ILLUMINOTECNICA. parti 1-2

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1 ILLUMINOTECNICA parti L Illuminotecnica è la parte di Fisica Tecnica che studia come illuminare in modo naturale e/o artificiale spazi ed ambienti, sia interni che esterni, al fine di assicurare le migliori condizioni di benessere ambientale e di comfort visivo. La scelta di soluzioni illuminotecniche rispondenti a specifiche esigenze dipende non solo dalle grandezze fisiche proprie della luce ma anche dalle capacità di risposta del sistema visivo umano. 2

2 Come illuminare in modo ottimale è quindi un problema di natura interdisciplinare che richiede conoscenze in numerosi campi tecnico-scientifici quali: - la fisica della luce - la fisiologia e psicologia della visione - l elettrotecnica - l architettura ed il design degli ambienti - le disposizioni normative (di sicurezza, di risparmio energetico, di tutela ambientale, ecc.) 3 LA LUCE La radiazione elettromagnetica è il fenomeno fisico attraverso il quale l energia può trasferirsi da luogo a luogo per propagazione. Tale fenomeno può avvenire nello spazio libero (via etere) oppure può essere confinato e facilitato utilizzando appropriate linee di trasmissione (ad es. guide d onda, cavi coassiali). 4

3 Secondo la teoria di Maxwell la radiazione elettromagnetica è legata alla presenza contemporanea di fenomeni oscillatori, riconducibili a tipologie sinusoidali, di due grandezze fisiche che variano periodicamente nel tempo e nello spazio. il campo elettrico E(x,y,z,t) il campo magnetico H(x,y,z,t) 5 La propagazione della radiazione elettromagnetica può essere descritta dall equazione delle onde di d Alembert e quindi interpretata come fenomeno ondulatorio da cui in nome di onde elettromagnetiche 6

4 Caratteristiche fondamentali delle onde ampiezza (a), che si misura in metri (m) e corrisponde alla distanza tra il punto massimo della cresta dell onda e l asse di propagazione; velocità di propagazione, che si misura in metri al secondo (m/s); lunghezza d onda (λ), cioè la distanza tra due creste successive, che si misura in metri (m). 7 8

5 Si definisce inoltre frequenza (f) il numero di oscillazioni dell onda nell unità di tempo (secondo); f si misura in hertz (Hz). L energia (E) associata ad un onda elettromagnetica, detta fotone o quanto, è direttamente proporzionale alla frequenza (f) dell onda stessa E = h f dove h = 6, (J s) è la costante di Planck 9 La teoria ondulatoria di Maxwell non è in grado di spigare tutti i fenomeni radiativi. Per interpretarli è necessario ipotizzare una duplice natura delle radiazioni basata sul dualismo onda-corpuscolo che la meccanica quantistica interpreta come due modi di manifestarsi della stessa grandezza fisica (fotone) che possiede sia le proprietà di una particella che quelle di un'onda dato che la sua evoluzione può essere studiata solo su base probabilistica (onda di Schrödinger). 10

6 Frequenza (f) e lunghezza d onda (λ) sono fra loro interdipendenti λ f = c o / n c o = km/s (circa) è la velocità di propagazione della radiazione nel vuoto; n è l indice di rifrazione del mezzo in cui la radiazione si propaga (pari ad 1 nel vuoto e circa 1 nell aria). L insieme di tutte le lunghezza d onda (o frequenze) di una radiazione è detto spettro elettromagnetico 11 spettro elettromagnetico denominazione lunghezza d onda frequenza onde radio maggiore 10 cm minore 3 GHz microonde 10 cm 1 mm 3 GHz 300 GHz infrarossi 1 mm 700 nm 300 GHz 428 THz luce visibile 700 nm 400 nm 428 THz 750 THz ultravioletti 400 nm 10 nm 750 THz 30 PHz raggi X 10 nm 1 pm 30 PHz 300 EHz raggi gamma minore 1 pm maggiore 300 EHz 12

7 SISTEMA INTERNAZIONALE SIMBOLO PREFISSO FATTORE SIMBOLO PREFISSO FATTORE E exa d deci 10-1 P peta c centi 10-2 T tera m milli 10-3 G giga 10 9 µ micro 10-6 M mega 10 6 n nano 10-9 k kilo 10 3 p pico h etto 10 2 f femto da deca 10 1 a atto Il termine luce si riferisce alla porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano. E approssimativamente compresa tra 400 e 700 nm di lunghezza d'onda. Questo intervallo coincide con la regione di massima emissione da parte del sole. I limiti dello spettro visibile all'occhio umano non sono uguali per tutte le persone ma variano da soggetto a soggetto e possono estendersi da 380 a 780 nanometri. La presenza contemporanea di raggi di tutte le lunghezze d'onda visibili forma la luce bianca. 14

