y DIFERENTES TIPOS DE FUENTES

En fotometría, se denomina fuente puntual a aquella que emite la misma intensidad luminosa en todas las direcciones consideradas. Un ejemplo práctico sería una lámpara. Por el contrario, se denomina fuente o superficie reflectora de Lambert a aquella en la que la intensidad varía con el coseno del ángulo entre la dirección considerada y la normal a la superficie (o eje de simetría de la fuente).

UNIDADES

Una candela se define como la intensidad luminosa de una fuente de luz monocromatica de 540 THz que tiene una intesidad radiante de 1/683 vatios por estereorradián, o aproximadamente 1.464 mW/sr. La frecuencia de 540 THz corresponde a una longitud de onda de 555 nm, que se corresponde con la luz verde pálida cerca del límite de visión del ojo. Ya que hay aproximadamente 12.6 estereorradianes en una esfera, el flujo radiante total sería de aproximadamente 18.40 mW, si la fuente emitiese de forma uniforme en todas las direcciones. Una vela corriente produce con poca precisión una candela de intensidad luminosa.

4.- LUMINANCIA

En Fotometría, la luminancia se define como la densidad angular y superficial de flujo luminoso que incide, atraviesa o emerge de una superficie siguiendo una dirección determinada. Alternativamente, también se puede definir como la densidad superficial de intensidad luminosa en una dirección dada.

La definición anterior se formaliza con la expresión siguiente:

donde:

LV es la luminancia, medida en Nits o candela/metro2. F es el flujo luminoso, en lumen. dS es el elemento de superficie considerado, en metros2. dΩ es el elemento de ángulo sólido, en estereorradianes. θ es el ángulo entre la normal de la superficie y la dirección considerada.

La luminancia se puede definir a partir de la magnitud radiométrica de la radiancia sin más que ponderar cada longitud de onda por la curva de sensibilidad del ojo. Así, si L V

es la luminancia, Lλ representa la radiancia espectral y V(λ) simboliza la curva de sensibilidad del ojo, entonces:

De forma no rigurosa, se puede considerar que el equivalente psicológico de la luminancia es el "brillo". Por ejemplo, considerando el caso de la emisión o reflexión de luz por parte de superficies planas y difusas, la luminancia indicaría la cantidad de flujo luminoso que el ojo percibiría para un punto de vista particular. En este caso, el ángulo sólido que interesa es el subtendido por la pupila del ojo.

5.- ILUMINANCIA

En términos generales, la iluminancia se define según la siguiente expresión:

donde:

EV es la iluminancia, medida en lux (no usa el plural luxes). F es el flujo luminoso incidente, en lúmenes. dS es el elemento diferencial de área de incidencia considerado, en metros

cuadrados.

La iluminancia se puede definir a partir de la magnitud radiométrica de la irradiancia sin más que ponderar cada longitud de onda por la curva de sensibilidad del ojo. Así, si es

la iluminancia, representa la irradiancia espectral y simboliza la curva de sensibilidad del ojo, entonces:

Tanto la iluminancia como el nivel de iluminación se pueden medir con un aparato llamado fotómetro. A la iluminancia que emerge de una superficie por unidad de área se le denomina emitancia luminosa ( ).

6.- EMITANCIA LUMINOSA

En fotometría, la emitancia luminosa ( ), o exitancia luminosa es la cantidad de flujo luminoso que emite una superficie por unidad de área, mientras que, la iluminancia ( ) es la cantidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie por unidad de área. La unidad de medida tanto de la Emitancia Luminosa como de la Iluminancia en el Sistema Internacional es el lux: 1 lux = 1 Lumen/m².

Imagen descriptiva de la iluminancia.

DEFINICIONES

EMITANCIA LUMINOSA

En términos generales, la emitancia luminosa se define según la siguiente expresión:

donde:

MV es la emitancia, medida en lux (no usa el plural luxes). F es el flujo luminoso emitido, en lúmenes. dS es el elemento diferencial de área de emisión considerado, en metros

cuadrados.

La emitancia luminosa se puede definir a partir de la magnitud radiométrica de la emitancia sin más que ponderar cada longitud de onda por la curva de sensibilidad del ojo.

