multistudioformazione LUCE NECESSITA e RISORSA

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1 multistudioformazione LUCE NECESSITA e RISORSA liceo scientifico Giordano Bruno Mestre - Venezia 26 novembre 2009

2 COS E LA LUCE? La luce è una forma di energia costituita da onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio alla velocità di km/s, del tutto simili, tranne che per le frequenze, alle onde radio. Dal punto di vista fisico la luce è considerata una radiazione elettromagnetica che si propaga nello spazio variando nel tempo. Il campo elettrico e magnetico vibrano su due piani ortogonali tra loro a un frequenza che caratterizza il tipo di radiazione.

3 La radiazione luminosa ha lunghezze d onda comprese tra 400 e 700 nm (nano metri=10^-9m). L energia trasportata da un onda è inversamente proporzionale alla lunghezza d onda λ. Radiazioni aventi lunghezza d onda λ corta sono altamente energetiche. Le lunghezze d onda piccole corrispondono a luce di colore blu-azzurro, quelle più lunghe a luce di colore aranciorosso. Valori inferiori e vicini a 380 nm caratterizzano le radiazioni ultraviolette, quelli superiori a 730 nm caratterizzano la radiazione infrarossa. QUINDI IL MODELLO DI RIFERIMENTO E UN FOTONE ORIENTATO IN MOTO LA CUI FREQUENZA λ NE DETERMINA IL COLORE

4 Newton mostrò che anche una cosa in apparenza semplice come un raggio di luce, può rivelarsi meravigliosamente complessa, e provò scientificamente che la luce bianca nell oscurità ha un anima multicolore. A quell epoca si pensava che i colori fossero un misto di luce e di ombra e che i prismi in qualche modo colorassero la luce. La presenza contemporanea di raggi di tutte le lunghezze d onda visibili forma la luce bianca. Un arcobaleno è il risultato di un prisma naturale in grande scala. Le gocce d acqua sospese in aria possono comportarsi in modo simile ad un prisma, separando i colori della luce per produrre lo spettro che è appunto l arcobaleno. La luce viene piegata, o meglio rifratta, nel passaggio da un materiale ad un altro, come ad esempio fra l aria e il vetro o l aria e l acqua. I differenti colori della luce, che oggi sappiamo corrispondere a diverse frequenze dell onda luminosa, vengono rifratti in modo diverso.

5 LA LUCE SI DEFINISCE IN BASE ALLA RISPOSTA VISIVA DELL UOMO I limiti dello spettro visibile all occhio umano non sono uguali per tutte le persone, ma variano soggettivamente all interno dell intervallo tra l infrarosso e l ultravioletto.

6 Il processo visivo accade dentro il cervello e c è una frattura tra la misurazione e la reale percezione visiva. Nell illuminotecnica l oggettività non sempre è applicabile perché il cervello rielabora tutto. Nella mente si riesce a recuperare la memoria del colore.

7 COME MISURARE LA LUCE? La natura complementare della luce implica che diversi fenomeni vengano spiegati con modelli diversi: Ottica geometrica: la luce è un raggio simile ad una retta che interagisce con la materia seguendo semplici regole di geometria Onde elettromagnetiche: la luce è un onda che interagendo con la materia produce effetti come la diffrazione e l interferenza Elettrodinamica quantistica: la luce è un flusso di fotoni il cui comportamento è interpretabile solo in termini statistici

8 Per la definizione algoritmica dell illuminazione globale si considera: la luce ricevuta direttamente da una sorgente di luce (illuminazione diretta) la luce riflessa, diffusa, o rifratta da altre superfici (illuminazione indiretta) Per misurare la luce si considera: l ottica geometrica per descrivere il comportamento di un raggio di luce il concetto di quanto di fotone per quantificare l energia associata ad un raggio di luce

9 DESCRIZIONE DELLA PROPAGAZIONE DELL ENERGIA PER RADIAZIONE RADIOMETRIA FOTOMETRIA Si occupa di misurare la potenza irradiata dalle sorgenti luminose. Le grandezze radiometriche sono quelle relative alla radiazione elettromagnetica. Tratta quindi il tema da un punto di vista puramente fisico, in termini dell energia o potenza e dello spazio nel quale avviene la propagazione. Si occupa dell effetto che l energia o la potenza hanno sull osservatore umano medio. Richiede l introduzione di grandezze e unità di misura ad hoc.

