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Fotómetro
Breve descripción
Un fotómetro es un instrumento científico empleado para medir la intensidad luminosa, iluminancia o transmisión óptica mediante la comparación visual o instrumental entre una fuente de luz problema y un patrón luminoso de referencia. Desarrollado en sus formas clásicas por el Conde Rumford (fotómetro de sombras) y Robert Bunsen (fotómetro de mancha de grasa), permitió aplicar rigurosamente la ley del inverso del cuadrado de la distancia para evaluar la eficacia del alumbrado, el rendimiento de combustibles y la magnitud de cuerpos celestes.
Uso / Función
- Medición de Intensidad Luminosa: Determinación del poder luminoso (bujías o candelas) de lámparas de aceite, mecheros de gas y lámparas eléctricas.
- Rendimiento de Combustibles: Comparación de la emisión de luz producida por unidad de masa de sebo, parafina, gas o aceite vegetal.
- Densidad y Absorción Óptica: Medición de la opacidad y absorción lumínica en placas fotográficas, vidrios tintados y soluciones químicas.
- Fotometría Astronómica: Estimación visual de las magnitudes aparentes y curvas de brillo de estrellas variables.
Principio de funcionamiento
- Ley del Inverso del Cuadrado: La iluminancia ($E$) que recibe una superficie perpendicular varía de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la fuente puntual ($E = \frac{I}{r^2}$).
- Comparación Visual Bilateral: Una pantalla de contraste se interpone entre la fuente de referencia conocida y la fuente luminosa que se desea medir a lo largo de un banco óptico graduado.
- Mancha de Contraste de Bunsen: Un círculo central de papel blanco impregnado de cera de abejas resulta traslúcido; iluminado de frente parece oscuro, mientras que iluminado por detrás aparece más claro que el papel opaco circundante.
- Condición de Equilibrio: Cuando ambas caras de la pantalla reciben exactamente la misma iluminancia ($E_1 = E_2$), la mancha traslúcida se funde con el fondo y se vuelve prácticamente invisible.
- Cálculo de la Intensidad: Registrando las distancias respectivas ($r_1$ y $r_2$) desde la pantalla a cada foco en el instante de desaparición, se calcula la intensidad desconocida ($I_1$) mediante la relación: $I_1 = I_2 \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2$.
Cómo crearlo
- Construir Banco Óptico: Cepillar una guía recta de madera de al menos dos metros de longitud, nivelada y graduada con marcas milimétricas y centimétricas continuas.
- Preparar Pantalla de Bunsen: Tomar una lámina de papel blanco grueso y aplicar en el centro una gota de cera de abeja fundida para crear un círculo traslúcido homogéneo de uno a dos centímetros de diámetro.
- Fabricar Caja Corredera: Montar la pantalla de papel tensada dentro de una caja de madera dotada de patines para deslizarse con suavidad a lo largo de la regla graduada.
- Disponer Espejos de Lectura: Fijar dos espejos planos de vidrio en el interior de la caja formando un ángulo de 45 grados a cada lado de la pantalla, permitiendo observar ambas caras simultáneamente desde una mirilla frontal.
- Colocar Fuente Patrón: Fijar una vela patrón (de esperma de ballena o parafina regulada) o lámpara calibrada en un extremo del banco.
- Efectuar la Medición: Colocar la lámpara a ensayar en el extremo opuesto, oscurecer por completo el recinto y desplazar la caja hasta que el contraste de la mancha de cera desaparezca en ambos espejos.
Materiales necesarios
- Esenciales: Papel blanco de textura fina, Cera de abeja pura o parafina, listones de Madera seca para el banco óptico y la caja visor, fragmentos de Vidrio plateado para los espejos auxiliares.
- Herramientas: Cepillo de carpintero, regla graduada, cuentagotas metálico para cera, nivel de burbuja.
- Sustitutos: Se puede emplear grasa animal o aceite vegetal para formar la mancha traslúcida; una varilla blanca vertical sobre pantalla lisa sirve para el método de sombras de Rumford.
Variantes y mejoras
- Fotómetro de Sombras de Rumford: Compara el tono de las sombras arrojadas sobre una pared blanca por una varilla opaca iluminada por dos fuentes distintas.
- Fotómetro de Bunsen: El sistema estándar de mancha de cera con espejos bilaterales en cabina oscura.
- Fotómetro de Lummer-Brodhun: Utiliza un cubo de prismas ópticos en contacto parcial para presentar dos campos de visión concéntricos adyacentes de máxima nitidez.
- Fotómetro Fotoeléctrico: Incorpora células de selenio o tubos fotomultiplicadores para medir la corriente eléctrica producida sin depender de la apreciación subjetiva del ojo humano.
Límites y riesgos
- Disparidad Cromática: Si las dos fuentes tienen temperaturas de color marcadamente distintas (luz azulada frente a llama amarillenta), el ojo humano no puede determinar el punto exacto de equilibrio.
- Reflexiones Parásitas: Rebotes de luz en paredes, techos o ropa del operador alteran la iluminancia incidente, requiriendo pintar el entorno de negro mate.
- Variabilidad de la Llama: Las corrientes de aire y el desgaste de la mecha modifican el flujo lumínico de las velas de referencia durante la prueba.