Eficiencia luminosa

Contexto

• Investigador responsable da actividade

  • Benito Vázquez Dorrío

Estamos rodeados de sistemas de iluminación que replican a luz natural empregando tecnoloxías con distinto grao de eficiencia e de impacto ambiental. As directivas da UE van retirando do mercado ordinario diferentes fontes de iluminación (incandescentes –2012–, halóxenas –2018–, vapor de mercurio –2015–, tubos fluorescentes T5/T8 –2023– etc.), pero quedan aínda algunhas destas nas nosas tendas, casas e rúas e que, por normativa, foron relegadas a certas aplicacións concretas na industria e nos centros de investigación.

Outras tecnoloxías aínda empregadas poden ser potencialmente perigosas, como as lámpadas fluorescentes compactas que empregan mercurio ou, como certos led, que emiten unha porcentaxe alta de luz azul. Esta luz azul pode ser daniña en ambientes domésticos, xa que impide xerar a melatonina que necesitamos e provoca problemas de saúde. Tamén incrementa a contaminación luminosa en exteriores ao dispersarse de noite máis a luz azul e crear, por tanto, máis resplandor no ceo, ao mesmo tempo que impacta con risco na fauna nocturna.

Cando, por exemplo, observamos unha luz fluorescente ou unha luz led, a sensación visual pode ser similar á luz solar, que presenta un espectro continuo con todas as cores visibles presentes; con todo, os seus espectros, as lonxitudes de onda emitidas, son totalmente diferentes. Podemos ver o contido espectral da radiación emitida por unha fonte luminosa utilizando o fenómeno da difracción da luz, converténdonos en cazadores de espectros (spectrumbusters). Desta forma, coñecendo as características da luz habitual que nos rodea poderemos expor solucións de iluminación máis eficientes e respectuosas co medio ambiente e coa saúde das persoas.

O fenómeno coñecido como difracción prodúcese cando a luz, ou outra onda (onda, radio AM, radio FM, son etc.), atopa na súa propagación obstáculos cuxas dimensións son comparables ou da orde da súa lonxitude de onda λ. Pódese interpretar como unha desviación da súa traxectoria rectilínea que non se debe á reflexión ou á refracción. Ocorre tamén cando incide sobre unha pantalla cunha abertura de similar tamaño a λ. En ambos os casos xérase un gran número de ondas secundarias na abertura ou no obstáculo que se superpoñen para redistribuír a súa enerxía e xerar unha nova onda cuxa intensidade observada moi lonxe presenta, no caso da luz, zonas máis iluminadas e zonas menos iluminadas alternas en sitios e con tamaños inesperados, segundo a traxectoria rectilínea da luz, e que poden ser explicadas considerando a suma ponderada dependente da súa posición desas ondas secundarias. As zonas máis iluminadas, por exemplo, correspóndense coas rexións onde múltiples ondas secundarias interfiren construtivamente e súmanse en fase para proporcionar unha onda resultante de maior intensidade. As zonas menos iluminadas serán aquelas onde moitas ondas secundarias interfiren destrutivamente e se suman en oposición para proporcionar unha onda resultante de menor intensidade (figura 1).

Esta suma ponderada de múltiples ondas é complicada de realizar se non se consideran certas aproximacións como que as dimensións de abertura do obstáculo sexan moito menor ca distancia entre estas e a zona de observación, e que a fonte se atope moi afastada de abertura do obstáculo, a denominada aproximación de Fraunhofer. Ao máximo de intensidade central denomínaselle orde de difracción cero, os dous máximos máis próximos ao central serán as ordes +1 e -1 e estarán distanciados cunha separación entre os máximos de intensidade de Δ, e así sucesivamente. Os máximos das distintas ordes son semellantes, pero cunha anchura que aumenta e unha intensidade que diminúe segundo a orde aumenta.

Na nosa vida cotiá a difracción é a responsable de múltiples situacións que observamos a diario como que a) unha onda na auga rodee unha roca; b) unha emisión de radio AM rodee un edificio ou un outeiro ou se é de FM rodee un viaduto, túnel ou ponte; ou c) un son se escoite, por exemplo, detrás dunha porta fóra da liña recta de escoita. Como a lonxitude de onda λ da luz visible é próxima ás décimas de micrómetro, a súa difracción será evidente en principio para obxectos que como moito teñan dimensións entre cen e mil veces maiores, ou se estas son máis grandes en certos casos analizando entón a luz difractada polos bordos do obxecto. Así ocorre cando observamos a) estrelas ou lámpadas a distancia e apreciamos escintileos estrelados debido á difracción nas irregularidades da nosa pupila ou á pequena apertura da cámara que empregamos; b) halos coloreados nos farois, os faros dun coche ou a Lúa ao ser observados a través da néboa onde hai pequenas microgotiñas de auga; ou c) a descomposición da luz en vistosas cores ao ser reflectida por un CD ou DVD debido a sucos microscópicos, separados en xeral respectivamente 1,6 10^-6 m e 0,8 10^-6 m, empregados para o almacenamento e codificación da información.

