Energía lumínica

¿Qué es la energía lumínica?

La energía lumínica, o luminosa, es la que transporta la luz, una onda electromagnética. Es la energía que vuelve visible el mundo que nos rodea, y su mayor fuente es el Sol, formando parte del espectro electromagnético, junto a otras formas de radiación no visible.

Las ondas electromagnéticas interactúan con la materia y son capaces de producir diversos efectos de acuerdo a la energía que porten. Así, la luz no solamente permite ver los objetos, sino que también genera cambios en la materia.

Características de la energía lumínica

– Naturaleza dual. A nivel macroscópico la luz se comporta como una onda, pero a nivel microscópico exhibe propiedades de partícula.

– Transporte. Se transporta mediante paquetes o “cuantos” de luz llamados fotones. Los fotones carecen de masa y de carga eléctrica, pero pueden interactuar con otras partículas como átomos, moléculas o electrones y transferirles momentum.

– No requiere de un medio material para propagarse. Puede hacerlo en el vacío a la velocidad de la luz: c = 3×10 ⁸ m/s.

– Depende de la frecuencia de la onda. Si denotamos como E a la energía y f a la frecuencia, la energía luminosa viene dada por E = h.f donde h es la constante de Planck, cuyo valor es 6.625 10^–34 J•s. A mayor frecuencia, más energía.

– Medición. Al igual que otros tipos de energía, se mide en joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades SI.

– Visibilidad. Las longitudes de onda de la luz visible se encuentran entre 400 y 700 nanómetros. 1 nanómetro, abreviado como nm, equivale a 1 x 10^-9 m.

– Frecuencia y longitud de onda. La frecuencia y la longitud de onda λ están relacionadas mediante c = λ.f, por lo tanto, E =h.c/λ.

Tipos de energía lumínica

• Energía luminosa natural. La fuente de energía luminosa natural por excelencia es el Sol. Al ser una estrella, el Sol posee en su centro un reactor nuclear que transforma hidrógeno en helio mediante reacciones que producen inmensas cantidades de energía. Esta energía sale del Sol en forma de luz, calor y otros tipos de radiación, emitiendo continuamente unos 62.600 kilowatts por cada metro cuadrado de superficie -1 kilowatt equivale a 1000 watts, que a su vez es igual a 1000 joules/segundo-.

• Las plantas emplean una parte de esta gran cantidad de energía para llevar a cabo la fotosíntesis, el importante proceso que constituye la base de la vida en la Tierra. Otra fuente de luz natural, pero con mucha menos energía, es la bioluminiscencia, un fenómeno en el cual los organismos vivos producen luz. Los relámpagos y el fuego son otras fuentes de energía lumínica en la naturaleza, los primeros no son controlables y el segundo ha acompañado a la humanidad desde tiempos prehistóricos.

• Energía luminosa artificial. En cuanto a las fuentes artificiales de energía luminosa, estas requieren convertir otros tipos de energía, como la eléctrica, la química o la calorífica, en luz. En esta categoría entran los bombillos incandescentes, cuyo filamento extremadamente caliente despide luz. O también la luz que se obtiene mediante procesos de combustión, como la llama de una vela. Una fuente de energía luminosa muy interesante es el láser. Tiene muchas aplicaciones en diversos campos que incluyen medicina, comunicaciones, seguridad, computación y tecnología aeroespacial, entre otras.

Usos de la energía lumínica

La energía luminosa nos ayuda a comunicarnos con el mundo que nos rodea, actuando como portadora y transmisora de datos e informando de las condiciones del medio. Ya los antiguos griegos empleaban espejos para enviar señales de manera rudimentaria a largas distancias.

Cuando se mira la televisión, por ejemplo, los datos que esta emite, en forma de imágenes, llegan hasta nuestro cerebro por el sentido de la vista, el cual requiere que la energía luminosa deje una impronta en el nervio óptico.

Por cierto, para la comunicación telefónica la energía luminosa es importante también, a través de las llamadas fibras ópticas que conducen la energía luminosa minimizando las pérdidas.

Todo lo que sabemos acerca de los objetos distantes es información recibida a través de la luz que emiten, analizada con diversos instrumentos: telescopios, espectrógrafos e interferómetros.

Los primeros ayudan a recoger la forma de los objetos, su brillo –si llegan muchos fotones a nuestros ojos se trata de un objeto brillante– y su color, que depende de la longitud de onda.

También da una idea de su movimiento, porque la energía de los fotones que detecta un observador es diferente cuando la fuente que la emite está en movimiento. A esto se le denomina efecto Doppler.

Los espectrógrafos recogen la forma en que esta luz se distribuye: el espectro, y lo analizan para tener una idea de la composición del objeto. Y con un interferómetro se puede distinguir la luz proveniente de dos fuentes, aunque el telescopio no tenga la resolución suficiente como para discernir entre las dos.

