Quantitats d'il·luminació: flux lluminós, intensitat de la llum, il·luminació, lluminositat, lluminositat
1. Flux lumínic
Flux lluminós: el poder de l'energia radiant, tal com es jutja per la sensació de llum que produeix. L'energia radiant està determinada pel nombre de quants emesos per l'emissor a l'espai. L'energia radiant (energia radiant) es mesura en joules. La quantitat d'energia emesa per unitat de temps s'anomena flux radiant o flux radiant. El flux radiant es mesura en watts. El flux lluminós es denota amb Fe.
on: Qе — energia de radiació.
El flux de radiació es caracteritza per una distribució de l'energia en el temps i l'espai.
En la majoria dels casos, quan parlen de la distribució del flux de radiació al llarg del temps, no tenen en compte la naturalesa quàntica de l'aparició de la radiació, sinó que l'entenen com una funció que dóna un canvi en el temps dels valors instantanis. del flux de radiació Ф (t). Això és acceptable perquè el nombre de fotons emesos per la font per unitat de temps és molt gran.
Segons la distribució espectral del flux de radiació, les fonts es divideixen en tres classes: amb espectres lineals, ratllats i continus. El flux de radiació d'una font amb un espectre lineal consisteix en fluxos monocromàtics de línies individuals:
on: Фλ — flux de radiació monocromàtica; Fe: flux de radiació.
Per a les fonts d'espectre de bandes, l'emissió es produeix en regions espectrals força amples: bandes separades entre si per buits foscos. Per caracteritzar la distribució espectral del flux de radiació amb espectres continus i en bandes, s'utilitza una quantitat anomenada densitat de flux de radiació espectral.
on: λ és la longitud d'ona.
La densitat del flux de radiació espectral és una característica de la distribució del flux de radiació sobre l'espectre i és igual a la relació del flux elemental ΔFeλ corresponent a una secció infinitesimal a l'amplada d'aquesta secció:
La densitat de flux de radiació espectral es mesura en watts per nanòmetre.
En l'enginyeria de la il·luminació, on l'ull humà és el principal receptor de radiació, s'introdueix el concepte de flux lluminós per avaluar l'acció efectiva del flux de radiació. El flux lluminós és el flux de radiació estimat a partir del seu efecte sobre l'ull, la sensibilitat espectral relativa del qual està determinada per la corba d'eficiència espectral mitjana aprovada pel CIE.
La següent definició de flux lluminós també s'utilitza en tecnologia d'il·luminació: el flux lluminós és la potència de l'energia lluminosa. La unitat de flux lluminós és el lumen (lm). 1 lm correspon al flux lluminós emès en un angle sòlid únic per una font puntual isòtropa amb una intensitat lluminosa d'1 candela.
Taula 1.Valors lluminosos típics de les fonts de llum:
Tipus de làmpades Energia elèctrica, W Flux lluminós, lm Eficiència lluminosa lm / w Làmpada incandescent 100 watts 1360 lm 13,6 lm / W Làmpada fluorescent 58 watts 5400 lm 93 lm / W Làmpada de sodi d'alta pressió 100 watts 10000 lm / W baix làmpada de sodi a pressió 180 watts 33000 lm 183 lm / W Làmpada de mercuri d'alta pressió 1000 watts 58000 lm 58 lm / W Làmpada d'halogenurs metàl·lics 2000 watts 190 000 lm 95 lm / W El flux lluminós Ф es reparteix en tres components del cos: es reflecteix en tres components Ф pel cos Фρabsorbit per Фα i el perdut Фτ... At càlculs d'il·luminació factors d'utilització: reflexions ρ = Fρ/ F; absorció α= Fα/ F; transmissió τ= Fτ/ Ф.
Taula 2. Característiques de la llum d'alguns materials i superfícies
Materials o superfícies Coeficients Reflexió i comportament de transmissió reflexió ρ absorció α transmissió τ guix 0,85 0,15 — Esmalt silicat difús 0,8 0,2 — Mirall d'alumini difús 0,85 0,15 — Mirall de vidre punxegut 0,8 0 ,2 — Vidre esmerilat dirigit, 5 0,4 Vidre de llet bio difusa dirigida 0,22 0,15 0,63 Vidre de silicat d'òpal difusa dirigida 0,3 0,1 0,6 Vidre de silicat de llet difusa 0, 45 0,15 0,4
2. Intensitat de la llum
La distribució de la radiació d'una font real a l'espai circumdant no és uniforme.Per tant, el flux lluminós no serà una característica exhaustiva de la font si no es determina simultàniament la distribució de la radiació en diferents direccions de l'espai circumdant.
Per caracteritzar la distribució del flux de llum, s'utilitza el concepte de densitat espacial del flux de llum en diferents direccions de l'espai circumdant. La densitat espacial del flux lluminós, que ve determinada per la relació entre el flux lluminós i l'angle sòlid amb l'àpex en el punt on es troba la font, dins del qual aquest flux es distribueix uniformement, s'anomena intensitat lluminosa:
on: Ф — flux lluminós; ω — angle sòlid.
La unitat d'intensitat de la llum és la candela. 1 cd.
Aquesta és la intensitat lluminosa emesa perpendicularment per un element de superfície de cos negre d'àrea 1:600.000 m2 a la temperatura de solidificació del platí.
