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UNIDAD DE APRENDIZAJE IV : FOTOMETRIA

FOTOMETRIA: La fotometría es aquella parte de la física cuyo objeto es la medida de la intensidad de la luz.

LUZ: La luz es una forma de energía radiante ondulatoria existente en todo el universo, que al incidir sobre los órganos sensoriales adecuados permite distinguir los objetos.

FUENTES LUMINOSAS: Son los cuerpos que emiten luz por sí mismos.

FUENTES INCANDECENTES: Además de luz emiten calor.

FUENTES LUMINESCENTES: Solo emiten luz.

En la naturaleza existen diversas fuentes luminosas:

Las estrellas incluyendo el sol (se trata de fusión atómica) Los relámpagos y rayos (son descargas eléctricas) Las reacciones químicas de combustión violenta, como las llamas y brasas en que emiten luz los gases y especialmente el carbono Los metales a altas temperaturas Los gases bajo ciertas condiciones Ciertas sustancias como el fósforo Ciertos animales como las luciérnagas, y algunos peces abisales (que viven en grandes profundidades) Ciertos microorganismos como hongos y bacterias

Utilizando las propiedades de emitir luz de ciertos elementos, el hombre ha inventado ciertas fuentes luminosas artificiales: Las velas, lámparas y faroles de llama directa Las lámparas y faroles de llama que produce incandescencia de ciertos materiales (farol a mantilla)

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Lámparas incandescentes de filamento metálico calentado por electricidad Los tubos y lámparas de gases luminescentes fríos Los aparatos que suscitan luminosidad por excitantes electrónicos (pantallas de TV, de calculadoras, Diodos emisores de luz -LED- y similares) Objetos que incorporan elementos luminescentes (relojes, placas de luz, pinturas y tintas de imprenta, etc.)

LOS FENÓMENOS NATURALES QUE EMITEN LUZ, CONSISTEN EN:

FOSFORECENCIA - Propiedad que presentan algunos cuerpos - especialmente el fósforo - de continuar emitiendo luz por un cierto tiempo luego de haber sido iluminados. Actualmente existen sustancias que adquieren permanentemente esa propiedad al ser sometidas a ciertas radiaciones y se usan en relojes luminosos, placas de luz, carteles, pintura de indicadores en las carreteras, etc.

FLUORESCENCIA - Propiedad de ciertas sustancias de emitir luz por breve tiempo, al ser sometidas a ciertas descargas o radiaciones. Estos efectos se utilizan con gases como el fluor o el neón en los tubos fluorescentes o luminosos comerciales; y también en las pantallas de TV y monitores de computador.

BIOLUMINESCENCIA - Propiedad que presentan algunos organismos vivos de emitir luz; lo que realizan debido a reacciones químicas que ocurren en sus células y que cumple funciones de reconocimiento, defensa y atracción sexual. Ocurre en las luciérnagas (llamadas “bichos de luz” algunos hongos, bacterias y algas (que dan fenómenos luminosos en el mar) y ciertos peces de los abismos marinos.

SEGÚN LA FORMA EN QUE SE COMPORTAN AL SER ILUMINADOS POR UN RAYO DE LUZ, LOS CUERPOS SE CLASIFICAN EN:

Opacos - que no permiten el pasaje de la luz. Ejemplos: madera, metal, piedra.

Transparentes - que permiten el pasaje total de la luz. Ejemplos: aire, agua, vidrio fino, planchas finas de material plástico (nylon o vinilo)

Traslúcidos - que permiten el pasaje de la luz en forma parcial. Ejemplos: vidrio fino esmerilado, papel fino encerado, algunas planchas gruesas o coloreadas de material plástico (acrílico).

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ESPECTRO LUMINOSO

El Espectro Luminosos consiste en la descomposición de la luz en diferente longitud de onda que da como resultado los colores.

