Fisica tecnica ambientale - illuminotecnica

Illuminotecnica

L'illuminotecnica è la parte della Fisica Tecnica che studia i problemi di illuminazione sia naturale che artificiale, al fine di assicurare condizioni di benessere ambientale e di comfort visivo per l'uomo.

Occhio umano

• Lente cristallina
• Cornea
• Iride regola la quantità di luce che entra e aiuta la messa a fuoco del cristallino
• Sclera
• Retina
• Fovea della macula (concentrazione dei coni)
• Nervo ottico
• Corpo vitreo

Sulla retina sono presenti sensori luminosi.

• Coni (6-7 mil)
• Bastoncelli (75-150 mil)
• Fovea
• Fuori fovea
• Visione diurna (fotopica)
• Visione notturna (scotopica)

3 tipi di coni: Rosso Verde Blu.

Visione tricromatica.

No colori.

Fotometria

La fotometria studia il rapporto tra stimolo visivo - sensazione. L'occhio subisce uno stimolo visivo tramite la luce → onde elettromagnetiche. La sensazione può variare per:

• Intensità → legato alla Potenza Raggiante _P
• Colore → legato alla Frequenza f dell'onda
• Luce monocromatica → ↑ f
• Luce policromatica → + f

Campo del visibile

380nm – 780nm.

• Scotopica
• Fotopica
• _K^max 555
• Viola, azzurro, verde, giallo, arancio, rosso
• Ultravioletto λ < 380 nm
• Infrarosso λ > 780 nm

K: Fattore di visibilità [^lm/_W].

f funzione di λ e individua sensazioni di visibilità equivalenti al valore della λ (quindi _P).

Sensazioni di visibilità equivalenti:

→ _σK1, _P1 = _K2, _P2

se _P2 > _P1 → _K1 < _K2

_P2 < _P1 → _K1 > _K2

a _P differenti: _K garantisce l'equivalenza.

_K^max = _K(λ: 555 nm) = 683 ^lm/_W

Illuminotecnica

L'illuminotecnica è la parte della Fisica Tecnica che studia i problemi di illuminazione sia naturale che artificiale, al fine di assicurare condizioni di benessere ambientale e di comfort visivo per l'uomo.

Occhio umano

Iride regola la quantità di luce che entra e aiuta la messa a fuoco del cristallino.

Fotometria

La fotometria studia il rapporto tra stimolo visivo - sensazione. L'occhio subisce uno stimolo visivo tramite la luce -> onde elettromagnetiche.

• Intensità -> legato alla Potenza Raggiante P
• Colore -> legato alla Frequenza f dell'onda

Campo del visibile -> 320nm - 780nm.

K = Fattore di visibilità [ ] sensazioni di visibilità equivalenti se

K_max = K ( ʎ = 555 nm) = 683

Grandezze fotometriche

Coefficiente di visibilità relativa V(λ)

V(λ) = K(λ) / K_max

Ad ogni lunghezza d'onda corrisponde un coefficiente di visibilità.

Mi dice quanta P vedo, rispetto a quanta P è emessa al variare di λ.

Alla λ = ̅, ho come coefficiente di visibilità relativa V che varia quindi in base a K(λ).

Flusso luminoso Φ

Misura l'intensità della sensazione luminosa, legandola alla potenza dello stimolo.

Φ = K(λ)·P(λ) [Lm] flusso luminoso Monocromatico (unica frequenza).

Φ_tot = ∫₃₅₀^{750 nm} ∂P / ∂λ K(λ)dλ [Lm] flusso luminoso Policromatico (più frequenze).

∂P / ∂λ potenza energetica emessa per lunghezza d'onda.

Intensità luminosa I

Esprime il flusso luminoso emesso da una sorgente infinitesima puntiforme, nell'angolo solido delimitato attorno a una data direzione r.

I_α = ∂Φ / ∂Ω [cd] candela → [lm/sr]

1 cd = K_max 1/683 W/sr = steradianti.