Unha das aplicacións máis empregadas da difracción é a análise da composición da luz nun dispositivo denominado espectroscopio, cuxos elementos básicos son unha estreita fenda que selecciona unha parte da luz e unha rede de difracción na que a luz que a atravesa se desvía un ángulo diferente dependendo da súa lonxitude de onda, a luz azul se difracta menos e a luz vermella se difracta máis. Unha rede de difracción, na súa configuración máis simple, é unha lámina de cristal ou plástico que contén un conxunto de liñas, raias ou fendas moi xuntas que son rectas, opacas, equiespaciadas e alternas con obstáculos semellantes transparentes. O período p dunha rede, tamén denominada constante da rede, é a distancia entre liñas opacas e transparentes moi xuntas e está relacionado coa separación Δ entre os máximos de difracción, a distancia da rede á pantalla de observación L >> p e a lonxitude de onda λ, na aproximación de Fraunhofer, mediante a seguinte relación:

Δ=λ L/p

Cando a fonte é policromática temos na orde cero un máximo da mesma cor ca fonte e para ordes de difracción superiores teremos máximos de diferente lonxitude de onda separados espacialmente cunha separación Δ  maior canto menor sexa o período da rede p. A separación entre os máximos non depende do tamaño da rede, pero canto máis grande sexa, máis nítidos e intensos serán. O ancho espectral das ordes de difracción depende do contido espectral da fonte e aumenta coa propia orde (figura 2).

Podemos así observar directamente co ollo ou, por exemplo, cunha cámara do móbil axustada ao espectroscopio os compoñentes de iluminación do alumeamento artificial público e privado, así como calquera luz natural ou artificial, e determinar o seu espectro, unha especie de NIF único e exclusivo do emisor (figura 3). No noso caso a montaxe realízase sobre un recortable/pregable de papel ao que se lle engade un pequeno anaco de rede de difracción lineal de plástico de baixo custo. Isto permitiranos identificar a tecnoloxía da lámpada e relacionala coa súa eficacia luminosa (táboa 1), razón entre o fluxo luminoso emitido ou cantidade de luz que emiten (lm) e a potencia eléctrica consumida (W). Nunha lámpada doméstica pode calcularse tomando directamente os valores da súa etiqueta informativa: eficacia luminosa = xxx lm/yyy W.

A eficiencia luminosa ten en conta que non toda a cantidade de luz que é capaz de producir unha fonte de luz logo se emite realmente, xa que depende en cada fonte de luz da súa temperatura de funcionamento, os seus compoñentes ópticos e difusores, etc. A eficiencia luminosa, ao ser un parámetro máis complexo, permítenos facer unha primeira clasificación das fontes e pode calcularse como a súa eficacia luminosa dividida polo seu valor máximo posible, por exemplo, 683 lm/W para unha fonte ideal monocromática de frecuencia 540 × 10¹² Hz, de acordo coa definición reformulada da candea no sistema internacional.

Táboa 1. Algúns valores medios de eficacia e eficiencia luminosa

Como consumidor, desde setembro de 2021, a nova etiquetaxe enerxética de fontes de iluminación que funcionan coa rede eléctrica presenta unha escala de clasificación intuitiva para a eficiencia enerxética que vai do A, produtos de menor consumo e maior eficiencia enerxética, ao G, maior consumo e menor eficiencia enerxética (táboa 2). Nesta clasificación a eficiencia enerxética coincide directamente coa eficacia luminosa (táboa 2) ou esta multiplicada por 1,176, se polo menos o 80 % do fluxo luminoso total está dentro dun cono cun ángulo de 120°, as chamadas fontes direccionais.

Táboa 2. Clases de eficiencia enerxética na etiquetaxe de fontes de iluminación

Galería de espectros de diferentes tipos de luz

Figura 3. Orde -1 do espectro de diferentes fontes de luz obtidos co espectroscopio montado sobre a cámara dun Samsung S10. De arriba a abaixo: lámpada RGB en emisións WRGBCMY; luz natural e lámpadas domésticas; iluminación pública; lámpadas espectrais e de laboratorio

Séguenos nas Redes!