7.- EFICACIA LUMINOSA

La eficacia luminosa de una fuente de luz es la relación existente entre el flujo luminoso (en lúmenes) emitido por una fuente de luz y la potencia (en vatios)W.

Dependiendo del contexto, la potencia puede ser el flujo radiante o puede ser la potencia eléctrica consumida por la fuente.[1] [2] [3] [4] En el primero de los casos se le suele denominar eficacia luminosa de la radiación (LER) y en el segundo eficacia luminosa de una fuente (LES) o también rendimiento luminoso.

EFICACIA LUMINOSA DE LA RADIACIÓN

La eficacia luminosa de la radiación mide la parte de energía electromagnética que se usa para iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso por el flujo radiante.

En el SI, la eficacia luminosa viene expresada en lúmenes por vatio (lm/W). La eficacia luminosa de una radiación tiene un valor máximo posible de 683 lm/W, para el caso de una luz monocromática de una longitud de onda de 555 nanómetros (verde).

Respuesta de un ojo humano tipo a la luz, según estandarización de la CIE en 1924.

EFICACIA LUMINOSA DE UNA FUENTE

La eficacia luminosa de una fuente de luz o rendimiento luminoso mide la parte de energía eléctrica que se usa para iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso emitido por la potencia eléctrica consumida.

EFICACIA Y EFICIENCIA

En otros sistemas de unidades diferentes al SI, el flujo luminoso tiene las mismas unidades que el flujo radiante, la eficacia luminosa de la radiación es entonces adimensional y a menudo se le denomina eficiencia luminosa o Coeficiente Luminoso y puede ser expresada como un porcentaje. También es usual elegir que unidades tales como la eficacia máxima posible, 683 lm/W, correspondan a una eficiencia del 100%. La distinción entre eficacia y eficiencia no es siempre mantenida con rigor en algunas publicaciones o escritos técnicos, por lo que no es raro ver eficiencias expresadas en lumenes por vatio y eficacias expresadas como un porcentaje.

Ejemplos

La siguiente tabla muestra las Eficacias y eficiencias luminosas de varias fuentes de luz:

Categoría Tipo Eficacia luminosa (lm/W

Eficiencia luminosa5

Combustiónvela 0.3 0.04%

gas natural 1–2 0.15–0.3%

Incandescente

100–200 W tungsteno incandescente (230 V) 13.8[6] –15.2[7] 2.0–2.2%

100–200–500 W tungsteno halógeno (230 V) 16.7[8] –17.6[7] –19.8[7] 2.4–2.6–2.9%

5–40–100 W tungsteno incandescente (120 V) 5–12.6[9] –17.5[9] 0.7–1.8–2.6%

lámparas fotográficas y de proyección 35[10] 5.1%

Lámpara LED

LED blanco (sin fuente de alimentación) 4.5–150[11] [12] [13] [14] 0.66–22.0%

4.1 W lámpara LED de Rosca Edison (120 V) 58.5–82.9[15] 8.6–12.1%

7 W LED PAR20 (120 V) 28.6[16] 4.2%

Lámpara de Arco Faros xenón 30–50[17] [18] 4.4–7.3%

Fluorescente

T12 tubo con balasto magnético 60[19] 9%

9–32 W fluorescente compacta 46–75[20] [21] [7] 8–11.45%[22]

T8 tubo con balasto electrónico 80–100[19] 12–15%

T5 tubo 70–104.2[23] [24] 10–15.63%

Lámpara de descarga

1400 W lámpara de sulfuros 100[25] 15%

Lámpara de haluro metálico 65–115[26] 9.5–17%

Lámpara de Sodio de Alta Presión 85–150[27] [7] 12–22%

Lámpara de Sodio de Baja Presión 100–200[27] [28] [7] 15–29%

Fuentes ideales

Cuerpo negro a 5800 K truncado al espectro visible

25137%

100%

Luz verde a 555 nm (máximo LER posible) 683,002

“Año de la integración nacional

Y el reconocimiento de nuestra

Identidad”

Tecnología de Análisis Químico

Tema: lumen

Curso: Tecnología Básica

Alumnos: Erick Michael García Ríos

2012