La unitat d'intensitat de la llum és la candela, cd és una de les magnituds principals del sistema SI i correspon a un flux lluminós d'1 lm uniformement distribuït en un angle sòlid d'1 esteradian (cf.). Un angle sòlid és la porció d'espai tancada en una superfície cònica. Angle sòlid ω mesurat per la relació entre l'àrea que talla d'una esfera de radi arbitrari i el quadrat d'aquesta última.
3. Il·luminació
La il·luminació és la quantitat de llum o flux lluminós que cau sobre una superfície de la unitat. Es denota amb la lletra E i es mesura en lux (lx).
La unitat d'il·luminació lux, lx, es mesura en lumens per metre quadrat (lm/m2).
La il·luminació es pot definir com la densitat del flux de llum a la superfície il·luminada:
La il·luminació no depèn de la direcció de propagació del flux de llum a la superfície.
Aquests són alguns indicadors de luminància comunament acceptats:
-
Estiu, un dia sota un cel sense núvols: 100.000 lux
-
Enllumenat públic — 5-30 lux
-
Lluna plena en una nit clara: 0,25 lux
4. La relació entre la intensitat de la llum (I) i la il·luminació (E).
Llei del quadrat invers
La il·luminació en un punt determinat de la superfície, perpendicular a la direcció de propagació de la llum, es defineix com la relació entre la intensitat de la llum i el quadrat de la distància des d'aquest punt a la font de llum. Si prenem aquesta distància com a d, aquesta relació es pot expressar amb la fórmula següent:
Per exemple: si una font de llum emet llum amb una potència de 1200 cd en una direcció perpendicular a la superfície a una distància de 3 metres d'aquesta superfície, aleshores la il·luminació (Ep) en el punt on la llum arriba a la superfície serà de 1200 /32 = 133 lux. Si la superfície es troba a una distància de 6 m de la font de llum, la il·luminació serà de 1200/62 = 33 lux. Aquesta relació s'anomena llei del quadrat invers.
La il·luminació en un punt determinat d'una superfície que no és perpendicular a la direcció de propagació de la llum és igual a la intensitat de la llum en la direcció del punt de mesura dividida pel quadrat de la distància entre la font de llum i un punt del pla multiplicat per el cosinus de l'angle γ (γ és l'angle format per la direcció d'incidència de la llum i la perpendicular a aquest pla).
Per tant:
Aquesta és la llei dels coseus (figura 1).
Arròs. 1. A la llei dels coseus
5. Il·luminació horitzontal
Per calcular la il·luminació horitzontal, es recomana modificar l'última fórmula substituint la distància d entre la font de llum i el punt de mesura per l'alçada h de la font de llum a la superfície.
Figura 2:
Llavors:
Obtenim:
Aquesta fórmula calcula la il·luminació horitzontal al punt de mesura.
Arròs. 2. Il·luminació horitzontal
6. Il·luminació vertical
La il·luminació del mateix punt P en un pla vertical orientat cap a la font de llum es pot representar en funció de l'alçada (h) de la font de llum i de l'angle d'incidència (γ) de la intensitat de la llum (I) (Figura 3). ).
Obtenim:
Arròs. 3. Il·luminació vertical
7. Il·luminació
Per caracteritzar les superfícies que brillen a causa del flux de llum que les travessa o es reflecteix, s'utilitza la relació entre el flux de llum emès per l'element de superfície i l'àrea d'aquest element. Aquesta magnitud s'anomena lluminositat:
Per a superfícies de dimensions limitades:
La il·luminació és la densitat del flux de llum emès per la superfície de la llum. La unitat d'il·luminació és el lumen per metre quadrat de la superfície lluminosa, que correspon a una superfície d'1 m2 que emet uniformement un flux lluminós d'1 lm. En el cas de la radiació total, s'introdueix el concepte de lluminositat energètica del cos radiant (Me).
La unitat de llum radiant és W/m2.
La brillantor en aquest cas es pot expressar per la densitat espectral de la lluminositat energètica del cos emissor Meλ (λ)
Per a una avaluació comparativa, aportem les lluminositats energètiques a les lluminositats d'algunes superfícies:
-
Superfície solar — Me = 6 • 107 W / m2;
-
Filament incandescent — Me = 2 • 105 W / m2;
-
La superfície del sol al seu zenit — M = 3,1 • 109 lm / m2;
-
Bombeta fluorescent — M = 22 • 103 lm / m2.
8. Lluminositat
Brillantor La brillantor de la llum emesa per una unitat de superfície en una direcció determinada. La unitat de mesura de la brillantor és la candela per metre quadrat (cd/m2).
La pròpia superfície pot emetre llum, semblant a la superfície d'un llum, o reflectir la llum que prové d'una altra font, com ara una superfície de carretera.
Les superfícies amb diferents propietats reflectants sota la mateixa il·luminació tindran diferents graus de brillantor.
La brillantor emesa per la superfície dA en un angle Φ respecte a la projecció d'aquesta superfície és igual a la relació entre la intensitat de la llum emesa en una direcció determinada i la projecció de la superfície emissora (Fig. 4).
Arròs. 4. Lluminositat
La intensitat de la llum i la projecció de la superfície emissora són independents de la distància. Per tant, la brillantor tampoc depèn de la distància.
Alguns exemples pràctics:
-
Brillantor de la superfície solar — 2.000.000.000 cd / m2
-
Brillantor de les làmpades fluorescents: de 5000 a 15000 cd / m2
-
Brillantor superficial d'una lluna plena — 2500 cd/m2
-
Il·luminació viària artificial — 30 lux 2 cd/m2