8 la visione L'occhio umano è, in sostanza, un sistema ottico in cui il cristallino funge da obiettivo e la retina da rivelatore della luce mediante una serie di ricettori (coni e bastoncelli) collegati al cervello attraverso il nervo ottico. 15 Coni e bastoncelli contengono particolari sostanze fotosensibili (pigmenti), la cui struttura chimica può essere alterata dalla luce. La maggiore o minore quantità di pigmento distrutta nell'unità di tempo provoca stimoli nervosi che passano al cervello attraverso il nervo ottico per l'interpretazione della visione. In condizioni d'illuminazione molto scarsa, a determinare il fenomeno della visione provvedono solo i bastoncelli, responsabili della visione in bianco e nero, per cui non si ha la sensazione del colore (visione scotopica). 16

9 Nel caso invece in cui la luce disponibile sia sufficiente i principali elementi attivi sono i coni, responsabili della distinzione dei colori dato che contengono tre tipi di pigmenti sensibili rispettivamente ala regione spettrale del rosso, del blu e del verde; ha così luogo la normale visione colorata (visione fotopica). L occhio umano non è ugualmente sensibile in tutto lo spettro del visibile ma valuta in modo diverso 2 radiazioni monocromatiche di uguale potenza energetica ma diversa lunghezza d'onda. 17 Per ottenere la stessa sensazione luminosa è quindi necessario variare la potenza energetica della radiazione in modo da compensare la maggiore o minore sensibilità dell occhio. Il fattore moltiplicativo V(λ) della potenza energetica W(λ) che permette di ottenere la stessa sensazione luminosa in tutto lo spettro del visibile prende il nome di fattore di visibilità. Quantificando si può scrivere V(λ) W(λ) = costante (arbitraria) 18

10 L andamento del fattore di visibilità, definibile a meno di una costante arbitriaria, è stato codificato dal C.I.E. su base statistica e mostra un massimo a 555 nm (per la visione fotopica) ed a 510 nm (per la visione scotopica). Si possono così definire i rapporti, detti coefficienti di visibilità v(λ) = V(λ)/Vmaxv= W(λ)/W(555) (fotopico) v (λ) = V(λ)/V max = W(λ)/W(510) (scotopico) 19 Ognuno di essi assume valore pari ad 1 in corrispondenza del massimo di visibililtà ed è rigorosamente nullo al di fuori dello spettro del visibile. 20

11 le grandezze fotometriche Le fotometria studia l energia radiante tenendo conto della sensibilità dell occhio umano, mentre la radiometria si occupa di tutta l energia radiante, anche di quella invisibile all uomo. Le grandezze fotometriche sono quindi diverse da quelle grandezze radiometriche ma ad esse collegabili tramite il coefficiente di visibilità (si adotta convezionalmente quello fotopico). 21 Una sorgente puntiforme S che emette radiazioni visibili nello spazio circostante (angolo solido di 4π), crea un flusso luminoso Φ pari a: Se di tale flusso luminoso Φ consideriamo solamente la parte dφ emessa entro l angolo solido dω, si può definire la grandezza vettoriale intensità luminosa I mediante la relazione I = dφ / dω Tale grandezza è una delle fondamentali nel S.I. La relativa unità è chiamata candela (cd). 22

12 Una candela (1cd) è l'intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente che emette solo radiazione monocromatica di lunghezza d oda pari a 555 nm ed ha una intensità energetica (Iw = dwi/dω), nella stessa direzione, di Iw = 1/683 W/sr. 23 Di conseguenza il valore massimo del fattore di visibilità (fotopico) è pari a 683 lm/w dato che V(555) = I(555) / Iw(555) Inoltre il flusso luminoso può essere calcolato con la relazione La sua unità di misura è il lumen (lm) definita come flusso luminoso emesso da una sorgente puntiforme avente intensità pari a 1 cd entro l angolo solido di 1 steradiante (sr). 24

13 La luminanza L è il rapporto fra l intensità luminosa di emessa in una certa direzione da una superficie elementare ds e l'estensione apparente della stessa superficie emittente. L = di / dsapp 25 Ne deriva che la luminanza varia modificando la direzione di osservazione, mentre rimane costante lungo la medesima direzione, poiché l area osservata aumenta con la distanza compensando la riduzione dell intensità. L unità di misura della luminanza è il Nit (cd/m 2 ). 26

14 La luminanza può essere intesa come la quantità di luce che effettivamente colpisce i nostri occhi, genera il processo fisiologico della visione ed è quindi la luce che effettivamente percepiamo. Al valore della luminanza è collegato anche il tipo di visione. Se L<0,003 Nit la visione è scotopica Se L>3 Nit la visione è totalmente fotopica Per valori intermedi la visione è parzialmente fotopica. 27 L illuminamento E è il rapporto tra il flusso luminoso dφ che incide sulla superficie elementare ds e la superficie stessa E = dφ / ds L unità di misura dell illuminamento è il lux, che corrisponde al flusso luminoso di 1 lm che incide sulla superficie di 1 m 2. 28

