1

ILLUMINOTECNICA

parti 1 - 2

2

• L’Illuminotecnica è la parte di FisicaTecnica che studia come “illuminare” inmodo naturale e/o artificiale spazi edambienti, sia interni che esterni, al fine diassicurare le migliori condizioni di benessereambientale e di comfort visivo .

• La scelta di soluzioni illuminotecnicherispondenti a specifiche esigenze dipendenon solo dalle grandezze fisiche proprie della“luce” ma anche dalle capacità di rispostadel sistema visivo umano.

3

Come “illuminare” in modo ottimale è quindiun problema di natura interdisciplinare cherichiede conoscenze in numerosi campitecnico-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.)

4

LA LUCELA LUCE

La radiazione elettromagnetica è ilfenomeno fisico attraverso il qualel’energia può trasferirsi da luogo a luogoper propagazione. Tale fenomeno puòavvenire nello spazio libero (via etere)oppure può essere confinato e facilitatoutilizzando appropriate linee ditrasmissione (ad es. guide d’onda, cavicoassiali).

5

Secondo la teoria di Maxwell la radiazioneelettromagnetica è legata alla presenzacontemporanea di fenomeni oscillatori,riconducibili a tipologie sinusoidali, di duegrandezze fisiche che variano periodicamentenel tempo e nello spazio.

• il campo elettrico E(x,y,z,t)• il campo magnetico H(x,y,z,t)

6

La propagazione della radiazioneelettromagnetica può essere descrittadall’equazione delle onde di d’Alembert equindi interpretata come fenomenoondulatorio da cui in nome di

onde elettromagnetiche

7

Caratteristiche fondamentali delle ondeampiezza (a), che si misura in metri (m) ecorrisponde alla distanza tra il puntomassimo della cresta dell’onda e l’asse dipropagazione;velocità di propagazione , che si misura inmetri al secondo (m/s);lunghezza d’onda (λ), cioè la distanza tradue creste successive, che si misura inmetri (m).

8

9

Si definisce inoltre frequenza (f) il numerodi oscillazioni dell’onda nell’unità di tempo(secondo); f si misura in hertz (Hz).

L’energia (E) associata ad un’ondaelettromagnetica, detta fotone o quanto, èdirettamente proporzionale alla frequenza (f)dell’onda stessa

E = h f

dove h = 6,626 10 –34 (J s) è la costante diPlanck

10

La teoria ondulatoria di Maxwell non è in gradodi spigare tutti i fenomeni radiativi.

Per interpretarli è necessario ipotizzare unaduplice natura delle radiazioni basata suldualismo onda-corpuscolo che la meccanicaquantistica interpreta come due modi dimanifestarsi della stessa grandezza fisica(fotone) che possiede sia le proprietà di unaparticella che quelle di un'onda dato che la suaevoluzione può essere studiata solo su baseprobabilistica (onda di Schrödinger).

11

Frequenza (f) e lunghezza d’onda ( λ) sono fraloro interdipendenti

λ f = co / n

co = 300.000 km/s (circa) è la velocità dipropagazione della radiazione nel vuoto;n è l’indice di rifrazione del mezzo in cui laradiazione si propaga (pari ad 1 nel vuoto ecirca 1 nell’aria).L’insieme di tutte le lunghezza d’onda (ofrequenze) di una radiazione è detto

“ spettro elettromagnetico”

12

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

13

SISTEMA INTERNAZIONALE

SIMBOLO PREFISSO FATTORE SIMBOLO PREFISSO FATTORE

E exa 10 18 d deci 10 -1

P peta 10 15 c centi 10 -2

T tera 10 12 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 10 -12

h etto 10 2 f femto 10 -15

da deca 10 1 a atto 10 -18

14

Il termine luce si riferisce alla porzione dellospettro elettromagnetico visibile dall'occhioumano. E’ approssimativamente compresa tra400 e 700 nm di lunghezza d'onda.Questo intervallo coincide con la regione dimassima emissione da parte del sole.I limiti dello spettro visibile all'occhio umanonon sono uguali per tutte le persone mavariano da soggetto a soggetto e possonoestendersi da 380 a 780 nanometri.La presenza contemporanea di raggi di tutte lelunghezze d'onda visibili forma la luce bianca.

15

la visioneL'occhio umano è, in sostanza, un sistemaottico in cui il cristallino funge da obiettivo ela retina da rivelatore della luce mediante unaserie di ricettori (coni e bastoncelli) collegatial cervello attraverso il nervo ottico.

