RFIS-I-ClimIllumn-I.ppt - esclusivo uso didattico interno - ILLUMINAZIONE

Transcript

1 elio giroletti UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA dip. fisica nucleare e teorica via bassi 6, pavia, italy tel girolett@unipv.it - microclima, illuminazione -VDT RISCHI FISICI - elio giroletti, 2008 introduzione fisica fotometria sorgenti ed effetti strumenti di misura normativa e bibliografia conclusioni 1 SPETTRO ELETTROMAGNETICO λν = c E = hν

2 TRANSIZIONI ATOMICHE quanto di energia elettromagnetica: fotone E = hν E emissione, assorbimento: 3 E 1 ν = h hν E 4 E 3 E 2 E 1 E 4 E 3 E 2 hν'= E 3 E 2 E 1 hν" = E 2 E 1 costante di Planck h = 6, J s Onde elettromagnetiche trasporto di energia nello spazio, attraverso la propagazione simultanea dei due campi (elettrico, E, e magnetico, B), alla velocità (nel vuoto) di c km/s B E o B o E=campo elettrico B=induzione magnetica E onda elettromagnetica λ vel x 2 vel λ = ν onda elettromagnetica: grandezze, m Frequenza, ν [1/s, Hz] Lunghezza d onda, λ [m, nm] Periodo, T=1/v [s] Velocità, c vel=λv [m/s, km/s] E o B B o E=campo elettrico B=induzione magnetica E onda elettromagnetica λ vel x

3 QUANTO di ENERGIA ELETTROMAGNETICA: FOTONE campo elettromagnetico: E, B teoria dei quanti quanti di energia elettromagnetica (fotoni) E = h ν costante di Planck h = J s λ = 600 nm (visibile: luce gialla) ν = s 1 E = h ν = 6, J s s 1 = 3, J = = 3, ,6 J = 2 ev 1, J ev 1 POLARIZZAZIONE solo onde trasversali onda nonpolarizzata y direzione di propagazione z S x 3 POLARIZZAZIONE onda polarizzata : direzione di vibrazione costante y z o S piano di vibrazione piano di polarizzazione x polarizzazione rettilinea polarizzazione circolare (ellittica) (combinazioni di 2 polarizzazioni rettilinee con diverse direzioni di vibrazione)

4 (fermi) λ (m) SPETTRO ELETTROMAGNETICO (Å) (nm) (μm) (mm) (cm) λ (m) RAGGI GAMMA ν (Hz) GeV 10 9 RAGGI X ULTRA- -VIOLETTO INFRA- -ROSSO VISIBILE MeV 10 6 kev 10 3 E (ev) MICRO ONDE Hz ONDE RADIO 10 6 ν (Hz) λν = c E = hν λ (nm) 700 OTTICA luce: onde elettromagnetiche visibili fenomeno ondulatorio caratterizzato da λ D = dimensione ostacoli, aperture (diaframmi, fessure, aperture strumentali) OTTICA FISICA λ D trattazione ondulatoria rigorosa OTTICA GEOMETRICA teoria approssimata di propagazione (propagazione mediante raggi) λ << D 4 alcune definizioni Riflessione: rinvio immediato di raggi luminosi Rifrazione: deviazione subita dal raggio luminoso nel passaggio da un mezzo trasparente ad un altro Diffrazione: vero e proprio sparpagliamento della luce dovuto alla sua natura ondulatoria Diffusione: la radiazione viene rinviata in tutte le direzioni, quando incide su una superficie scarbra o ruvida Interferenza: sovrapposizione di due o più raggi luminosi: costruttiva e distruttiva

5 riflessione a b superficie speculare a = b superficie perfettamente diffondente superficie reale RIFRAZIONE Foto: Giancoli, Fisica, ed. Ambrosiana, Fonte: cd-rom, Enciclopedia del corpo o umano, Rizzoli, 1996 Occhio umano