Existe el espectro visible y el no visible. Los VISIBLES son los violetas, azules verdes, amarillos y rojos que son vistos por el ojo humano y los NO VISIBLES son el ultravioleta e infrarrojo que no son detectables por el ojo humano.

La luz está formada por ondas, se propaga en todas direcciones y siempre en línea recta. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a través del vacío; son llamadas ondas electromagnéticas. El hombre sólo puede ver algunas de estas ondas, las que forman el espectro luminoso visible.

La luz blanca se produce cuando todas las longitudes de onda del espectro visible están presentes en proporciones iguales. Gracias a Newton (1642-1727) sabemos que la luz blanca al descomponerse origina los siete colores del espectro visible: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul cian, azul y violeta. La suma de todos los colores del espectro luminoso recompone la luz blanca. El color de lo objetos depende del espectro de la luz que incide y de la absorción del objeto, la cual determina qué ondas son reflejadas.

EL ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

La luz forma parte del espectro electromagnético que comprende tipos de ondas tan dispares como los rayos cósmicos, los rayos gamma, los ultravioletas, los infrarrojos y las ondas de radio o televisión entre otros. Cada uno de estos tipos de onda comprende un intervalo definido por una magnitud característica que puede ser la longitud de onda (λ.) o la frecuencia (f). Recordemos que la relación entre ambas es:

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Donde c es la velocidad de la luz en el vacío (c = 3·108 m/s).

Espectro Electromagnético.

La absorción es un proceso muy ligado al color. El ojo humano sólo es sensible a las radiaciones pertenecientes a un pequeño intervalo del espectro electromagnético. Son los colores que mezclados forman la luz blanca. Su distribución espectral aproximada es:

Tipo de radiación Longitudes de onda (nm)Violeta 380-436Azul 436-495Verde 495-566Amarillo 566-589Naranja 589-627Rojo 627-770

Cuando la luz blanca choca con un objeto una parte de los colores que la componen son absorbidos por la superficie y el resto son reflejados. Las componentes reflejadas son las que determinan el color que percibimos. Si la refleja toda es blanca y si las absorbe todas es negro. Un objeto es rojo porque refleja la luz roja y absorbe las demás componentes de la luz blanca. Si iluminamos el mismo objeto

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con luz azul lo veremos negro porque el cuerpo absorbe esta componente y no refleja ninguna. Queda claro, entonces, que el color con que percibimos un objeto depende del tipo de luz que le enviamos y de los colores que este sea capaz de reflejar.

CURVA DE SENSIBILIDAD VISUAL

Al igual que en la fotografía, la cantidad de luz juega un papel importante en la visión. Así, en condiciones de buena iluminación (más de 3 cd/m2) como ocurre de día,  la visión es nítida, detallada y se distinguen muy bien los colores; es la visión fotópica. Para niveles inferiores a 0.25 cd/m2 desaparece la sensación de color y la visión es más sensible a los tonos azules y a la intensidad de la luz. Es la llamada visión escotópica. En situaciones intermedias, la capacidad para distinguir los colores disminuye a medida que baja la cantidad de luz pasando de una gran sensibilidad hacia el amarillo a una hacia el azul. Es la visión mesiópica.En estas condiciones, se definen unas curvas de sensibilidad del ojo a la luz visible para un determinado observador patrón que tiene un máximo de longitud de onda de 555 nm (amarillo verdoso) para la visión fotópica y otro de 480 nm (azul verdoso) para la visión escotópica. Al desplazamiento del máximo de la curva  al disminuir la cantidad de luz recibida se llama efecto Purkinje.

Curvas de sensibilidad del ojo.Toda fuente de luz que emita en valores cercanos al máximo de la visión diurna (555 nm) tendrá un rendimiento energético óptimo porque producirá la máxima sensación luminosa en el ojo con el mínimo consumo de energía. No obstante, si la

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fuente no ofrece una buena reproducción cromática puede provocar resultados contraproducentes.