10 LA RADIOMETRIA Nella radiometria ad ogni fotone viene associato: Una posizione nello spazio Una direzione Una lunghezza d onda λ o frequenza f (la lunghezza d onda è inversamente proporzionale alla frequenza) Energia radiante Q: è l energia trasportata da un qualunque campo di radiazione elettromagnetica da ogni fonte Q = hc /λ h è la costante di Planck c è la velocità della luce λè la lunghezza d onda L unità di misura è il joule (J) Flusso radiante Φ: è l energia radiante nell unità di tempo. Considerata la grandezza radiometrica fondamentale, sulla base della quale di definiscono tutte le grandezze successive. Φ =ΔQ / Δt L unità di misura è il watt (W)

11 LA FOTOMETRIA La fotometria studia la luce ponderando la radiazione in funzione della curva di sensibilità K (λ) λ Questa curva rappresenta la sensibilità dell'occhio umano al variare della lunghezza d'onda (colore). L energia luminosa è talvolta chiamata anche quantità di luce, ed è il prodotto spettrale dell energia radiante per la funzione di risposta dell occhio umano. ESPRIME QUINDI LA PARTE DI ENERGIA RADIANTE PERCEPITA COME LUCE La relazione che deve soddisfare il fattore di visibilità è: Il fattore di visibilità misura il rapporto tra la sensazione visiva, percepita per una determinata lunghezza d onda, e quella massima percepita per la luce gialla. Il massimo della sensazione luminosa (K (λ) =Kmax) si ha in corrispondenza della radiazione monocromatica di lunghezza d onda pari a 555nm nella visione diurna (fotopica) e di 505 μm nella visione notturna (scotopica).

12 Il fattore spettrale di visibilità V(λ)ha un valore che varia da 0 a 1, massimo al centro della banda visibile nullo agli estremi della banda visibile. Il fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce al centro della banda visibile (λ=0,555 μm) 1 watt di radiazione produce 1 watt di radiazione visibile cioè 1 watt di luce In altra zona del visibile (per esempio λ=0,60 μm) 1 watt di radiazione produce 0,60 watt di radiazione visibile cioè 0,60 watt di luce In altra zona ancora (per esempio λ=0,65 μm) 1 watt di radiazione produce 0,20 watt di radiazione visibile cioè 0,20 watt di luce In altri termini la stessa quantità di radiazione si trasforma in una quantità di luce più o meno grande secondo la lunghezza d onda di emissione si dice allora che la radiazione ha una efficienza luminosa che varia secondo la lunghezza d onda

13 se però con λ=0,555 μm 1 watt di radiazione produce 1 watt di radiazione visibile cioè 1 watt di luce con λ=0,60 μm 1 watt di radiazione produce 0,60 watt di radiazione visibile cioè 0,6 watt di luce con λ=0,65 μm 1 watt di radiazione produce 0,20 watt di radiazione visibile cioè 0,2 watt di luce è evidente che l unità di misura watt non essendo invariante non è adatta a misurare la luce Per il flusso luminoso si introduce allora una nuova unità di misura detta lumen tale che a λ = 0,555 μm 1 watt di radiazione produce 683 lumen (fattore di conversione) Il flusso luminoso misurato in lumen si può definire come la potenza delle relazioni luminose emesse da una sorgente, o intercettate da una superficie, moltiplicate per il fattore di visibilità e per il fattore di conversione tra watt e lumen (680)