1 cd·sr = 1 lm ⇒ 1 cd = 1 lm/sr.

per una sfera ho:

I = ∂Φ / 4π

la conoscenza dell'intensità media sferica, computi di costruire il solido fotometrico → figura geometrica delimitata da una superficie chiusa formata dall'insieme dei punti estremi di segmenti aventi lunghezza proporzionale all'intensità luminosa in quella direzione e centro nella sorgente.

Illuminamento _E

Rapporto fra il flusso luminoso incidente e la superficie illuminata.

E = ^dΦ/_dS [lux]

1 lux = illuminamento di una superficie di 1 m² investita un flusso luminoso di 1 lm uniformemente ripartito.

• 0,01 lux → notte serena senza luna
• 20.000 lux → giorno cielo coperto
• 100.000 lux → giorno estivo sole

Luminanza _L

Rapporto tra l'intensità luminosa emessa in quella direzione e la superficie emittente proiettata su un piano perpendicolare alla direzione stessa.

L = ^I_x/_Sa [nit]

1 nit = 1 cd/m²

I = ^dΦ/_dΩ

S_a = S cos α

L = ^dΦ/_{dΩ Sa} = ^E/_{dΩ cos α}

Radianza _M

Rapporto tra il flusso luminoso emesso da un elemento di superficie e l'area dell'elemento stesso.

M = ^dΦ/_dS r [lux·sb]

sb = su bianco.

r = coefficiente di riflessione superficiale.

E = ^dΦ/_dS illuminamento.

M = Er → se r=1 per superfici perfettamente riflettenti → bianche ⇒ M = E.

Si dice "illuminamento riflesso" se la superficie diventa sorgente.

Sorgenti luminose artificiali

Caratteristiche delle lampade

• Flusso luminoso - quanto flusso luminoso emette la lampadina
• Efficienza luminosa - M = _⦁/_W flusso luminoso / potenza impiegata
• Temperatura di colore - temperatura del corpo nero che emette luce di colore uguale alla lampada con riportata T < 3000 K: T > 3000 K: T > 5300K:
• Resa cromatica - stabilisce quanto la luce artificiale alteri il colore degli oggetti illuminati. Dipende dalla composizione spettrale.
• Decadimento - il flusso luminoso diminuisce a causa dell'uso a cui è legato e il deprezzamento D = _⦁e / _⦁i flusso emesso nel 50-70% della vita della lampadina
• Solido fotometrico - solido geometrico realizzato dai punti estremi dei segmenti di lunghezza l: intensità luminosa in direzione α

Classificazione delle lampade

• GLS +Diffuse → η= 20lm/w
• Lampade
• Reflector
• PAR
• R
• A
• Alogene → η = 25 lm/w
• A incandescenza emettono per temperatura
• Scarica di gas emettono per luminescenza
• Alta pressione:
• Bassa pressione (cambia la velocità d'urto)
• Sodio, mercurio

Lampade a incandescenza

Primo brevetto - Edison 1841.

GLS.

• Ampolla di vetro
• Filamento di tungsteno
• Gas di riempimento (No ossigeno)
• Filettatura
• Tubetto conduttore
• Reflector
• A riflettore ellisperico
• PAR a bulbo con vetro pressato
• R a bulbo con vetro soffiato

9-10 lm/w 1000h.

Bassa efficienza (2cm/w).

Spettro continuo.

Sfrutta l'irraggiamento dei fotoni causati dal riscaldamento di un filamento metallico (tungsteno).

T_max < 2900°K.

Costo basso.

• Possono essere usate anche senza apparecchi di illuminazione
• Trattamento di argentatura ottenuto per evaporazione di alluminio sotto vuoto nella parte interna → riflettore

Alogene

Alogene 20-30 lm/w 1000h.

Al gas di riempimento (argon) si aggiunge iodio, cloro, bromo (=alogeni).

Questa miscela consente l'instaurarsi di un ciclo rigenerativo del tungsteno:

• Le particelle di tungsteno evaporano e si combinano con gli alogeni
• Quando il composto gassoso si avvicina al filamento (3200°K) il legame si rompe
• Il tungsteno si rideposita sul filamento

Lampade a scarica di gas

Queste lampade sono costituite da un contenitore (vetro o quarzo) nel quale si trova un aeriforme, tra due elettrodi.

