Utilitzarem el sensor de llum del telèfon mòbil per a convertir-lo en un fotòmetre amb el que en primer lloc mesurarem la llum de la que disposem a les diferents dependències del centre, també estudiarem com varia el flux de llum amb la distància al focus que el genera i amb la inclinació de la superfície sobre la que incideix i acabarem per interessar-nos en les diferències de la llum emesa per diversos tipus de làmpades.
El sensor de llum
La majoria dels telèfons mòbils (telèfons intel·ligents, smartphones) disposen d’un sensor de llum en la part davantera superior (foto de sota) que disposa d’un fotodíode que normalment integra els sensors de llum ambiental i de proximitat per tal de no tenir que duplicar els fotodíodes en el telèfon (i els forats en la carcassa), i a més d’un diode emissor de llum infraroja IR. Tot plegat amb unes dimensions en el meu mòbil de 3.94 x 2.36 x 1.35 mm.
El telèfon usa el sensor de proximitat per saber si es te la cara pegada al mòbil quan es parla per telèfon. Quan es realitza una trucada, el led IR comença a emetre llum que es reflecteix en la cara i arriba al fotodíode receptor que en, detectar llum IR, envia un senyal per apagar la pantalla de l’aparell i consumir menys bateria i que l’orella no interaccioni amb la pantalla. Aquest detector és efectiu només fins a uns 5 cm de separació de la cara ja que està dissenyat per a reaccionar a un nivell d’intensitat de llum IR elevat que li arribi al telèfon amb un angle proper a la perpendicularitat.
Abans els mòbils incorporaven un sensor de proximitat que emetia una llum vermella en el rang de l’espectre visible (entre els 660 i els 700 nm, sent l’espectre visible de la llum per a l’ull humà d’entre 400 i 700 nm). El sensor de proximitat dels telèfons actuals funcionen amb llum infraroja (entre 700 nm i 1 mm) que és invisible per a l’ésser humà, encara que es pot apreciar com una llumeneta violada a través de la càmera fotogràfica del mòbil ja que aquest és capaç de veure a més del visible una mica del ultraviolat (UV) i del l’infraroig (IR) propers, ja que no disposa de filtre IR.
Si es mira el frontal d’un telèfon mòbil a través de la càmera de fotos d’un altre no s’aprecia cap llum fora de la pantalla, però si es realitza una trucada telefònica, immediatament es veu a través del segon mòbil que s’encén la llum del sensor de proximitat. De la mateixa manera és possible veure la llum IR que emeten els comandaments de televisió i altres aparells electrònics quan es prem qualsevol tecla.
El sensor de llum es fica als telèfons per a que s’ajusti automàticament la lluminositat de la pantalla en funció de la intensitat de la llum ambiental. El fotodíode mesura la quantitat de llum que li arriba en la zona del visible i l’infraroig proper, bàsicament. Per tant no mesura tot el flux de llum que incideix sobre ell, encara que sí el corresponent a les freqüències que li interessen per les funcions per a les que està dissenyat, el que vol dir que no capta tota l’energia que li arriba.
Aplicació a utilitzar
És vàlida qualsevol aplicació que mesuri la il·luminació que arribi al sensor de llum del telèfon (les tauletes normalment no disposen d’aquest sensor). Recomano una vegada més l’app Physics Tool Box Suite que inclou un luxímetre, que mesura la il·luminació en lux (lx).
Dic il·luminació i no lluminositat ja que són dues magnituds diferents. La il·luminació és la quantitat de flux lluminós que incideix sobre una superfície per unitat d’àrea. Es mesura en lux (1 lux = 1 Lumen/m2). La lluminositat o brillantor és la quantitat de flux lluminós que emet una font de llum per unitat d’angle sòlid. Es mesura en candeles (cd).
La il·luminació te a veure amb la irradiància, encara que no són el mateix. La irradiància és la potència incident de tot tipus de radiació electromagnètica per unitat de superfície (Es mesura en W/m2), mentre que la il·luminació mesura la potència lluminosa percebuda i depèn de la freqüència de la radiació, de manera que és màxima a 550 nm, on 1 lux equival a 1,46 mW/m2.
