La radiazione visibile dall’uomo è compresa in media fra le lunghezze d’onda 400 e 760 nm (un nanometro è pari ad un miliardesimo di metro) o 4000 e 7600 Amstrong con punte di 3600 e 8000 Amstrong. In figura 1 è rappresentato lo spettro visibile: alle minori lunghezze d’onda corrisponde il violetto e alle maggiori il rosso (nell’ordine: violetto, indaco, azzurro, verde, giallo, arancione, rosso). L’occhio umano è più sensibile alla lunghezza d’onda di circa 5500 Amstrong (giallo – verde). La differenza di lunghezza d’onda percepibile dall’occhio umano va da 10 – 30 Amstrong fra 5000 e 6000 Amstrong a circa 60 Amstrong ve rso il rosso.
Le pellicole fotografiche hanno un comportamento diverso dall’occhio umano e le varie tipologie presenti sul mercato presentano sensibilità differenti, più o meno marcate verso certe lunghezze d’onda. La lunghezza d’onda è data dal prodotto della velocità della luce (c) per il periodo dell’onda (T) o dal rapporto fra la velocità della luce (c = 300.000.000 m/s) e la frequenza:
l = c x T = c / f
quindi 4000 / 7600 Amstrong corrispondono alle frequenze di 750 / 395 Mhz.
Il flusso luminoso rappresenta la quantità di luce od energia raggiante emessa da una sorgente nell’unità di tempo:
F = Q / t = quantità di luce/tempo
da cui si deduce che il flusso luminoso è una potenza (energia diviso tempo). Il flusso luminoso si può calcolare anche moltiplicando la potenza per un coefficiente di visibilità variabile con la lunghezza d’onda. L’unità di misura del flusso luminoso è il lumen (lm) che corrisponde al flusso luminoso emesso da una sorgente di luce puntiforme di intensità (I) pari ad una candela (cd) ed uscente dalla superficie di un metro quadrato di superficie sferica con raggio pari a un metro (steradiante) (figura 2).
L’efficienza luminosa è pari al rapporto fra il flusso luminoso (lm) emesso da una sorgente luminosa e la potenza elettrica assorbita (watt, W):
E = F/P
L’efficienza luminosa come appunto dice anche la parola esprime l’efficienza di una lampada, si misura in lm/W ed è una funzione variabile con il tipo di lampada.
L’equivalente meccanico della luce è pari a 621 lm/W, quindi se tutta l’energia elettrica assorbita dalla lampada fosse trasformata in flusso luminoso nell’unità di tempo, la potenza di 1 watt darebbe 621 lm. Facciamo notare che l’efficienza luminosa, per la stessa classe di lampada, oltre che dipendere dal tipo di lampada prodotta (normale, super, de luxe), in linea di massima, è minore alle potenze ridotte (50 – 100 W) e maggiore alle potenze maggiori, in genere adoperate nei fari (400 – 3500 W). Per avere il valore preciso bisogna consultare i cataloghi dei costruttori di lampade.
Analizziamo il processo fisico che descrive l’efficienza luminosa. La lampada ha una potenza nominale in watt che nel tempo determina l’energia assorbita (si veda l’appendice 2); in uscita dalla lampada troviamo il flusso luminoso che è minore della potenza assorbita in quanto nel passaggio entrata/uscita ci sono le perdite, la formula seguente evidenzia quanto detto:
Pu = P – Pp
dove Pu è la potenza luminosa in uscita, cioè il flusso luminoso, P la potenza elettrica assorbita dalla lampada, Pp la potenza perduta e quindi non trasformata in energia raggiante. La potenza perduta è dovuta al processo non ideale di trasformazione della potenza elettrica in potenza raggiante a causa delle seguenti perdite: addizionali (esempio contatti), per effetto Joule (nelle lampade ad incandescenza tale effetto, riguardo al filamento, non costituisce solo una perdita ma bensì la base di funzionamento), per riflessione ed assorbimento della luce emessa da parte del bulbo in vetro che si trasforma in calore disperso dal bulbo stesso per conduzione verso l’esterno, interne per convenzione, per emissione nel campo dell’invisibile (raggi ultravioletti ed infrarossi), per una scarica non ideale dei gas, ecc.).
In pratica la lampada è un “trasduttore” di energia: l’energia elettrica in entrata viene trasformata in energia raggiante, chiaramente con rendimento minore di 1. Una efficienza luminosa elevata significa un processo di trasformazione “più pulito” dell’energia elettrica in energia raggiante.
Quindi, ritornando ai 621 lm/watt teorici, constatiamo che una lampada con efficienza luminosa pari a 62 lm/watt e di potenza pari a 100 W emette 6.200 lumen, contro i 62.100 lm/watt teorici con un efficienza del 10%! e perdite pari al 90%. Una lampada al sodio B.P. da 186 lm/watt e potenza pari a 100 W ha un rendimento del 30%.