CARACTERÍSTICAS DE LA RADIACIÓN LUMINOSA

Cualquier radiación de energía electromagnética, luz visible incluida, se puede concebir en forma de onda. La energía se mueve hacia adelante como una ola, y la distancia entre cada una de sus crestas es lo que se llama "longitud de onda" (wavelenght), que se referencia con la letra griega lambda (λ).

Las longitudes de onda que corresponden a la luz son bastante pequeñas en términos convencionales, en torno a los 0,0000005 metros (es decir: 10-6 metros). Para mayor comodidad, se usa la medida del nanómetro (nm.), que mide una milmillonésima parte de un metro (10-9 metros). El sistema visual humano es sensible a las longitudes de onda situadas entre los 380 y los 780 nanómetros.

Es posible describir una luz mediante su frecuencia (abreviada por convención con la letra "v"). La frecuencia es el número total de ondas que pasa por un punto dado en un segundo.

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La velocidad de una energía electromagnética (abreviada por convención con la letra "v") se relaciona con su longitud de onda (λ) y su frecuencia (f) mediante la fórmula v = f · λ.

MAGNITUDES FÍSICAS FUNDAMENTALES PARA LA MEDICIÓN DE LA LUZ

La luz, al igual que las ondas de radio, los rayos X o los gamma es una forma de energía. Si la energía se mide en joules (J) en el Sistema Internacional, para qué necesitamos nuevas unidades. La razón es más simple de lo que parece. No toda la luz emitida por una fuente llega al ojo y produce sensación luminosa, ni toda la energía que consume, por ejemplo, una bombilla se convierte en luz. Todo esto se ha de evaluar de alguna manera y para ello definiremos nuevas magnitudes: el flujo luminoso, la intensidad luminosa, la iluminancia, la luminancia, el rendimiento o eficiencia luminosa y la cantidad de luz.

ÁNGULO SÓLIDO (Ω)

El ángulo sólido o ángulo cónico, (denotado por la letra griega Ω) que un objeto abarca, visto desde un punto dado, mide cuan grande aparece ese objeto al observador. Dicho en términos simples el ángulo sólido mide qué "pedazo de cielo" ocupa un objeto.

La unidad SI del ángulo sólido es el estereorradián, cuya abreviación es sr. Un estereorradián es igual a un radián al cuadrado. El estereorradián (sr) es el cono de luz difundido desde la fuente que ilumina 1m² de la superficie oscura de una esfera de un metro de radio alrededor de la fuente. (O sea, 1 estereorradián cubre 1m² de la superficie de una esfera de 1m de diámetro.)

Para calcular el ángulo sólido bajo el cual se ve un objeto desde un punto, se proyecta el objeto sobre una esfera de radio R arbitrario centrada en el punto.

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=S/R2

a=S

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Si la superficie de la proyección del objeto sobre la esfera es S el ángulo sólido bajo el cual se ve el objeto es, por definición:

R: radio (unidades de longitud)S: superficie de proyección (unidades de área)

POTENCIA RADIANTE VISIBLE

Las radiaciones electromagnéticas transportan energía, de forma que un objeto luminoso (radiador) emite energía y cualquier objeto iluminado la recibe.  La Potencia Radiante o flujo radiante (P) es la medida de la cantidad de energía electromagnética que emite un radiador por unidad de tiempo.  Se mide en Watt.

La energía transportada puede manifestarse de formas muy diversas en los cuerpos que la reciben: propiciando reacciones químicas (fotosíntesis y bronceado), efectos eléctricos (fotocélulas), efectos mecánicos (viento solar), calentamiento (estufas de infrarrojos), e

FLUJO LUMINOSO ( )

Para hacernos una primera idea consideraremos dos bombillas, una de 25 W y otra de 60 W. Está claro que la de 60 W dará una luz más intensa. Pues bien, esta es la idea: ¿cuál luce más? o dicho de otra forma ¿cuánto luce cada bombilla?