16

Coni e bastoncelli contengono particolarisostanze fotosensibili (pigmenti), la cuistruttura chimica può essere alterata dallaluce. La maggiore o minore quantità dipigmento distrutta nell'unità di tempoprovoca stimoli nervosi che passano alcervello attraverso il nervo ottico perl'interpretazione della visione.In condizioni d'illuminazione molto scarsa, adeterminare il fenomeno della visioneprovvedono solo i bastoncelli, responsabilidella visione in bianco e nero, per cui non siha la sensazione del colore ( visionescotopica ).

17

Nel caso invece in cui la luce disponibile siasufficiente i principali elementi attivi sono iconi, responsabili della distinzione dei coloridato che contengono tre tipi di pigmentisensibili rispettivamente ala regione spettraledel rosso, del blu e del verde; ha così luogo lanormale visione “colorata” ( visione fotopica ).L’occhio umano non è ugualmente sensibile intutto lo spettro del visibile ma valuta in mododiverso 2 radiazioni monocromatiche di ugualepotenza energetica ma diversa lunghezzad'onda.

18

Per ottenere la stessa sensazione luminosa èquindi necessario variare la potenzaenergetica della radiazione in modo dacompensare la maggiore o minore sensibilitàdell’occhio.Il fattore moltiplicativo V( λ) della potenzaenergetica W( λ) che permette di ottenere lastessa sensazione luminosa in tutto lo spettrodel visibile prende il nome di fattore divisibilità. Quantificando si può scrivere

V(λ) W(λ) = costante (arbitraria)

19

L’andamento del fattore di visibilità, definibilea meno di una costante arbitriaria, è statocodificato dal C.I.E. su base statistica e mostraun massimo a 555 nm (per la visione fotopica)ed a 510 nm (per la visione scotopica).

Si possono così definire i rapporti, detticoefficienti di visibilità

v(λ) = V(λ)/Vmaxv= W( λ)/W(555) (fotopico)

v’(λ) = V(λ)/V’max = W( λ)/W(510) (scotopico)

20

Ognuno di essi assume valore pari ad 1 incorrispondenza del massimo di visibililtà ed èrigorosamente nullo al di fuori dello spettro delvisibile .

21

le grandezze fotometricheLe fotometria studia l’energia radiante tenendoconto della sensibilità dell’occhio umano,mentre la radiometria si occupa di tuttal’energia radiante, anche di quella invisibileall’uomo.

Le grandezze fotometriche sono quindi diverseda quelle grandezze radiometriche ma ad essecollegabili tramite il coefficiente di visibilità ( siadotta convezionalmente quello fotopico).

22

Una sorgente puntiforme S che emetteradiazioni visibili nello spazio circostante(angolo solido di 4 ππππ), crea un “flusso luminoso”ΦΦΦΦ pari a:

Se di tale flusso luminoso ΦΦΦΦ consideriamosolamente la parte d ΦΦΦΦ emessa entro l‘angolosolido d ΩΩΩΩ, si può definire la grandezzavettoriale intensità luminosa I mediante larelazione I = dΦ / dΩTale grandezza è una delle fondamentali nel S.I.La relativa unità è chiamata candela (cd).

23

Una candela (1cd) è l'intensità luminosa, inuna data direzione, di una sorgente cheemette solo radiazione monocromatica dilunghezza d’oda pari a 555 nm ed ha unaintensità energetica (Iw = dWi/d ΩΩΩΩ), nellastessa direzione, di Iw = 1/683 W/sr .

24

Di conseguenza il valore massimo del fattore divisibilità (fotopico) è pari a 683 lm/W dato che

V(555) = I(555) / Iw(555)Inoltre il flusso luminoso può essere calcolatocon la relazione

La sua unità di misura è il lumen (lm) definitacome flusso luminoso emesso da una sorgentepuntiforme avente intensità pari a 1 cd entrol’angolo solido di 1 steradiante (sr).

25

La luminanza L è il rapporto fra l’intensitàluminosa dI emessa in una certa direzione dauna superficie elementare dS e l'estensioneapparente della stessa superficie emittente.

L = dI / dS app

26

Ne deriva che la luminanza varia modificandola direzione di osservazione, mentre rimanecostante lungo la medesima direzione, poichél’area osservata aumenta con la distanzacompensando la riduzione dell’intensità.

L’unità di misura della luminanza è il Nit(cd/m 2).

27

La luminanza può essere intesa come laquantità di luce che effettivamente colpisce inostri occhi, genera il processo fisiologicodella visione ed è quindi la luce cheeffettivamente percepiamo.

Al valore della luminanza è collegato anche iltipo di visione.Se L<0,003 Nit la visione è scotopicaSe L>3 Nit la visione è totalmente fotopicaPer valori intermedi la visione è parzialmentefotopica.

