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Facoltà di Architettura - Laurea magistrale in Architettura a ciclo unico Corso di impianti tecnici FONDAMENTI DI ILLUMINOTECNICA Prof. Ing. Marco Cecconi [email protected] Obiettivi ● Introdurre i concetti fondamentali della fisica e della tecnica della luce. ● Porre le basi per la progettazione illuminotecnica orientata all’efficienza energetica. Argomenti 1. Fondamenti di fisica delle radiazioni elettromagnetiche e della luce 2. L’occhio umano 3. Radiometria e fotometria 4. Grandezze fotometriche fondamentali Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 2 Introduzione DEFINIZIONI E CONCETTI ● L’illuminotecnica è la disciplina che si occupa dell’illuminazione, sia naturale che artificiale, di spazi e ambienti interni o esterni, al fine di assicurare le condizioni di benessere e di comfort visivo. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 3 Fisica della luce DEFINIZIONI E CONCETTI ● La radiazione elettromagnetica è un fenomeno fisico caratterizzato dalla contemporanea propagazione di perturbazioni periodiche di campo elettrico e campo magnetico, oscillanti in piani tra loro ortogonali (onde elettromagnetiche).. ..cioè.. ● La radiazione elettromagnetica è una modalità attraverso la quale l’energia si può propagare da un luogo ad un altro anche in assenza di materia. ● Tale fenomeno di trasferimento di energia può avvenire nello spazio libero (via etere) oppure può essere confinato e facilitato utilizzando appropriate linee di trasmissione (guide d’onda, cavi ecc.). Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 4 Fisica della luce DEFINIZIONI E CONCETTI ● La frequenza di una radiazione rappresenta il numero di oscillazioni effettuate dall’onda in un secondo. f = N°oscillaz / 1 secondo [Hz] ● Il periodo di un’onda è il tempo che intercorre tra due creste (ossia il tempo corrispondente ad una lunghezza d’onda). E' il reciproco della frequenza. T = 1 / f [s] ● La lunghezza d’onda è la distanza percorsa dall’onda durante un periodo di oscillazione, ossia la distanza tra due creste successive. λ = c / f [m] (c = V. della luce ≈ 3x108 m/s) ● L’ampiezza di un’onda è la massima variazione rispetto al valore medio. L’unità di misura dipende dal tipo di onda. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 5 Fisica della luce DEFINIZIONI E CONCETTI ● L’energia associata ad un’onda elettromagnetica è direttamente proporzionale alla sua frequenza. ● La frequenza di un’onda determina le modalità con cui interagisce con la materia, quindi determina le sue proprietà fisiche (che differiscono moltissimo). ● Difficilmente si trovano in natura onde elettromagnetiche ad una sola frequenza, ma piuttosto un insieme di onde a frequenze diverse. ● Lo spettro elettromagnetico rappresenta l’insieme di tutte le possibili frequenze della radiazione elettromagnetica. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 6 Fisica della luce SPETTRO ELETTROMAGNETICO Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 7 Fisica della luce SPETTRO ELETTROMAGNETICO Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 8 Fisica della luce RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI ● Lo spettro elettromagnetico viene suddiviso in: ● zona ionizzante, comprendente raggi X e raggi gamma, aventi frequenza molto alta (> 3000 THz) e dotati di energia sufficiente per ionizzare direttamente atomi e molecole provocando lesioni cellulari e mutazioni genetiche; ● zona non ionizzante (NIR), comprendente le radiazioni che non trasportano un quantitativo di energia sufficiente a produrre la rottura dei legami chimici e produrre ionizzazione. All’interno della zona non ionizzante è presente la banda di visibilità. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 9 Fisica della luce BANDA VISIBILE DELLO SPETTRO ELETTROMAGNETICO ● La luce visibile rappresenta la porzione di spettro elettromagnetico (banda) visibile dall’occhio umano, con lunghezza d’onda compresa tra circa 380 nm e 780 nm. ● A 380 nm (corta lunghezza d’onda e alta frequenza) si ha luce viola, e ancora a sinistra i raggi ultravioletti (non visibili). ● A 780 nm (ampia lunghezza d’onda e bassa frequenza) si ha luce rossa, e ancora a destra i raggi infrarossi (non visibili). ● L’occhio umano è maggiormente sensibile alle lunghezze d’onda a cavallo dei 550 nm (luce gialla). Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 10 Fisica della luce TEORIA DELL’ELETTROMAGNETISMO ● L’unificazione di tutti gli effetti elettromagnetici in un’unica teoria risale a metà dell’800 grazie a James Clerk Maxwell che elaborò la prima teoria moderna sull’elettromagnetismo. ● Maxwell riuscì a spiegare tutti i più diversi fenomeni mediante solo 4 equazioni: Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 11 L’occhio umano STRUTTURA DELL’OCCHIO Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 12 L’occhio umano MECCANISMO DI VISIONE Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 13 L’occhio umano STRUTTURA DELLA RETINA Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 14 L’occhio umano STRUTTURA DELLA RETINA I bastoncelli sono molto più numerosi dei coni, soprattutto nella zona periferica della retina. I coni sono di tre tipologie a seconda delle frequenze a cui sono sensibili. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 15 L’occhio umano STRUTTURA DELLA RETINA ● Le strutture della retina sensibili alla luce (fotorecettori) sono tre: ● Coni di tipo ‘Short’, sensibili alla luce blu; ● Coni di tipo ‘Med’, sensibili alla luce verde; ● Coni di tipo ‘Long’, sensibili alla luce rossa; ● Bastoncelli, sensibili alla luce azzurra-verde (ma non permettono di distinguere i colori). ● I coni sono meno sensibili dei bastoncelli e per attivarsi hanno bisogni di più luce, ma permettono di distinguere i colori visione fotopica (diurna). ● I bastoncelli sono più sensibili dei coni e si attivano anche con poca luce visione scotopica (notturna). Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 16 L’occhio umano SENSIBILITA’ DELL’OCCHIO UMANO ● Coni e bastoncelli hanno una propria curva di sensibilità che determina le caratteristiche della visione fotopica e scotopica. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 17 L’occhio umano SENSIBILITA’ DELL’OCCHIO UMANO ● Di giorno l’occhio è maggiormente sensibile alla lunghezza d’onda di 555nm, corrispondente alla luce gialla/verde. La sensibilità diurna dell’occhio non è casuale, ma adattata alle condizioni del pianeta. Il sole, infatti, emette la massima radiazione alla lunghezza d’onda di circa 500nm. ● Di notte l’occhio diventa più efficiente rispetto alla visione diurna (sensibilità circa 2.5 volte maggiore), ed è maggiormente sensibile alla lunghezza d’onda di 507nm, corrispondente alla luce azzurra/verde. Ecco perché i lampeggianti di polizia e ambulanze sono blu: sono più visibili di notte. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 18 Radiometria e fotometria DEFINIZIONI E CONCETTI ● La radiometria è la disciplina che si occupa della misura della quantità di energia raggiante effettiva emessa da una sorgente, o ricevuta da una superficie in tutto lo spettro della radiazione elettromagnetica. RADIAZIONI STIMOLI Radiometria Sensazioni luminose ● La fotometria è la disciplina che si occupa della misura della quantità di energia raggiante emessa da una sorgente, o ricevuta da una superficie, in relazione alle sensazioni prodotte nell’individuo attraverso l’occhio. RADIAZIONI LUCE vista dall’occhio umano Radiometria Fotometria Curve di visibilità Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 19 Radiometria e fotometria FATTORE DI VISIBILITA’ ● Il fattore di visibilità esprime il rapporto tra l’intensità della sensazione visiva percepita dall’uomo dovuta allo stimolo radiativo e l’effettiva potenza di una radiazione monocromatica. Fattore di visibilità dipendente dalla lunghezza d’onda λ [lm/W] S ( ) k ( ) e ( ) Intensità della sensazione visiva per le diverse lungh. d’onda [lm/m] Potenza della radiazione monocromatica per le diverse lunghezza d’onda [W/m] Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 20 Radiometria e fotometria CURVE DI VISIBILITA’ ● Dividendo ciascun k(λ) per il valore massimo si ottiene il fattore di visibilità relativo, sul quale si costruiscono le curve di visibilità. Fattore di visibilità relativo dipendente dalla lunghezza d’onda λ [adimensionale] k ( ) V ( ) k MAX Fattore di visibilità dipendente dalla lunghezza d’onda λ [lm/W] Fattore di visibilità massimo [lm/W] Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 21 Radiometria e fotometria DIFFERENZE TRA LE MISURAZIONI RADIOMETRICHE E FOTOMETRICHE Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 22 Fotometria GRANDEZZE FONDAMENTALI ● L’illuminotecnica si occupa del comfort visivo, perciò sono importanti le grandezze fotometriche, non quelle radiometriche. ● La fotometria definisce 4 grandezze fondamentali: ● Flusso luminoso (φ), unità di misura = lumen [lm] ● Intensità luminosa (I), unità di misura = candela [cd] ● Luminanza (L), unità di misura = candela/m2 [cd/m2] ● Illuminamento (E), unità di misura = lux [lx] = [lm/m2] ● Ciascuna delle grandezze fotometriche può essere espressa in valore totale oppure in valore spettrale (dipendente dalla singola lunghezza d’onda della radiazione). Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 23 Fotometria FLUSSO LUMINOSO ● Il flusso luminoso è la quantità totale di potenza luminosa visibile erogata da una sorgente (cioè l’energia per unità di tempo). Esprime quindi le potenzialità energetiche di una sorgente luminosa. V ( ) e ( )d Flusso luminoso [lm] Lunghezza d’onda [m] 0 Curva di visibilità Flusso spettrale di energia [W/m] Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 24 Fotometria FLUSSO LUMINOSO ● L’unità di misura del flusso luminoso è il lumen [lm] ● La misura del flusso luminoso viene effettuata sommando la potenza che viene irradiata da una sorgente in tutte le possibili direzioni, per esempio all’interno di una sfera, ed effettuando l’integrale della slide precedente. Sfera integratrice Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 25 Fotometria FLUSSO LUMINOSO ● Il flusso luminoso è una caratteristica intrinseca di una sorgente luminosa, si trova nelle schede tecniche di ogni lampada. ● Il flusso luminoso non da informazioni sul tipo di luce né sulla sua distribuzione nello spazio, ma solo sulla potenza luminosa. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 26 Fotometria INTENSITA’ LUMINOSA ● L’intensità luminosa è pari al rapporto tra il flusso luminoso e l’angolo solido. Quindi esprime la densità di flusso luminoso che viene irraggiato da una sorgente in una particolare direzione. Intensità luminosa [cd] I Flusso luminoso Angolo solido di misura ● L’angolo solido è un angolo tridimensionale. Si misura in “steradianti” [sr]. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 27 Fotometria INTENSITA’ LUMINOSA ● L’unità di misura dell’intensità luminosa è la candela [cd], pari ad 1 lumen su 1 steradiante. ● Il nome “candela” deriva dal fatto che la prima definizione di questa variabile derivava dall’intensità luminosa emessa da una candela al piombo, di quelle usate dagli idraulici per saldare i tubi. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 28 Fotometria INTENSITA’ LUMINOSA ● Attualmente la candela è l'intensità di una sorgente luminosa emessa nell'angolo solido di 1 sr, con λ=0,55 μm e di potenza pari a 1/683 W. ● La misura dell’intensità luminosa viene effettuata misurando la potenza che viene irradiata da una sorgente in una determinata direzione, diviso la superficie di misura. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 29 Fotometria INTENSITA’ LUMINOSA ● L’intensità luminosa è una caratteristica intrinseca di una sorgente luminosa e si trova nelle schede tecniche dettagliate delle lampade o degli apparecchi illuminanti, riporta mediante solidi fotometrici oppure curve fotometriche. ● Un solido fotometrico è una figura delimitata da una superficie chiusa la cui distanza dal centro è proporzionale all’intensità luminosa della sorgente. ● Le curve fotometriche sono sezioni del solido fotometrico. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 30 Fotometria INTENSITA’ LUMINOSA ● Esempio di scheda tecnica di un apparecchio illuminante con ottica asimmetrica: la curva rossa indica la fotometrica longitudinale, quella azzurra trasversale. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 31 Fotometria LUMINANZA ● La luminanza è il rapporto tra l'intensità luminosa osservata in una certa direzione e la superficie illuminante apparente (proiezione della superficie sul piano ortogonale alla direzione). Quindi esprime la densità di flusso luminoso che arriva agli occhi di un osservatore da una determinata direzione, ossia il grado di abbagliamento. I Luminanza [cd/m2][Nit] I L Aproiettata A cos Area proiettata (apparente) della superficie illuminante Intensità luminosa [cd] Coseno dell’angolo di vista Area effettiva della superficie illuminante Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 32 Fotometria LUMINANZA ● La luminanza si misura in candele su metro quadro [cd/m2] o [Nit]. ● E’ l’unica grandezza fotometrica effettivamente percepita dall’occhio umano, quindi è la più direttamente correlata alla visione: essa tiene conto non solo della quantità di energia che raggiunge l'occhio, ma anche della distribuzione spaziale all’interno del campo visivo. ● Non è una grandezza intrinseca delle sorgenti luminose, bensì dipende dalla disposizione spaziale delle sorgenti, dalla posizione dell’osservatore e dal suo campo visivo. ● La luminanza può essere calcolata matematicamente o misurata sul campo: non si conosce a priori a partire dalle sorgenti utilizzate. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 33 Fotometria LUMINANZA ● La misura della luminanza è effettuata attraverso una speciale telecamera che calcola, per ogni punto dell’immagine acquisita, il valore dell’intensità luminosa e lo divide per la superficie apparente. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 34 Fotometria ILLUMINAMENTO ● L’illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso che incide su una superficie e l’area della superficie. Quindi esprime la densità di flusso che illumina una superficie. Illuminamento [lux]=[lm/m2] E A Flusso totale incidente su una superficie Area della superficie Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 35 Fotometria ILLUMINAMENTO ● L’unità di misura dell’illuminamento è il lux [lx], pari ad 1 lumen su 1 metro quadro. ● L’illuminamento si può calcolare matematicamente o misurare strumentalmente con il luxmetro. Lo strumento va appoggiato sulla superficie di analisi e permette di misurare le densità di energia incidente. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 36 Fotometria ILLUMINAMENTO ● L’illuminamento è la grandezza più importante per la progettazione illuminotecnica poiché esprime quanto l’impianto di illuminazione riesca ad illuminare le superfici oggetto del compito visivo. [lux] Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 37 Conclusioni e sviluppi ● Grazie alle conoscenze di base sulla fisica della luce e sui fondamenti di illuminotecnica è possibile approcciare alla progettazione illuminotecnica. Prof. Ing. Marco Cecconi - Fondamenti di illuminotecnica 38 GRAZIE DELL’ ATTENZIONE Prof. Ing. Marco Cecconi [email protected]