6 OCCHIO UMANO Coni: responsabili visione diurna (fotopica) scompongono i colori (sostanze fotosensibili) Bastoncelli bassa luminosità, visione notturna (scotopica) non discernono i colori tempo di risposta più lenta dei coni la luce forma di energia irradiata E=hν (fotoni) disciplina: radiometria tra nm, Δ(λ)=2:1 la sensazione luminosa proporzionale alla potenza associata dipende da λ: max visione a 555 nm (verde/giallo) FOTOME ETRIA Curva spettrale di visibilità dell osservatore fotometrico focalizzato, per visione fotopica, illuminazione diurna coni-, CIE FOTOM METRIA scotopica fotopica Curva spettrale (CIE 1931) di visibilità dell osservatore fotometrico focalizzato, per visione fotopica: illuminazione diurna coni- (sufficient.luminoso) scotopica: notturna bastoncelli- (poco luminoso) Fonte: Moncada, Santoli, Fisica tecnica ambientale, III vol., Ed. Ambrosiana, 1999

7 FOTOMET TRIA Diagramma normalizzato CIE 1931 dei colori con la curva del corpo nero e le rette isoprossimali di colore X= rr+vv+bb 1=r+v+b ENEL-Cise, Guida tecnica per illuminazione Fonte: legge Stefan/Boltzmann I = σ T 4 (watt m 2 ) legge di Wien λ Imax = 0,2897 T (cm) CORPO NERO λ max max (pelle, 32 C)=0,01 mm lontano infrarosso visibile Fonte: Regione Piemonte, RnI in medicina, la luce: nm, Δ(λ)=2:1 la sensazione luminosa Ambiente luminoso è proporzionale alla potenza associata dipende da λ luce, max a 555 nm (verde/giallo) illuminazione naturale è la più tollerata superficie finestrata/pavimento: 1:3 e 1:5 illuminazione artificiale tenere conto della finezza delle lavorazioni evitare eccessivi contrasti evitare eccessivi abbagliamenti

8 grandezze radiometriche Grandezze assolute Energia radiante, Q [J]: Energia emessa, trasmessa o ricevuta come radiazione ottica Flusso di energia, potenza radiante, Φ [W] Potenza emessa, trasferita o ricevuta, Φ =dq/dt Caratteristica di una sorgente radiante Fluenza di energia, intensità radiante, I [W/sr]: Potenza radiante che lascia una sorgente per unità di angolo solido, I=Φ/Area = Φ/πr 2 Irradianza, E [W/m 2 ]: Potenza radiante incidente su una superficie per unità di area di superficie Radianza, L [W/(sr.m 2 )]: Intensità radiante da una data superficie per unità di area (normalizzata), Φ inc /Area FOTOMETRIA la fotometria misura le sensazioni prodotte da fasci di radiazioni diversi per potenza irraggiata lunghezza ado d onda: da entro il visibile quantifica la luce in termini di stimolo provocato alla retina e non in termini assoluti le grandezze misurano l energia entro spettro visibile, pesata sulla sensibilità spettrale dell occhio umano 8 FLUSSO LUMINOSO LUMINANZA INTENSITA LUMINOSA ILLUMINAMENTO CONTRASTO grandezze fotometriche

9 grandezze FOTOMETRICHE e sorgenti Φ = 780 W ( λ ) V ( λ ) dλ = W ( λ) V ( λ ) 380 λ = 380 Grandezze fotometriche tengono conto della quantità di energia luminosa emessa da una sorgente ma pesata da V (curva sensibilità occhio) 700 Grandezze fotometriche e sorgenti Φ = Flusso luminoso, Φ=dQ/dt ( λ) V ( λ) dλ = W ( λ) V ( λ) λ= 380 quantità di energia luminosa emessa da una sorgente nell unità di tempo e pesata da V potenza irradiata pesata dalla curva visibilità ibilità unità di misura: lumen (lm) 1 watt a 555 nm equivale a 683 lumen indica l intensità di luce emessa da una sorgente di luce primaria o secondaria potenza luminosa, derivata dal flusso di energia pesato sulla sensibilità spettrale dell occhio W Grandezze fotometriche e sorgenti Intensità luminosa, I=dΦ/dΩ intensità di energia luminosa emessa dalla sorgente in una certa direzione e pesata da V è il flusso luminoso per unità di angolo solido unità di misura: candela (cd) esprime la concentrazione di luce irradiata per secondo in una direzione specifica trova maggiore applicazione se si usano riflettori a fascio stretto o se si deve identificare la concentrazione di flusso luminoso secondo una direzione stabilita