14 λ = 0,555 μm 1 watt di radiazione produce 683 lumen Per il flusso luminoso monocromatico si introduce allora il concetto di: efficienza luminosa monocromatica ε(λ) (lm/w) flusso luminoso / flusso radiante (lm/w) rappresenta il numero di lumen generati da ogni watt di radiazione alla lunghezza d onda λ, ossia è il rapporto tra la luce prodotta e la radiazione necessaria a produrla. a λ=0,555 μm si ha ε(λ) = 683*1 = 683 (lm/w) a λ=0,60 μm si ha ε(λ) = 683*0,6 = 410 (lm/w) a λ=0,65 μm si ha ε(λ) = 683*0,2 = 137 (lm/w) Dal punto di vista energetico interessa produrre quanta più luce possibile a parità di potenza fornita la radiazione con λ=0,555 μm è più vantaggiosa delle altre due dal punto di vista energetico cioè quantitativo ma dal punto di vista qualitativo? tutte le radiazioni monocromatiche hanno un limite il limite è il colore con λ=0,555 μm si ha ε(λ) = 683*1 = 683 (lm/w) con λ=0,60 μm si ha ε(λ) = 683*0,6 = 410 (lm/w) con λ=0,65 μm si ha ε(λ) = 683*0,2 = 137 (lm/w)

15 Il rapporto fra lm/w e l efficienza di riferimento di una luce monocromatica di 555 μm (giallo-verde, lunghezza d onda alla quale l occhio umano è più sensibile standardizzata a 680 lm/w ) dà il rendimento (%) di una sorgente luminosa SORGENTE lm/w RENDIMENTO 0, ,005%-23,5% ,08%-2,6% 24 3,5% xenon ,4%-22% mercurio ,4%-8,8% luce bianca ideale 242,5 36% % led lampada ad incandescenza alogena al quarzo sorgente monocromatica 555μm

16 RELAZIONE TRA GRANDEZZE FOTOPICHE ED ENERGETICHE Coefficiente spettrale di visibilità: rapporto tra il fattore di visibilità a una data lunghezza d onda e il suo massimo V (λ) = κ (λ) /Κµαξ ς1µαξ=1 Quando si considera una radiazione complessa bisogna considerare le diverse componenti della radiazione e poi sommare (integrare) alle diverse lunghezze d onda secondo la sensibilità dell occhio umano.

17 Per aumentare l efficienza luminosa delle sorgenti si utilizzano spesso colorazioni della luce con toni verdastri

18 GRANDEZZE FOTOMETRICHE QUANTITATIVE Il flusso luminoso è la grandezza fotometrica che permette di valutare l entità della sensazione luminosa corrispondente alla radiazione emessa da una sorgente, ossia, la quantità di luce che una sorgente emette nello spazio. Si misura in lumen (lm) L illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso incidente su una superficie e l area della superficie stessa, ossia, misura la quantità di luce che colpisce una superficie. Misura l apporto luminoso di una sorgente sulla superficie osservata. Si misura in lux (lm/m2)

19 L intensità luminosa è il rapporto tra il flusso luminoso infinitesimo emesso dalla sorgente in una data direzione e l angolo solido su cui si distribuisce. Si misura in candele (cd). La luminanza, in un punto di una superficie, in una certa direzione, è il rapporto tra l intensità luminosa emessa in quella direzione e la superficie emittente proiettata su un piano perpendicolare alla direzione stessa, ossia, misura la quantità di luce che, partendo da una sorgente o da una superficie colpisce l occhio. Dipende quindi dalle caratteristiche delle superfici. Si misura in nit (cd/m2).

20 Se due superfici, una bianca e una nera, ricevono luce dalla stessa sorgente, supposta uniforme, equidistante e perpendicolare a esse, queste hanno il medesimo illuminamento, ma la sensazione luminosa(luminanza) recepita dall occhio che le osserva è completamente diversa perché diverso è il modo in cui le superfici riflettono la luce che incide su di esse

21 STRUMENTI DI MISURAZIONE luminanzometro colorimetro sfera di Ulbricht luxmetro goniofotometro

22 la mente è come un paracadute funziona solo se si apre A. Einstein grazie