Diapositiva 1

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
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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.
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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.).
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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.
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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.
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Fisica della luce
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
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Fisica della luce
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
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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.
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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).
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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:
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L’occhio umano
STRUTTURA DELL’OCCHIO
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L’occhio umano
MECCANISMO DI VISIONE
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L’occhio umano
STRUTTURA DELLA RETINA
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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.
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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).
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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.
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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.
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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
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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]
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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]
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Radiometria e fotometria
DIFFERENZE TRA LE MISURAZIONI RADIOMETRICHE E FOTOMETRICHE
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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).
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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]
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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
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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.
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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].
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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.
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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.
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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.
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Fotometria
INTENSITA’ LUMINOSA
● Esempio di scheda tecnica di un apparecchio illuminante con ottica
asimmetrica: la curva rossa indica la fotometrica longitudinale, quella azzurra
trasversale.
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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
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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.
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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.
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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
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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.
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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]
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Conclusioni e sviluppi
● Grazie alle conoscenze di base sulla fisica della luce e sui fondamenti di
illuminotecnica è possibile approcciare alla progettazione illuminotecnica.
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GRAZIE DELL’ ATTENZIONE
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