10 grandezze del corpo illuminato Illuminamento, E=dΦ/dA quantità di energia luminosa che incide sulla superficie illuminata, flusso luminoso ricevuto per unità di superficie dipende: da sorgente e distanza unità di misura: lumen/m 2 (lux) - 1 lux corrisponde all illuminamento prodotto da una sorgente da 1 cd su 1m 2 alla distanza di 1 m grandezza maggiormente utilizzata per il dimensionamento di un impianto, perchè indica quanta luce investe una superficie (tavolo, ecc.) grandezze del corpo illuminato Luminanza, L=dI/dA rapporto tra flusso luminoso diffuso in una direzione da una superficie e la sua area unità di misura: lambert =candela/m 2 (cd/m 2 ) indica la sensazione luminosa percepita da un osservatore quando guarda una superficie illuminata e permette di distinguere gli oggetti troppo elevata = abbagliamento due superfici diverse hanno diversa luminanza 10 relazione tra grandezze fotometriche Flusso luminoso, Φ intensità luminosa, I=dΦ/dΩ=Φ/4π illuminamento, E =Φ inc /Area Intensità luminosa, I illuminamento, E =I cos( cos(γ)/d 2 =I cos 3 (γ)/h 2 luminanza, L =I/Area I/Area cos( cos(γ) Illuminamento, E luminanza, per superfici perfettamente diffondenti, L =ρe/ E/π, ρ=fattore di riflessione

11 L[lambert]=ρdE/dA LUMINANZA FLUSSO LUMINOSO Φ[lumen]=dQ/dt INTENSITA LUMINOSA I[cd]=dΦ/dΩ ILLUMINAMENTO E[lux] =Φ inc /Area CONTRASTO grandezze fotometriche grandezze fotometriche confronto fra i parametri illuminotecnici fondamentali grandezza simbolo Unità misura Simbolo Flusso Φ lumen Intensità luminosa I candela Illuminamento E lumen/m 2 Luminanza L candela/m 2 lm cd lux cd/m 2 La sensazione visiva è determinata dalle luminanze e non dagli illuminamenti, anche se nella pratica si misurano questi ultimi 11 grandezze del corpo illuminato visibilità di un oggetto dipende da: Acuità visiva osservatore Sensibilità di contrasto osservatore Tempo di visione Dimensioni angolari dell oggetto, D Contrasto di luminanza, C

12 CONTRASTO DI LUMINANZA C = L oggetto L L sfondo sfondo 100 Rapporto di luminanza, L Fattore di contrasto di luminanza, C ρ C = oggetto E ρ π E ρoggetto π sfondo E π ρ 100 = ρ ρ oggetto oggetto sfondo 100 Abbagliamento (diretto e indiretto) CONTRASTO DI LUMINANZA Localizzazione Contrasto Fra oggetto guardato e piano lavoro 3:1 Fra oggetto guardato e ambiente circostante 10:1 Fra sorgenti luminose e il fondo 20:1 Rapporto massimo entro il campo visivo 40:1 Contrasto di luminanza (DIN 66234) minimo: 3; ottimale: 6-10; massimo: 30 Fonte: Ies, Ies Lighting Handbook, Londra 12 VOLUME DI OFFESA Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illuminazione VOLUME DI OFFESA: volume comprendente tutte le direzioni speculari a quelle di osservazione; spazio entro cui non vanno collocate sorgenti che indirizzino intensità luminose verso il compito visivo.