15 L illuminamento (medio) di una superficie ortogonale al direzione dell intensità luminosa, prodotto da una sorgente puntiforme (o ad essa assimilabile), diminuisce in maniera inversa al quadrato della distanza. 29 La radianza R è il rapporto tra il flusso luminoso dφ emesso o riflesso dalla superficie elementare ds e la superficie stessa R = dφ / ds La radianza ha le stesse dimensioni dell illuminamento. Non viene misurata in lux ma solamente in lm/m 2. 30

16 Intensità luminosa I e flusso luminoso Φ sono caratteristiche proprie di una sorgente luminosa, intesa come oggetto che emette energia radiante. L illuminamento E è invece l effetto che un flusso luminoso determina quanto incide su una superficie. Luminanza L e radianza R sono infine grandezze rappresentative sia di una sorgente luminosa che di una superficie illuminata che può considerarsi a sua volta come sorgente luminosa secondaria. 31 Da mettere in evidenza anche la differenza sostanziale fra illuminamento E e luminanza L. E L 32

17 RIEPILOGO grandezze fotometriche grandezza simbolo unità di misura intensità luminosa I candela - cd flusso luminoso Φ lumen - lm luminanza L Nit illuminamento E lux radianza R lm/m 2 33 Ai fini illuminotecnici le caratteristiche delle sorgente sono descritte da: temperatura di colore; indice di resa cromatica; efficienza luminosa; solido o curva fotometrica. 34

18 temperatura di colore La temperatura di colore (TC) della radiazione emessa da una sorgente corrisponde al valore della temperatura (espressa in K) alla quale si deve portare il corpo nero perché emetta una radiazione di colore uguale. TC (K) è un parametro che individua in modo oggettivo il colore della luce (tonalità) di una sorgente luminosa. Ad es. dire che una lampada ha una TC di 3000 K, significa che il corpo nero, a 3000 K, emette luce della stessa tonalità. 35 A titolo orientativo segnaliamo la TC tipica di alcune sorgenti naturali: luna: 4100 K; sole a mezzogiorno (estate): K; cielo coperto: K Le sorgenti artificiali (lampade) vengono classificate dal CIE, in relazione alla TC, a tonalità calda se TC < 3300 K tonalità neutra se 3300 < TC<5300 K tonalità fredda se TC > 5300 K 36

19 Dal punto di vista psicologico esiste una stretta relazione tra la tonalità della luce ed il comfort ambientale (vedi diagramma di Kruitoff) 37 indice di resa cromatica L'indice di resa cromatica (Ra) confronta la luce emessa dalla sorgente in esame con la luce di una sorgente di riferimento (in teoria il corpo nero) avente la stessa temperatura di colore a cui si assegna convezionalmente un indice Ra pari a 100. In sostanza Ra quantifica la differenza tra come appare cromaticamente un oggetto quando è illuminato da sorgente luminosa ed una sorgente campione (corpo nero) che simula la luce solare. 38

20 L'indice di resa cromatica di una sorgente viene classificato di grado: 1A (ottimo) se Ra compreso tra 90 e 100; 1B (molto buono) se Ra compreso tra 80 e 89; 2A (buono) se Ra compreso tra 70 e 79; 2B (discreto) se Ra compreso tra 60 e 69; 3 (sufficiente) se Ra compreso tra 40 e 59; scarso se Ra inferiore a Efficienza luminosa L efficienza luminosa (di sorgenti artificiali) è definita dal rapporto tra il flusso luminoso emesso e la potenza elettrica assorbita. Valuta quindi l efficienza di una sorgente (lm/w). Efficienza luminosa e tipica di alcune lampade a incandescenza a vapori di mercurio agli alogenuri al sodio (alta press.) al sodio (bassa press.) e = 15 lm/w e = lm/w e = lm/w e = lm/w e = lm/w 40

21 solido o curva fotometrica Il solido fotometrico rappresenta la figura geometrica delimitata da una superficie chiusa formata dal luogo dei punti estremi di segmenti aventi lunghezza proporzionale all'intensità luminosa e centro nella sorgente. La curva fotometrica è l intersezione del solido fotometrico con un piano passante per il centro (se il solido fotometrico presenta una simmetria di rotazione intorno ad un asse, risulta completamente descritto da un'unica curva fotometrica)

22 43 La luce, come tutte le onde elettromagnetiche, interagisce con la materia dando luogo ad una serie di fenomeni quali: - la rifrazione-trasmissione; - la riflessione (speculare, diffusa, mista); - l assorbimento di parte dell energia della radiazione incidente. Particolarmente importante ai fini della visione dei colori sono i fenomeni di riflessione e di trasmissione dato che il colore degli oggetti che l occhio umano percepisce è costituito dallo spettro della luce riflessa o di quella che attraversa una superficie trasparente. 44

23 Il colore di una superficie illuminata non è una proprietà intrinseca di una materiale ma dipende anche dalle caratteristiche della radiazione incidente. Un oggetto può riflettere o trasmettere solamente le lunghezze d onda possedute dalla radiazione che lo colpisce o lo attraversa