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Cuando hablamos de 25 W o 60 W nos referimos sólo a la potencia consumida por la bombilla de la cual solo una parte se convierte en luz visible, es el llamado flujo luminoso. Podríamos medirlo en watts (W), pero parece más sencillo definir una nueva unidad, el lumen, que tome como referencia la radiación visible. Empíricamente se demuestra que a una radiación de 555 nm de 1 W de potencia emitida por un cuerpo negro le corresponden 683 lumen.

Se define el flujo luminoso como la potencia (W) emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible. Su símbolo es  y su unidad es el lumen (lm). A la relación entre watts y lúmenes se le llama equivalente luminoso de la energía y equivale a:

1 watt-luz a 555 nm = 683 lm

1vatio = 683 lumen

Flujo luminosoSímbolo: 

Unidad:  lumen (lm)

INTENSIDAD LUMINOSA (I)

El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

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Diferencia entre flujo e intensidad luminosa.

Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso () emitido por unidad de ángulo sólido () en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd).

Intensidad luminosa Símbolo: I

Unidad: candela (cd)

I

La candela (cd) se define como la intensidad luminosa en una determinada dirección, de una fuente emisora de radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 Hz, equivalente a 555 nm en el vacío, y que posee una intensidad de radiación en esa dirección de 1/683 vatios por estereorradián.

ILUMINANCIA (E)

Quizás haya jugado alguna vez a iluminar con una linterna objetos situados a diferentes distancias. Si  se pone la mano delante de la linterna podemos ver esta fuertemente iluminada por un círculo pequeño y si se ilumina una pared lejana el circulo es grande y la luz débil. Esta sencilla experiencia recoge muy bien el concepto de iluminancia.

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Concepto de iluminancia.

Se define iluminancia como el flujo luminoso recibido por una superficie. Su símbolo es E y su unidad el lux (lx) que es un  lm/m2.

Iluminancia Símbolo: E

Unidad: lux (lx)

Su unidad de medida es el Lux (Lx), equivalente a la iluminación que incide sobre cada m² de una superficie y sobre la cual se distribuye uniformemente un flujo luminoso de un lumen.

LEYES FUNDAMENTALES DE LS ILUMINANCIA

La Ley Inversa de los Cuadrados

Fuente de iluminación Iluminación (lux)Máximo de luz solar 100.000Día nublado 10.000Luz de las estrellas 0,0003Luz de plenilunio 0,2

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La iluminancia depende de la distancia del foco al objeto iluminado. Es algo similar a lo que ocurre cuando oímos alejarse a un coche; al principio se oye alto y claro, pero después va disminuyendo hasta perderse. Lo que ocurre con la iluminancia se conoce por la ley inversa de los cuadrados que relaciona la intensidad luminosa y la distancia a la fuente. Esta ley sólo es válida si la dirección del rayo de luz incidente es perpendicular a la superficie.

Ley inversa de los cuadrados:

  

La Ley del Coseno

En el caso de que el rayo de luz incidente no sea perpendicular hay que descomponer la iluminancia en una componente horizontal y  otra vertical a la superficie.

  A la componente horizontal de la iluminancia (EH) se le conoce como la ley del coseno. Es fácil ver que si    = 0 nos queda la ley inversa de los cuadrados. Si expresamos EH y EV  en función de la distancia del foco a la superficie (h) nos queda:  

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En general, si un punto está iluminado por más de una lámpara su iluminancia total es la suma de las iluminancias recibidas:

 

LUMINANCIA

Hasta ahora hemos hablado de magnitudes que informan sobre propiedades de las fuentes de luz (flujo luminoso o intensidad luminosa) o sobre la luz que llega a una superficie (iluminancia). Pero no hemos dicho nada de la luz que llega al ojo que a fin de cuentas es la que vemos. De esto trata la luminancia. Tanto en el caso que veamos un foco luminoso como en el que veamos luz reflejada procedente de un cuerpo la definición es la misma.