• El efecto fotovoltaico. La energía luminosa emitida por el Sol puede convertirse en electricidad gracias al efecto fotovoltaico, descubierto en 1839 por el científico francés Alexandre Becquerel (1820-1891), padre de Henri Becquerel, quien descubrió la radiactividad. Este se basa en que la luz es capaz de producir una corriente eléctrica, al iluminar compuestos semiconductores de silicio que contienen impurezas de otros elementos. Sucede que cuando la luz ilumina al material, le transfiere energía que aumenta la movilidad de los electrones de valencia, y de esta forma aumenta su conducción eléctrica.

Obtención de la energía lumínica

Desde sus comienzos, la humanidad ha buscado controlar todas las formas de energía, incluyendo la luminosa. Pese a que el Sol provee una fuente casi inagotable en las horas diurnas, siempre fue necesario producir luz de alguna forma para protegerse de los depredadores y continuar realizando las tareas empezadas durante el día.

Es posible obtener energía luminosa a través de algunos procesos controlables de alguna forma:

• Combustión. Al quemar una sustancia, esta se oxida, desprendiendo calor y frecuentemente luz durante el proceso.
• Incandescencia. Al calentar un filamento de tungsteno, por ejemplo, como los de las bombillas eléctricas.
• Luminiscencia. En este efecto se produce luz al excitar de alguna manera ciertas sustancias. Algunos insectos y algas producen luz, lo que se denomina bioluminiscencia.
• Electroluminiscencia. Hay materiales que emiten luz cuando son estimulados por una corriente eléctrica.

Con cualquiera de estos métodos se obtiene luz de manera directa, la cual siempre posee energía luminosa. Ahora bien, producir energía luminosa en grandes cantidades, ya es otra cosa.

Ventajas y desventajas de la energía lumínica

Ventajas

• Información. La energía luminosa tiene un rol especialmente relevante en la transmisión de información.
• Economía. Usar la energía luminosa proveniente del Sol es gratis, además se trata de una fuente casi inagotable, como hemos dicho.
• No contamina. La energía lumínica, por sí misma, no es contaminante, pero algunos procesos para obtenerla sí pueden serlo.
• Más independencia. En lugares donde la luz del Sol abunde durante todo el año, es posible generar electricidad con el efecto fotovoltaico y disminuir así la dependencia de los combustibles fósiles.
• Fácil de mantener. Las instalaciones que utilizan la energía luminosa del Sol son de fácil mantenimiento.
• Saludable. La exposición breve a la luz solar es necesaria para que el organismo humano sintetice vitamina D, esencial para los huesos saludables.
• Indispensable. Sin la energía luminosa las plantas no pueden llevar a cabo la fotosíntesis, que es la base de la vida en la Tierra.

Desventajas

• No es almacenable, a diferencia de otros tipos de energía. Pero las celdas fotovoltaicas se pueden respaldar con baterías para extender su uso.
• Costosa inicialmente. En principio, las instalaciones que usan la energía luminosa son caras y además requieren espacio, no obstante, los costos han descendido con el tiempo y han mejorado. Actualmente se ensayan nuevos materiales y células fotovoltaicas flexibles para optimizar el uso del espacio.
• Peligrosa. La exposición prolongada o directa a la luz del Sol causa daños en la piel y en la vista, pero más que todo a causa de la radiación ultravioleta, que no podemos ver.

Ejemplos de energía lumínica

A lo largo de las secciones anteriores hemos mencionado muchos ejemplos de energía luminosa: la luz del Sol, velas, el láser. En particular, hay algunos ejemplos de energía luminosa bien interesantes, debidos a algunos de los efectos mencionados anteriormente:

• Luz LED. El nombre LED deriva del inglés Light Emitting Diode y se produce haciendo pasar una corriente eléctrica de baja intensidad a través de un material semiconductor, que en respuesta emite luz intensa y de alto rendimiento. Las lámparas LED duran mucho más que las bombillas incandescentes tradicionales y son mucho más eficientes que estas, en las cuales casi toda la energía se transforma en calor, en vez de luz. Por ello, las luces LED son menos contaminantes, aunque su costo es mayor que el de las luces incandescentes.

• Bioluminiscencia. Muchos seres vivos son capaces de convertir energía química en energía luminosa, a través de una reacción bioquímica en su interior. Insectos, peces y bacterias, entre otros, son capaces de producir luz propia. Y lo hacen por distintas razones: protección, atraer a una pareja, como recurso para atrapar presas, para comunicarse y obviamente, para iluminar el camino.

Referencias

1. Blair, B. The Basics of Light. Recuperado de blair.pha.jhu.edu.
2. Efecto fotovoltaico. Recuperado de solar-energia.net.
3. Tillery, B. Integrate Science. 6th. Edition. McGraw Hill.
4. What is Light Energy. Recuperado de universetoday.com.
5. Energía lumínica. Recuperado de es.wikipedia.org.