La Il·luminació en la nostra vida
L’activitat consisteix en mesurar els nivells d’il·luminació en diferents ambientes d’estància i/o treball a casa i al centre docent i comparar-los amb els recomanats i els de la normativa.
Realització
Per portar a terme les mesures escollirem els llocs que ens resultin d’interès i col·locarem el telèfon a l’alçada de la zona on es desenvolupin les activitats normalment. Per exemple, en les zones d’estudi es mesurarà a 70 cm del terra si és un aula i a 90 cm si és el laboratori, i en els passadissos la il·luminació es mesurarà arran de terra ja que s’ha d’assegurar la visualització de possibles obstacles o discontinuïtats del mateix terra.
El sensor de llum no recull la llum que arriba al telèfon en qualsevol direcció sinó la que incideix quasi perpendicular, de manera que si es mesura en una habitació la llum natural que entra per una finestra posant el mòbil horitzontal sobre una taula s’obté un valor molt per sota del real ja que mesurarà la llum que li incideix del sostre i no la que ve de la finestra. Per obtenir la il·luminació a la que està sotmesa la taula s’ha d’inclinar el telèfon encarant-lo directament a la font de llum.
Així que ens dirigim a les diferents estàncies de l’escola i mesurem la il·luminació que hi ha tant amb llum natural com amb llum artificial, abaixant si cal les persianes, per tal d’emplenar una taula com la de sota, que en permetrà comparar les dades que obtinguem amb les recomanades.
Per tal de mesurar la il·luminació amb el mòbil no hi ha més que obrir l’aplicació Physics Tool Box Suite i seleccionar Sensor de llum, que ens mostra la mesura directament, encara que ballant el seu valor. Escollireu el valor que us sembli més centrat o bé gravareu les dades obtingudes en un interval curt de temps i després obteniu la mitjana. Crec, però, que no us heu de preocupar massa pels errors en les mesures ja que els valors que s’obtenen amb els sensors dels telèfons en general es desvien dels que obtindríeu amb un fotòmetre professional calibrat.
Sembla ser que els iphones senyalen valors per sota i la resta de mòbils per sobre dels que donaria un fotòmetre. Si no es disposa d’un fotòmetre professional per tal de calibrar en nostre telèfon, sempre es poden fer les mesures amb els dos tipus de mòbils i fer la mitjana dels resultats.
Per acabar, amb les dades obtingudes es pot elaborar un informe amb propostes d’actuació sobre la il·luminació del centre.
Observacions
La il·luminació en el lloc de treball es regeix per la normativa sobre nivells mínims d’il·luminació en els llocs de treball, que és bastant genèrica. Podeu també consultar la guia Iluminación en el puesto de trabajo (2015). La normativa espanyola transcriu una normativa europea de 2002, per la qual cosa el decret del 1997 es va actualitzar al 2004.
En resum la normativa només diu que segons la exigència de la zona on s’executin les tasques la il·luminació mínima ha de ser de.
1r. Exigències visuals baixes ………………… 100 lux
2n. Exigències visuals moderades …………. 200 lux
3r. Exigències visuals altes ……………………. 500 lux
4t. Exigències visuals molt altes ……………. 1000 lux
Les dades que he ficat com a recomanables en la taula de l’experiència les he obtingut de diverses fonts, com per exemple de la Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación. Centros Docentes elaborada pel Comité Español de Iluminación (CEI) i publicada per l’Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), que és de lectura recomanable, encara que com que és del 2001 no contempla la il·luminació amb leds.
Quant als nivells d’il·luminació a l’aire lliure són de l’ordre de:
Intentar mesurar els valors de la taula de dalt amb el sensor del mòbil implica que sense llum artificial l’aplicació que usem ens donarà per la nit sempre el valor zero. En el cas de la llum al carrer durant les hores solars, el que no és possible és mesurar la il·luminació directa del Sol ja que a partir d’un valor determinat (en el cas del meu telèfon 10.000 lx) el sensor se satura i es manté en aquesta dada, molt allunyada de la il·luminació que proporciona la llum del Sol directa, fins a 10 vegades més gran.
Intensitat de la llum i la distància
Es tracta de mostrar amb l’ajut del sensor de llum del telèfon mòbil si es compleix la llei de l’invers del quadrat de la distancia (un aspecte de la llei de Lambert) en el cas de diferents focus de llum.