28

L’illuminamento E è il rapporto tra il flussoluminoso d ΦΦΦΦ che incide sulla superficieelementare dS e la superficie stessa

E = dΦΦΦΦ / dSL’unità di misura dell’illuminamento è il lux,che corrisponde al flusso luminoso di 1 lm cheincide sulla superficie di 1 m 2.

29

L’illuminamento (medio) di una superficieortogonale al direzione dell’intensità luminosa,prodotto da una sorgente puntiforme (o adessa assimilabile), diminuisce in manierainversa al quadrato della distanza.

30

La radianza R è il rapporto tra il flussoluminoso d ΦΦΦΦ emesso o riflesso dalla superficieelementare dS e la superficie stessa

R = dΦΦΦΦ / dS

La radianza ha le stesse dimensionidell’illuminamento.

Non viene misurata in lux ma solamente inlm/m 2.

31

Intensità luminosa I e flusso luminoso ΦΦΦΦsono caratteristiche proprie di una sorgenteluminosa, intesa come oggetto che emetteenergia radiante.

L’illuminamento E è invece l’effetto che unflusso luminoso determina quanto incide suuna superficie .Luminanza L e radianza R sono infinegrandezze rappresentative sia di una sorgenteluminosa che di una superficie illuminata chepuò considerarsi a sua volta come sorgenteluminosa secondaria.

32

Da mettere in evidenza anche la differenzasostanziale fra illuminamento E e luminanza L .

E L

33

RIEPILOGOgrandezze 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/m2

34

Ai fini illuminotecnici le caratteristiche

delle sorgente sono descritte da:

• temperatura di colore;

• indice di resa cromatica;

• efficienza luminosa;

• solido o curva fotometrica.

35

temperatura di coloreLa temperatura di colore (TC) dellaradiazione emessa da una sorgentecorrisponde al valore della temperatura(espressa in K) alla quale si deve portare ilcorpo nero perché emetta una radiazionedi colore uguale.TC (K) è un parametro che individua inmodo oggettivo il colore della luce(tonalità) di una sorgente luminosa.Ad es. dire che una lampada ha una TC di3000 K, significa che il corpo nero, a 3000K, emette luce della stessa tonalità.

36

A titolo orientativo segnaliamo la TC tipicadi alcune sorgenti naturali:

• luna: 4100 K;

• sole a mezzogiorno (estate): 5300-5800K;

• cielo coperto: 6400-6900 K

Le sorgenti artificiali (lampade) vengonoclassificate 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

37

Dal punto di vista psicologico esiste unastretta relazione tra la tonalità della luceed il comfort ambientale (vedi diagrammadi Kruitoff )

38

indice di resa cromaticaL'indice di resa cromatica (Ra) confrontala luce emessa dalla sorgente in esamecon la luce di una sorgente di riferimento(in teoria il corpo nero) avente la stessatemperatura di colore a cui si assegnaconvezionalmente un indice Ra pari a 100.In sostanza Ra quantifica la differenza tracome appare cromaticamente un oggettoquando è illuminato da sorgente luminosaed una sorgente campione (corpo nero)che simula la luce solare.

39

L'indice di resa cromatica di una sorgenteviene 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 40.

40

Efficienza luminosaL’efficienza luminosa (di sorgenti artificiali) èdefinita dal rapporto tra il flusso luminosoemesso e la potenza elettrica assorbita. Valutaquindi l’efficienza di una sorgente (lm/W).Efficienza luminosa e tipica di alcune lampadea incandescenza e = 15 lm/Wa vapori di mercurio e = 40÷60 lm/Wagli alogenuri e = 60÷100 lm/Wal sodio (alta press.) e = 70÷150 lm/Wal sodio (bassa press.) e = 100÷180 lm/W

41

solido o curva fotometricaIl solido fotometrico rappresenta la figurageometrica delimitata da una superficie chiusaformata dal luogo dei punti estremi di segmentiaventi lunghezza proporzionale all'intensitàluminosa e centro nella sorgente.

La curva fotometrica è l’intersezione del solidofotometrico con un piano passante per ilcentro (se il solido fotometrico presenta unasimmetria di rotazione intorno ad un asse,risulta completamente descritto da un'unicacurva fotometrica).

42

43

44

La luce, come tutte le onde elettromagnetiche,interagisce con la materia dando luogo ad unaserie 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 visionedei colori sono i fenomeni di riflessione e ditrasmissione dato che il colore degli oggettiche l’occhio umano percepisce è costituitodallo spettro della luce riflessa o di quella cheattraversa una superficie trasparente.

45

Il “colore” di una superficie illuminata non èuna proprietà intrinseca di una materiale madipende anche dalle caratteristiche dellaradiazione incidente.

Un oggetto può riflettere o trasmetteresolamente le lunghezze d’onda possedute dallaradiazione che lo colpisce o lo attraversa.

46