Fuente de luz

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Fuente de luz : cualquier objeto que emita energía electromagnética en la región visible del espectro [1] . Por su naturaleza, se dividen en artificiales y naturales .

Según el principio de Huygens-Fresnel, según el mecanismo de propagación de ondas, las fuentes de luz se dividen en primarias (artificiales y naturales) y secundarias (reflejadas).

En física, se idealizan mediante modelos de fuentes de luz puntuales y continuas .

El surgimiento de la luz

Es bien sabido que cuando se calientan a ciertas temperaturas, las sustancias comienzan a emitir luz: ya sea un cabello de tungsteno en una bombilla eléctrica o nuestro cuerpo celeste , cuya temperatura superficial es de unos seis mil grados centígrados [2] .

Los científicos han descubierto que la energía de los átomos es discreta y cambia en ciertos saltos característicos de cada átomo. Estos posibles valores establecidos de las energías de los átomos se denominan niveles de energía o cuánticos . Los electrones, estando en uno de los niveles de energía más altos, pasan espontáneamente a los más bajos después de un intervalo de tiempo de aproximadamente 10 −8 segundos. En este caso, una transición espontánea de un estado inferior a cualquier otro es imposible. Este nivel se denomina básico , mientras que el resto se denominan excitados . En condiciones normales, todos los átomos se encuentran en sus estados básicos de energía. Para excitar un átomo, se le debe dar algo de energía, y para cada átomo hay una cierta porción más pequeña de energía que se transfiere del estado fundamental a uno excitado (para el hidrógeno, este valor es 10,1 eV; este es el distancia entre su primer y segundo nivel de energía).

Durante la transición de los estados superiores a los inferiores, se emite una parte de la energía: un fotón . Según la fórmula de Planck , la energía emitida se calcula de la siguiente manera:

E=h \nu_{nm}

donde h es la constante de Planck y ν nm es la frecuencia del fotón durante la transición del nivel n al nivel m (n>m), que se puede calcular en términos de las energías de estos niveles: $\nu_{nm}=\frac{E_n-E_m}{h}$

A medida que aumenta la temperatura corporal, la radiación se complementa con frecuencias cada vez más altas. Así, la radiación de un cuerpo calentado a varios miles de grados representará un espectro continuo : desde el infrarrojo hasta el ultravioleta .

Intensidad de la luz

Cualquier fuente de luz se caracteriza por su intensidad : el valor promedio en el tiempo del vector de Poynting :

I=\langle |{\vec {S}}|\rangle =\langle |[{\vec {E}}\times {\vec {H}}]|\rangle

Así, la intensidad es proporcional al cuadrado de la amplitud de las oscilaciones del campo electromagnético :

$Yo \sim E_0^2 \sim B_0^2$

A través del valor de la intensidad del campo eléctrico, se puede expresar de la siguiente manera:

I=\frac{\varepsilon_0 c \sqrt{\varepsilon \mu} E_0^2}{2}

donde es la constante dieléctrica , es la constante electrodinámica ( velocidad de la luz en el vacío), es el índice de refracción del medio, es la permeabilidad magnética de la sustancia, es la constante dieléctrica de la sustancia. $\varepsilon_{0}$ $c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$ $\sqrt{\varepsilon\mu}$ $\mu$ $\varepsilon$

Usando el concepto del valor promediado en el tiempo del vector de Poynting , generalmente se entiende que el promedio se lleva a cabo durante un período de tiempo infinito o durante un intervalo que excede significativamente el tiempo característico de cambio en la intensidad del campo eléctrico . Sin embargo, cuando se registra la intensidad, el tiempo promedio está determinado por el tiempo de integración del fotodetector y, para los dispositivos que funcionan en el modo de acumulación de señal (cámaras, películas, etc.), por el tiempo de exposición. Por lo tanto, los receptores de radiación en el rango óptico responden al valor promedio del flujo de energía solo en un cierto intervalo. Es decir, la señal del fotodetector es proporcional a:

${\frac {\mathrm {c} }{4\pi }}\langle E^{2}\rangle_{\tau}$

Dado que en la mayoría de los casos de óptica física, por ejemplo, en problemas relacionados con la interferencia y la difracción de la luz, se investiga principalmente la posición espacial de los máximos y mínimos y su intensidad relativa, a menudo no se investigan los factores constantes que no dependen de las coordenadas espaciales. tenido en cuenta. Por esta razón, a menudo se supone:

${\displaystyle \mathbf {} yo=\langle E^{2}\rangle _{\tau})$

Simulación de fuentes de luz en espacios virtuales

En las aplicaciones de gráficos por computadora en tiempo real, como los juegos de computadora , hay tres tipos principales de fuentes de luz [3] :

Fuentes de luz puntuales
Fuentes de luz infinitamente distantes (direccionales)
Reflectores

Solo describen aproximadamente a sus contrapartes en el mundo físico, sin embargo, en combinación con modelos de sombreado de alta calidad , como el sombreado Phong , le permiten crear imágenes bastante realistas.

Notas

↑ Fotokinotecnia, 1981 , p. 109.
↑ G. S. Landsberg. Libro de texto elemental de física. Tomo 3. Oscilaciones y ondas. Óptica. Física atómica y nuclear. - 12ª ed. - M. : Fizmatlit, 2001. - 656 p. — ISBN 5-9221-0138-2 .
↑ D. Rogers. Fundamentos algorítmicos de gráficos por computadora = Elementos de procedimiento para gráficos por computadora. - por. del inglés.- M .: Mir, 1989.- ISBN 5-03-000476-9 , 0-07-053534-5 (inglés) .

Literatura