AMORTIGUACIÓN Y ABSORCIÓN DE LA LUZ


Experimentos realizados por alumnos de Bachillerato en el IES "Leonardo Da Vinci" de Alicante.

 
 
 

PROPÓSITO DE LOS EXPERIMENTOS

DISEÑO EXPERIMENTAL

DECAIMIENTO TOTAL DE LA INTENSIDAD DE LA LUZ EMITIDA POR UNA BOMBILLA

DECAIMIENTO DE LA INTENSIDAD DE LA LUZ POR ABSORCIÓN

INFLUENCIA DEL TIPO DE BOMBILLA EN EL DECAIMIENTO DE LA RADIACIÓN UVA

ARCHIVO DE DATASTUDIO
 
 
 

PROPÓSITO DE LOS EXPERIMENTOS

 
 
El modelo ondulatorio de la luz prevé la amortiguación de la radiación luminosa y su absorción por el medio.
 
   

Tal como indica la primera de las animaciones adjuntas (izquierda), la luz emitida por cualquier fuente (una bombilla, el Sol) se propaga en el espacio en todas las direcciones. En consecuencia, a medida que nos alejamos de dicha fuente emisora se ha de producir un decaimiento de su intensidad. Debería ser inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, puesto que la vibración luminosa se irá repartiendo en frentes de onda esféricos cuya superficie va aumentando al alejarnos del foco. A la amortiguación se añade la absorción de la radiación por el medio (en este caso, la atmósfera), que, según simula la segunda animación (derecha) debería suponer un decrecimiento exponencial de la intensidad.

Animaciones Modellus que simulan respectivamente la propagación de la luz en todas las direcciones (izquierda) y la absorción (derecha) (Clic encima de cada imagen para la animación correspondiente)

 
 

El objetivo de los experimentos que se van a realizar es medir el decaimiento de la luz producida por algunas fuentes artificiales cotidianas (bombillas, tubos fluorescentes,..), investigando cuál es el mejor modelo matemático que se ajuste a dicho decaimiento.

 
 
 

 

DISEÑO EXPERIMENTAL

 
 

En el laboratorio del Instituto disponemos de algunos sensores de intensidad luminosa. Como, en este caso, se quiere estudiar la evolución de la intensidad de la luz emitida con la distancia, se colocará la fuente luminosa en una determinada posición fija y se irá alejando el sensor, para tomar medidas a distancias crecientes. Para este propósito se puede ser usar un carril graduado (como los disponibles para experimentos de mecánica) y colocar sobre él el sensor, tomando mediciones de la intensidad luminosa a distancias crecientes.

 

Una cuestión importante que se ha de tener en cuenta en estos experimentos es la existencia de una luz ambiental y el hecho de que pueda sufrir variaciones durante el experimento y/o entre unos puntos y otros donde toman las mediciones. Para minimizar este factor, se realiza el experimento con las persianas del laboratorio bajadas (para evitar posibles alteraciones de intensidad de la luz procedente del exterior) y, con la bombilla apagada, se mide  la intensidad de la luz ambiental en las diferentes posiciones. Normalmente, los resultados de estas mediciones señalan una luminosidad de fondo muy baja (casi siempre inferior a 1 lux) y prácticamente constante, que, en ese caso, se puede despreciar.

 

 

También pueden contaminar los resultados posibles reflexiones de la luz en superficies próximas (por ejemplo, paredes, la propia mesa). Para evitarlas interesa alejar esas superficies del sensor y/o procurar que tales superficies tengan colores oscuros.

 

 
 

 

DECAIMIENTO TOTAL DE LA INTENSIDAD DE LA LUZ EMITIDA POR UNA BOMBILLA

 
 

 

A la izquierda se muestran resultados obtenidos por un grupo de alumnos de Bachillerato. Para obtenerlos, un estudiante del grupo alejó el sensor de luz de la fuente, procurando hacerlo con una velocidad constante. Sus compañeros de equipo configuraron el sensor a la frecuencia más alta (500Hz) y  tomaron mediciones de la intensidad luminosa durante el alejamiento del sensor.

En estas condiciones, si el movimiento de alejamiento hubiera sido realmente uniforme, la relación entre la intensidad luminosa y el tiempo debería resultar similar a la relación que se investiga entre dicha intensidad y la distancia a la fuente. Es decir, el ajuste inverso de grado n realizado debería proporcionar la mejor aproximación  para un exponente n igual a 2.

 
     
 

Aunque la precisión del experimento es escasa, el resultado obtenido  (n = 2.5) podría estar apoyando la hipótesis de que la parte principal del decaimiento se deba a la amortiguación, y a ello se agregue un decaimiento adicional atribuible a una posible absorción de luz por el medio.

 
     
 

 

DECAIMIENTO DE LA INTENSIDAD DE LA LUZ POR ABSORCIÓN

 
 

 

Para determinar el posible decaimiento de la intensidad de la luz debido a su absorción por el medio, planteamos un diseño experimental como el que enseña la imagen adjunta. En este caso, la luz emitida por la bombilla sale al exterior por un orificio pequeño, desde el cual se dirige al sensor en línea recta (la difracción es despreciable, porque la abertura es mucho mayor que la longitud de onda).

En estas estas condiciones, la energía del haz de luz no se reparte en superficies cada vez mayores y podemos suponer que prácticamente no hay amortiguación.

 
     
 
 

A la izquierda se muestran los resultados obtenidos con este diseño por un grupo de profesores en un curso de formación docente, celebrado en 2009, en una sesión impartida por el profesor Vicent Soler del IES "Sixto Marco" de Elche.

Aunque en este estudio se dispone de pocas mediciones, el análisis de los mismos constata que a la gráfica obtenida no se le puede aplicar un ajuste inverso de grado 2. En cambio, si resultan bastante próximos un ajuste exponencial en base natural y un ajuste simplemente exponencial, ambos aceptables y compatibles con posibles hipótesis tendentes a interpretar el fenómeno de la absorción.

 
     
 

 

INFLUENCIA DEL TIPO DE BOMBILLA EN EL DECAIMIENTO DE LA RADIACIÓN ULTRAVIOLETA

 
 

Uno de los problemas pendientes que formulan los estudiantes al terminar este trabajo práctico es la posible influencia del tipo de bombilla (más en general de la fuente luminosa) en el proceso estudiado. El mecanismo que genera la luz es muy diferente para diferentes fuentes (bombilla tradicional, bombilla halógena, vela, fuego,..) y, en consecuencia, también lo es el tipo de luz que se emite. Es lógico esperar que diferentes tipos de luz interaccionen de forma diferente con el medio, dando lugar a un grado muy distinto de absorción.

 

 

En relación con esto, en el IES "Sixto Marco" de Elche un grupo de alumnos de Bachillerato estudiaron el grado de emisión de radiación ultravioleta (UV) de tres tipos de bombilla: una bombilla incandescente, una bombilla de bajo consumo sin cápsula de protección y otra bombilla similar con cápsula de protección. Comprobaron que la tradicional bombilla incandescente es la que emite menos radiación UVA, aunque todas lo hacen en una cantidad muy pequeña y en los tres casos, la intensidad decrece muy rápidamente. Este estudio tiene particular interés, porque, como se sabe, la radiación UV puede ser perjudicial, si excede de una determinada dosis.

 

 
 

 

ARCHIVOS DE DATASTUDIO: Te puedes descargar los  resultados originales de los dos experimentos (1 y 2) que se describen en esta página. Para abrir los archivos se necesita el programa DataStudio, del que tienen licencia bastantes departamentos de física y química de institutos de enseñanza secundaria.