Realització
S’ha de mesurar la il·luminació que produeix un focus de llum a diferents distàncies. Per això s’encén la llum i es fica el telèfon de manera que la llum incideixi perpendicularment en el sensor, desprès es fica en marxa l’app Physics Tool Box en l’apartat Sensor de llum i es prenen valors a diferents distàncies amb l’ajut d’un regle o una cinta mètrica.
En funció de la intensitat de la font de llum i del màxim que sigui capaç de mesurar el vostre telèfon haureu de començar a prendre mesures a una distància de la font més o menys gran. En tot cas, com la llei de Lambert fa referència a una font de llum puntual, la distància mínima hauria de ser com a mínim tres vegades el seu diàmetre. Per exemple, si és una bombeta incandescent: 6,5 x 3 = 19,5 cm.
Observacions
Quan un focus de llum puntual emet llum en un medi homogeni (a l’aire, per exemple) en totes les direccions l’energia emesa s’escampa a la mateixa velocitat per tot arreu de manera que el front de l’ona lluminosa és esfèric. A una distància r del focus l’energia es repartirà en una esfera de radi r i superfície 4πr2, i a una distància 2r la superfície serà 16πr2, de manera que la intensitat de la llum anirà disminuint amb el quadrat de la distància a la font.
Si el focus de llum no és puntual i/o la llum no s’escampa per igual en totes les direccions haurem de trobar desviacions a aquest comportament teòric. Sense intenció d’afinar massa he fet algunes mesures que es mostren en la taula de sota amb tres fonts de llum: una llanterna amb un únic led encaixat en un mirall còncau, el led del flaix d’un telèfon mòbil i una bombeta incandescent tradicional de 60 W a l’aire.
En el cas de la llanterna, encara que es podria considerar puntual la font de llum no podem dir que la seva energia s’escamparà lliurement en totes direccions sinó que la seva llum està expressament focalitzada (com en totes les llanternes) per il·luminar millor en una determinada direcció. Així quan s’analitzen les dades s’obté una relació que s’ajusta bastant bé a l’invers de la distància i molt malament a l’invers de la distància al quadrat.
Quan les que analitzem són les dades del led del mòbil i de la bombeta incandescent si que veiem que ajusten bastant millor a la llei que es pretén mostrar, però no del tot ja que en tots dos casos la relació potencial que s’obté és de l’ordre de r-1,73 i no de r-2. Pot ser s’ha de repetir l’experiment i fer-lo més acuradament o pot ser s’ha d’utilitzar un altre mòbil, però el cas és que els professors brasilers Vieira, L.P., Lara, V.O.M. i Amaral, D.F. en 2014 mostraven en l’article Demonstração da lei do inverso do quadrado com o auxílo de um tablet/smartphone de la Revista Brasileira de Ensino de Física que la llum del led del seu mòbil s’ajustava perfectament a la llei de l’invers del quadrat de la distància.
La il·luminació del Sol
Es tracta d’utilitzar el mòbil per a mesurar la radiació solar que incideix sobre la Terra (paral·lela). La idea de la terra paral·lela la vaig conèixer de la mà de la mestra (en tots els sentits) Carme Alemany, i no és sinó un simulador de la nostra Terra.
Realització
L’ideal fora disposar d’una Terra Paral·lela en condicions, com la que te en préstec el Centre de Recursos del Segrià, però també fa servei un globus terraqui qualsevol, per exemple un d’inflable, o també una bola de porexpan o una pilota grossa a les que s’afegeix amb pintura o cinta adhesiva l’equador, els pols i alguns paral·lels i meridians. També es necessita un dia assolellat i sortir al pati.
Una altra alternativa es marxar d’excursió a Santander o a Màlaga ja que en totes dues ciutats disposen una terra paral·lela plantada a l’aire lliure, una en els Jardins de Piquío i l’altra en el pati del museu Principia.
Es col·loca la terra paral·lela en la boca d’una galleda més petita que l’esfera o un cilindre de cartolina per a que es quedi fixa i amb el punt de la terra en el que nosaltres estem situats mirant cap a dalt. Si estem a Lleida, la Lleida del globus ha d’estar en la posició més elevada. En el pati, al sol, la terra paral·lela s’ha d’orientar en la direcció nord-sud sobre una línia que haurem pintat amb guix amb l’ajut d’una brúixola. D’aquesta manera la nostra terra paral·lela pateix la mateixa insolació que la real.