Se llama luminancia a la relación entre la intensidad luminosa  y la superficie aparente vista por el ojo en una dirección determinada. Su unidad es cd/m2 =1Nit

LuminanciaSímbolo: L

Unidad:  cd/m2

Es importante destacar que sólo vemos luminancias, no iluminancias.

Luminancia para algunas fuentes de luz.

Luminancia (nits) Fuente

1.6 * 109 Disco solar a medio día

600.000 Disco solar en el ocaso

120.000 Lámpara incandescencia 60 W

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11.000 Fluorescente

8.000 Cielo despejado

2.500 Disco lunar en plenilunio

2.000 Cielo cubierto.

200 Pantalla de ordenador

0,0004 Cielo en noche oscura

Nota: los valores de brillo de las pantallas estándar son del orden de 150 a 250 nits.  Tradicionalmente las pantallas planas tenían una menor luminancia que las de tubo CRT, pero actualmente (2004) alcanzan niveles e 400 nits

RENDIMIENTO LUMINOSO O EFICIENCIA LUMINOSA

Ya mencionamos al hablar del flujo luminoso que no toda la energía eléctrica consumida por una lámpara (bombilla, fluorescente, etc.) se transformaba en luz visible. Parte se pierde por calor, parte en forma de radiación no visible (infrarrojo o ultravioleta), etc.

Para hacernos una idea de la porción de energía útil definimos el rendimiento luminoso como el cociente entre el flujo luminoso producido y la potencia eléctrica consumida, que viene con las características de las lámparas (25 W, 60 W...).

Mientras mayor sea mejor será la lámpara y menos gastará.  La unidad es el lumen por watt (lm/W).

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Rendimiento luminoso  Símbolo: 

CANTIDAD DE LUZ

Esta magnitud sólo tiene importancia para conocer el flujo luminoso que es capaz de dar un flash fotográfico o para comparar diferentes lámparas según la luz que emiten durante un cierto periodo de tiempo. Su símbolo es Q y su unidad es el lumen por segundo (lm·s).

Cantidad de luz

  Q =  ·t

 Símbolo: Q

Unidad:  lm·s 

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UMBRA Y PERNUMBRA

Penumbra: Sombra débil entre la luz y la oscuridad, la cual no deja percibir donde

empieza la una o acaba la otra.  En los eclipses es una sombra parcial que hay entre

los espacios enteramente oscuros y los enteramente iluminados.  Al estar ubicados

en esta sombra en un eclipse solamente se logrará observar de manera parcial dicho

fenómeno.

 

Umbra:  En el caso de los eclipses es cuando este produce la mayor cantidad de

sombra y en donde se puede observar dicho fenómeno en su fase de totalidad.

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REFLEXION Y REFRACCION DE LA LUZ

Cuando la luz, considerándola como una onda plana, impacta sobre una superficie parte de la misma se refleja y la otra parte es absorbida, en cambio cuando pasa de un medio a otro, parte se refleja y parte se refracta.

  Los ángulos formados por el rayo incidente y el rayo reflejado con respecto a la normal de la superficie reflectante son iguales.  El ángulo de refracción será más pequeño que el ángulo de incidencia en el caso de que un rayo pase de un medio que tiene menor índice de refracción a otro de índice mayor, por ejemplo, del aire al vidrio.

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  También cuando pasan de un medio con mayor índice a otro con menor índice la velocidad de las ondas disminuye debido a que se produce un aumento en la frecuencia de la onda y el tiempo que tarda la onda en realizar un ciclo permanece constante.    Cuando el rayo atraviesa un medio y vuelve al medio original, el ángulo con el que ingresó al medio será igual que el ángulo con el que sale del mismo, con la diferencia que la normal se encuentra desplazada debido a la refracción.  

PREGUNTAS DE INTERÉS

¿Qué pasa cuando una luz ilumina una superficie

Cuando la luz alcanza una superficie, pueden pasar dos cosas:

1. Un cambio en el índice de refracción hace que la luz se vea reflejada por la superficie. La luz así reflejada se llama "reflexión especular" (specular reflection).2. La luz no se refleja, sino que penetra en la materia. Sin embargo, al atravesar la superficie, el cambio en el índice de refracción del material atravesado reduce algo la velocidad de la luz, lo que hace que se desvíe (refracción).