13 ABBAGLIAMENTO nazione Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illumin ABBAGLIAMENTO si ritiene provocato da sorgenti che sono, in tutto o in parte, entro un angolo orizzontale di 45 a) parte della sorgente è entro l angolo b) conforme Valori minimi di illuminamento Attività ità nell ambiente Illuminamento Deposito materiali grossi 10 lux Passaggi, corridoi e scale 20 lux Lavori grossolani 40 lux Lavori di media finezza 100 lux Lavori fini 200 lux Lavori finissimi 300 lux 13 ambiente luminoso in ufficio Con VDT: minima illuminazione sopperendo con luce localizzata Attività Illuminamento generale Illuminamento localizzato Uffici con il VDT Ambiente di lavoro lux = Zona di digitazione lux Lettura testi (localizzata) lux 1000 lux max Uffici tecnici Ambiente di lavoro lux lux Archivio - Biblioteca lux lux Sala riunione lux = Servizi lux = S Altre fonti: UNI e IES

14 Illuminazione: rischi e i rimedi Le migliorie I rischi affaticamento visivo affaticamento generale infortunio per scarsa illuminazione abbagliamento solare o da lampade occhio al contrasto corrette condizioni illuminotecniche schermature idonee a finestre e elementi illuminanti le sorgenti naturali Vetrate esterne: dotate di con tende, es. "veneziane". Evitare: VDT sotto i lucernari; se non è possibile, dotarli di tende fortemente schermanti abbagliamento: finestra/luce intensa di fronte all operatore, a meno che non siano ben schermabili Riflessi: finestra/luce alle spalle dell operatore. Posizione ideale: finestre parallele allo sguardo 14 sorgenti luminose: parametri efficienza luminosa: riferita a sorgenti luminose artificiali; rapporto tra flusso luminoso e potenza elettrica assorbita; unità di misura: lumen/watt; maggior efficienza: lampade moderne fluorescenti resa di colore: indica la capacità di una sorgente di restituire fedelmente il colore dell oggetto o della superficie illuminata; indice di resa cromatica, Ra, tra 0 e 100. Max fedeltà Ra=100. vita media vita media: indica il tempo, in ore, dopo il quale il 50% cessa di funzionare (indicato dal costruttore)

15 sorgenti luminose: parametri temperatura di colore: indica il colore apparente della luce emessa; definita come la temperatura che dovrebbe avere un corpo nero per produrre una radiazione luminosa che abbia la stessa apparenza cromatica di quella reale unità di misura: K; all aumentare della temperatura di colore la luce passa da tonalità calda (rosso) ad una tonalità fredda (blu) esempi: sole (superficie solare, esosfera) 6500 K luce diurna K Diagramma di KRUITHOF per basse temperature di colore conviene basso livello di illuminamento Fonte: Moncada, Santoli, Fisica tecnica ambientale, III vol., Ed. Ambrosiana, tipi di sorgenti luminose a filamento: emettono luce grazie a un filamento di tungsteno portato all incandescenza al passaggio di corrente elettrica a scarica di gas: la scarica elettrica in un gas (tra due elettrodi) produce l eccitazione degli elettroni del gas i quali, urtandosi, emettono energia luminosa a induzione: stesso principio della precedente, ma la scarica è provocata da correnti indotte generate da un campo magnetico esterno

16 sorgenti artificiali: incandescenza a filamento /incandescenza: emettono luce grazie a un filamento di tungsteno portato all incandescenza al passaggio di corrente elettrica Fonte: Le scienze, 2008, n.477 sorgenti artificiali: fluorescenti Lampade fluorescenti: maggiormente impiegate negli uffici; ottimali per il VDT sono "bianche a tonalità calda", con luce tendente al giallo Minimizzare i riflessi: montate a soffitto; con paraluce a lamelle anti-abbagliamento; in file parallele alla direzione dello sguardo; non sopra la testa dell'operatore (volume offesa) Fonte: Le scienze, 2008, n sorgenti artificiali: fluorescenti lampade a fluorescenza: funzionano come i tubi a fluorescenza, solo che il tubo è arrotolato a spirale. Porre attenzione allo smaltimento, contengono Hg Fonte: Le scienze, 2008, n.477