Encara que la direcció nord-sud geogràfica no coincideix amb la magnètica, és suficient l’orientació amb la brúixola pels propòsits d’aquesta experiència. Com a brúixola es pot utilitzar la que proporciona la mateixa aplicació Physics Tool Box. Per refrescar idees al respecte podeu tornar a llegir l’entrada El sensor magnètic i el camp magnètic de la Terra.
Ara, amb l’aplicació del luxímetre oberta, es fica el mòbil tangent al punt de la terra paral·lela en el que vulguem mesurar la insolació i obtenim el mateix valor que obtindríem que si estiguéssim mesurant la dada en el lloc real de la Terra.
Depenent de la sensibilitat del sensor del mòbil serà o no possible arribar a mesurar el valor de la il·luminació que proporciona el sol directe al migdia. Si és el cas, com en el meu aparell, que el màxim valor que dona són 10.000 lx, s’haurà de superposar un filtre de llum sobre el sensor per tal d’atenuar la intensitat de llum que incideix. En aquest cas, desprès s’hauran de transformar les dades en el factor que correspongui.
Observacions
Com he cometat al principi d’aquesta entrada, no hi ha una relació directa entre la il·luminació mesurada i la energia que arriba del Sol, però és evident que existeix una certa proporcionalitat, de manera que en aquesta experiència podem fer comparatives de la radiació solar en diferents punts de la Terra i a diferent hora del dia sense sortir del pati de l’escola.
Tradicionalment havia fet aquest estudi amb petites plaques solars connectades a un polímetre. Com que la potència solar per metre quadrat al migdia i al solstici d’estiu a Lleida és aproximadament 1000 W/m2 (la constant solar és d’aproximadament 1350 W/m2, segons la NASA), tapaven una mica la plaqueta fins que marques un (sub)múltiple de 1000 el 21 de juny i així el tester ens donava valors directes.
La terra paral·lela és un instrument didàctic de primeta magnitud quan es pretén ensenya una mica d’astronomia a l’alumnat de qualsevol edat. Així que us recomano la publicació terra parallela de 2012, de Carme Alemany i Rosa M. Ros i us animo a plantar una.
Transmissió de la llum emesa per diferents tipus de làmpades a través de filtres
Els diferents tipus de llum blanca tenen una composició diferent, un diferent espectre, de manera que emeten amb més intensitat en uns colors que en uns altres. Amb filtres de colors i el telèfon mòbil es pot estudiar la major o menor participació dels diferents colors en la composició de la llum.
Realització
S’han d’aconseguir filtres de diferents colors, per exemple de color vermell, groc, verd i blau, retallant separadors de plàstic de les carpetes escolars i mesurar la il·luminació amb i sense filtre que proporcionen diferents tipus de làmpades.
La mesura de la il·luminació la realitzarem amb el sensor de llum del telèfon sobre el que posarem, o no, el filtre corresponent. S’ha de parar compte que la distància entre la font de llum i el mòbil sigui sempre la mateixa per tal que els resultats siguin comparables per a cada color.
En la taula de sota es reflecteixen dades que he obtingut amb tres tipus de làmpades: una llanterna de led blanc, un fluorescent de sostre i una bombeta incandescent tradicional. Com es veu, el percentatge d’iluminació que es perd en cada llum és diferent per a un color determinat, el que ens indica la major o menor participació d’aquest color en la llum blanca que emet cada làmpada. Per exemple les freqüències corresponents al color vermell són predominats en la llum de la bombeta incandescent, mentre que en la llum led són molt més minoritàries.
Observacions
Es pot combinar l’estudi de la transmissió de la llum per filtres amb la fotografia dels espectres de les llums corresponents. Els espectres de sota els he obtingut amb la càmera fotogràfica del telèfon mòbil a la que he acoblat un espectroscopi de cartró amb una xarxa de difracció obtinguda d’un DVD. La plantilla de l’espectroscopi que he usat la podeu descarregar de la web de Spectral Workbench, sobre la que tornaré en una altra ocasió.
Experimentació lliure 