L’intensità luminosa si calcola con la formula:
I = dF/dw
dove dF è il flusso luminoso in una direzione, emesso dalla sorgente luminosa all’interno di un piccolo cono e dw è l’angolo solido del cono stesso. In pratica l’intensità luminosa non è altro che la densità di flusso in una certa direzione (figura 3). L’unità di misura dell’intensità luminosa è la Nozioni di illuminotecnica – 3 – candela (cd) e corrisponde all’intensità luminosa emessa da un corpo nero ad una temperatura di 1766 gradi centigradi (fusione del platino), alla frequenza di 540 x 1012 Hz, in direzione perpendicolare ad un foro di uscita con un’area pari a 1/600 000 metri quadrati sotto la pressione di 101,325 Pascal (1 Pascal è uguale ad 1 Newton diviso 1 metro quadrato).
Per semplificare la formula dell’intensità luminosa di cui sopra si può definire l’intensità luminosa media sferica (sfera di raggio pari a 1 metro) Im di una sorgente ideale emettente lo stesso flusso della sorgente considerata, con una intensità identica in tutte le direzioni (isotropa):
Im = F/4pinfatti la superficie di una sfera è data dalla formula 4p R2, da cui si può desumere che se Im è pari ad 1 candela, il flusso luminoso emesso è pari a 12,56 lm. L’intensità luminosa è importante in quanto costituisce la parte fondamentale della curva fotometrica.
L’illuminamento è pari al rapporto fra il flusso luminoso incidente ortogonalmente su una superficie e l’area della superficie che riceve il flusso, quindi una densità di flusso:
L = dF/dA
L’unità di misura dell’illuminamento è il lux (lm/m2). Il lux è definito come il flusso luminoso emesso da una sorgente luminosa (situata al centro di una sfera) con una intensità luminosa di 1 candela che illumina una superficie di 1 mq (si veda la figura 2). L’illuminamento varia con l’inverso del quadrato della distanza dalla sorgente luminosa (figura 4).
La luminanza è pari al rapporto fra l’intensità luminosa emessa in una certa direzione e l’area della superficie emittente perpendicolare alla direzione:
U = dI/dA
La luminanza si misura in cd/m2; 1 cd/m2 equivale al flusso luminoso emesso per unità di angolo solido (intensità luminosa di 1 candela) entro un’area unitaria perpendicolare alla direzione del flusso luminoso. Nel caso che il flusso luminoso non sia perpendicolare alla superficie, allora bisogna dividere U per cos y, dove y è l’angolo fra flusso ed ortogonale alla superficie (figura 5). La luminanza è importante in quanto deve essere sufficiente ed uniforme al fine di riconoscere il percorso, i pedoni ed eventuali ostacoli. Valori troppo elevati di luminanza delle sorgenti portano a abbassare il contrasto e quindi ad uno scarso riconoscimento dei pedoni od ostacoli. In pratica, la sensazione visiva dell’occhio umano, quando percepisce la luce direttamente emessa da una sorgente o riflessa da una superficie, è funzione della luminanza.
Forniamo, come esempio, alcuni valori indicativi di luminanza (cd/m2):
La luminosità si calcola dividendo il flusso luminoso emesso per l’area della superficie irraggiante:
U =dF/dA
La luminosità si misura in lm/mq; 1 Lambert è il flusso luminoso di 1 lumen emesso in un emisfero da un’area unitaria della superficie irraggiante.
Il rendimento luminoso è dato dal rapporto fra il flusso luminoso emesso dalla lampada verso l’esterno ed il flusso luminoso emesso dalla sorgente (esempio filamento della lampada ad incandescenza):
h = F/Fs
dove F è il flusso emesso verso l’esterno e Fs il flusso luminoso emesso dalla sorgente.
La resa dei colori o resa cromatica è una valutazione qualitativa sull’aspetto cromatico degli oggetti illuminati ed è pari a:
L’indice di colore “Ra” permette di ottenere una valutazione oggettiva riguardo alla resa di colore della sorgente luminosa emittente. L’indice Ra è posto pari a 100 quando la sorgente emittente la luce ha lo stesso effetto della sorgente luminosa di riferimento. L’indice di resa cromatica è funzione indiretta della differenza di resa dei colori, cioè tanto minori sono i valori di Ra tanto più grande è la differenza nella resa dei colori.
La temperatura di colore, la cui unità di misura è il grado Kelvin (K), ha come riferimento l’emissione del corpo nero o la curva di Plank. La parte della radiazione visibile preponderante è funzione diretta della temperatura di colore “Tc”, cioè tanto più grande è Tc tanto più si Nozioni di illuminotecnica – 5 – accentua la parte azzurra della radiazione, mentre per valori piccoli di Tc si accentua la parte rossa della radiazione visibile. Ad esempio, la luce emessa da una lampada ad incandescenza ha Tc pari a circa 2.700 K, mentre la luce diurna a mezzogiorno presenta un valore di Tc pari a 6.000 K.
La tonalità di luce è funzione della temperatura di colore. Riportiamo alcune grandezze indicative:
Un esempio può chiarire il significato delle ultime tre grandezze trattate: una lampada agli alogenuri sia contraddistinta dalla sigla 1A – Ra 90-100 – > 5000 K; 1A è il grado di resa dei colori, 90 – 100 rappresenta l’indice di resa dei colori, > 5.000 K è la temperatura di colore che da indirettamente la tonalità di luce, nel caso diurna.