Se colleghiamo gli elettrodi a una sorgente di tensione continua, gli elettroni si muoveranno verso l’anodo, provocando urti:

• Bassa velocità: urto elastico → l’elettrone d’urto cede una piccola parte della sua energia cinetica all’atomo di gas che si riscalda.
• Alta velocità: atomo eccitato → l’urto provoca il salto d’orbita di uno degli elettroni esterni (l’atomo si eccita). Dopo un tempo breve l’elettrone torna al livello iniziale e nel passaggio a uno stato inferiore, l’atomo emette un fotone.
• Altissima v = strappo → l’elettrone viene strappato al sistema e l’atomo diventa positivo (ione). L’elettrone libero si comporta come l’elettrone d’urto, mentre lo ione può ricombinarsi con un altro elettrone producendo luce.

Tensione d’innesco → tensione minima capace di produrre questo processo. Può essere ridotta:

• Impiegando gas rari
• Elettrodi appropriati
• Elettrodi ausiliari

Lampade fluorescenti

Alcuni gas o vapori emettono radiazioni ultraviolette → non visibili Il fenomeno della fluorescenza ci consente di recuperare questa energia:

Si usano fosfori per il trattamento delle superfici interne del vetro.

Lampade al sodio (strade) → η = 120; 140 _lm/_w

Lampade a LED

• Più efficienti da un punto di vista energetico
• Basso decadimento
• Non contengono gas nocivi o tossici, ma polvere di silicio
• Non genera emissioni ultraviolette

Funzionamento:

al silicio (Si) mancano 4 elettroni per completare l'otteto.

Diodo a giunzione P-N.

Lacuna = portatore di corrente che carica positiva.

Massimo flusso luminoso → 120 lm>

Ambiente esterno

Considero un lampione che illumina una strada.

Voglio trovare E.

E = dΦ\over dS \hspace{10pt} I_d = dΦ\over dΩ → dΦ: I_d dΩ

→ E = I_d dS\cosθ\over dS R² → dΩ: dS\cosθ\over R² angolo solido

→ E = I_d \cosθ\over h²

Metodo puntuale

Se θ = 0 → E_max = I_x\over h² (perché cos³θ = 1)

Criteri di progettazione illuminotecnica

Ambiente confinato

Metodo del flusso tot.

Flusso luminoso necessario per soddisfare le necessità dell'ambiente.

ϕ_TOT = (E_m A) / (u d)

• E_m = illuminamento medio (stabilito da normativa)
• A = superficie illuminata (cambia con l'uso)
• d = fattore di decadimento ( d = 1,25 ÷ 1,65 )
• u = coefficiente di utilizzazione (fornito dal costruttore)
• u = f (solido fotometrico, r, i)
• r = fattore di riflessione
• i = indice del locale
• i = (a · b) / ((a + b) h_u)

Stabilito il ϕ_TOT (lumen) → devo stabilire il numero di lampadine necessarie a soddisfare il flusso totale.

numero lampade = ϕ_tot / ϕ_LAMP

ϕ_LAMP = η_L · R

• R = potenza emessa
• η_L = rendimento lampada

Devo garantire uniformità di illuminazione → occhio stanco.

E_min / E_m > 0,7

Illuminotecnica, fotometria e campo visivo

Illuminotecnica → studia i problemi dell'illuminaz.naturale e artificiale, al fine di assicurareil comfort visivo.

Fotometria → studia il rapporto tra stimolo visivo esensazione → che varia → intensità (P)colore (λ).

Campo visivo → 0,38 → 0,78 μm.

K_max = 683 _Lm ^W

K = fattore di visibilità [ _Lm ^W ] rappresenta lasensibilità Media dell’occhio umanoa radiazioni con λ ≠ma con uguale energia.

K₁P₁ = K₂P₂

Coefficiente di visibilità V(λ)

V(λ) = _K(λ)^K_max

Radianza M

M = Er [r = coefficiente di riflessione superficiale.

r = 1 → M = E.

Bianco.