La luz puede atravesar por completo un material. En ese caso decimos que ha sido "transmitida".

El ángulo de refraccion r se corresponde con el ángulo de incidencia i y los índices de refracción del aire (n1) y la superficie (n2). Así, si el índice de la superficie es 1,5

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y el del aire 1, si el ángulo de incidencia fuera de 45º, el ángulo de refracción sería 28º. Además, cabe la posibilidad de que la materia absorba la luz, o la disperse. La luz dispersada o reflejada puede terminar por salir por el frente, la parte de atrás o un costado del objeto iluminado.

¿Cómo se absorbe la luz

La materia puede absorber la luz debido a una serie de fenómenos que incluyen vibraciones y rotaciones atómicas, efectos de campos ligandos (ligand-fields), orbitaciones moleculares y transferencia de cargas. Es muy usual que una sustancia concreta sea capaz de absorber ciertas cantidades de energía luminosa. En este sentido, las propiedades de absorción luminosa de los distintos materiales depende de cuál sea las longitudes de onda que componen una luz dada.La energía que las moléculas de una sustancia absorben se puede disipar en forma de energía cinética o calorífica, aunque a veces puede volverse a emitir.

¿Cómo se dispersa la luz

Cuando la luz alcanza alguna forma de materia, puede resultar dispersada (scattered). Cuando las partículas que causan la dispersión son muy pequeñas (hablamos de unos 1.000 nanómetros), la luz se dispersa de acuerdo con la ley propuesta por Rayleigh, según la cual las longitudes de onda más corta se dispersan más que las largas.En el caso de las más largas (de 4.000 nanómetros en adelante), la cantidad de dispersión se produce conforme a las ecuaciones de Fresnel: La cantidad de dispersión depende de la diferencia entre los índices de refracción de la partícula y del medio por el que se dispersa, y esta diferencia depende a su vez de la longitud de onda.Si la luz se dispersa de forma igual por todas partes, se considera que es una dispersión isotrópica, pero eso es más bien inusual. Las propiedades de absorción y dispersión de las partículas son complejas y existen varias teorías para describirlas, incluyendo la teoría Kubelka-Munk de tranferencia de radiaciones.

¿Porqué es azul el cielo

La luz procedente del sol se compone de todas las longitudes del espectro visible. El polvo y otros componentes de la atmósfera terrestre dispersan las longitudes cortas (azules) del espectro luminoso más que las otras.

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La consecuencia es que la luz que se dispersa desde esas partículas hace que el cielo parezca azul, mientrás que la luz que procede directamente al mirar el sol tiende a verse con su tono complementario, el amarillo (en el caso de las puestas de sol, rojizo).

¿Porqué tienen color las cosas

Hay muchas razones por la que las cosas parecen tener color. Para la mayoría de las sustancias físicas, la causa es que sus propiedades de absorción o dispersión son diferentes para las distintas longitudes de onda.Así, en una sustancia que parezca ser amarilla eso ocurre debido a que tiene mayor capacidad de absorción en la zona azulada del espectro luminoso y dispersa la luz mejor en las zonas verdes y rojas del mismo.Lo más usual es que un pigmento disperse la luz con mucha eficacia en una zona del espectro luminoso y tenga su principal zona de absorción en otra. Eso explica porque los materiales translúcidos o las películas coloreadas tengan tonos diferentes cuando se las observa por reflexión o por transparencia.

REFERENCIAS

La Luz. http://www.colfem.com/Webfisica/color/fuentes.htmLuz y Materia. http://gusgsm.com/book/export/html/64El proceso visual. http://edison.upc.edu/curs/llum/luz_vision/p_visual.htmlMedidas de Luz. http://www.dcmsistemes.com/medidas.html

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