17 sorgenti artificiali: a diodo Fonte: Le scienze, 2008, n.477 luminosità e lampade Temperatura di colore: 3800 K Indice resa cromatica: 74 Lumen/watt: 47 Lampada: speciale deluxe Tipo/79 indicata per: esposizione alimentari Temperatura di colore: K Indice resa cromatica: 70 Lumen/watt: 70 Lampada: acquarelle Tipo/89 indicata per: acquari, terrari Fonte: catalogo Philips, spettri Fonte: catalogo Osram, 2007

18 Luminosità e piante CONFRONTO tra spettri di azione efficaci per i vegetali e la curva di visibilità per l uomo Fonte: Certo L, l am mbiente fisico, LSI, III edizione, 1997 Luminosità e piante III edizione, 1997 Fonte: Certo L, l ambiente fisico, LSI, Spettri di emissione per due lampade per vegetali 18 Indicazioni per l ambiente luminoso sufficiente luce naturale colore della luce: simile a quella naturale superfici vetrate e sorgenti illuminazione in buone condizioni e pulite presenza o assenza di abbagliamento negli uffici: evita le pareti tutte bianche distribuzione delle ombre evitare elevati contrasti di luminanze

19 nazione Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illumin Elio GIROLETTI - Università degli Studi di Pavia - dip. Fisica nucelare e teorica FOTOMETRIA strumenti LUXMETRO misura: illuminamento, E =Φ inc /Area (lux) fotocellula (emissione di elettroni da parte di particolari metalli quando illuminati effetto fotoelettrico-) con amplificatore correzione secondo la curva spettrale, con filtri colorati (conoscere spettro di emissione) secondo la legge del coseno (per angolo di incidenza), con cupolette incertezza circa 10% Intensità luminosa e luminanza di L = dacosα dφ I = dω Fonte: Moncada, Santoli, Fisica tecnica ambientale, III vol., Ed. Ambrosiana, FOTOMETRIA strumenti E = Φ cos( cos(θ)/(4π d 2 ) nazione Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illumin Luxmetro e cupoletta di correzione

20 FOTOMETRIA strumenti LUMINANZOMETRO misura la luminanza, L=ρ de/da (cd/m 2 ) (luce irradiata da un corpo o da sorgente) obiettivo, specchio trasmissivo, fotocellula con amplificatore, sistema ottico direzionale incertezza circa 10% Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illuminazione FOTOMETRIA strumenti Goniofotomotetro a specchio nazione Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illumin misura intensità luminosa mediante misura illuminamento, con fotocellula, per varie posizioni esistono quattro tipi, a seconda che ruoti la fotocellula o l apparecchio 20 FOTOMETRIA strumenti Sfera di Ulbricht nazione Fonte: ENEL-Cise, Guida tecnica per illumin misura il flusso luminoso fotometro integratore per le mutue riflessioni, illuminamento è costante una cellula fotovoltaica in una piccola apertura, posta dietro uno schermo per eliminare irradiazione diretta

21 d.lgs 81/08 e s.m.i. Normativa e bibliografia allegati al d.lgs 81/08 e s.m.i.. Norme tecniche: ISO, ANSI, ASHRAE, ACGIH, EN, UNI Certo L, L'ambiente fisico: termico, luminoso, sonoro e chimico, ed. Laboratori di Strumentazione industriale - LSI, 3 ed., 1997 Moncada, De Santoli, Fisica tecnica ambientale, ed. Ambrosiana, 1999 Casula D, Medicina del lavoro, Monduzzi, Bologna Livrieri, et al., Elementi di fisica ambientale, ed. Monduzzi, Bologna, 1992 microclima, illuminazione -VDT RISCHI FISICI - elio giroletti, 2008 dispense su internet t elio giroletti. Università degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teorica girolett@unipv.it