Iluminatul electric - Notiuni fundamentale asupra iluminatului electric, Proprietati ale suprafetelor iluminate

Iluminatul electric

1 Notiuni fundamentale asupra iluminatului electric

Problematica

- lumina, radiatie electromagnetica - caracterul dual unda si cuanta

- spectrul de radiatie, radiatii monocromatice (culori fundamentale)

- eficacitate luminoasa relativa V(l

- vizibilitate/performanta vizuala - criteriile principale ale iluminatului

- marimi energetice - marimi fotometrice

- flux luminos - definitie, unitate de masura; efcicacitate luminoasa

- intensitate luminoasa - definitie, unitate de masura, curba fotometrica, izocandela

- iluminare - definitie, unitate de masura, curba izolux, legile iluminarii

- luminanta – definitie, unitate de masura, distributia luminantei, curba limita

- emitanta (radianta) luminoasa – definitie, unitate de masura

- factori fotometrici – reflexie, absorbtie, transmisie

- corpuri colorate, necolorate

- suprafete perfect difuze, legea Lambert

Lumina - radiatie si unda

Omul este o fiinta dependenta de lumina. Toate simturile noastre sunt fireste importante, dar perceptia vizuala este recunoscuta ca fiind cea mai importanta legatura cu mediul ambiant. Aproape 80% din toate informatiile ajung la creier prin ochi si, astfel, influenteaza ntr-un mod decisiv actiunile umane. Vederea este posibila multumita luminii - luminii naturale a soarelui, luminii solare reflectate de luna si luminii artificiale.

Cercetatorii au fost si sunt mereu preocupati de cerintele pe care trebuie sa le ndeplineasca o instalatie de iluminat pentru ca perceptia vizuala sa fie corespunzatoare. nca din anul 1925, profesorul german Teischm ller afirma “Noi spunem ca iluminatul este bun, daca ochii nostri pot sa perceapa clar si placut lucrurile din jurul nostru”. Aceste doua conditii, ce precizeaza ca iluminatul trebuie sa fie at t functional c t si placut, sunt pe deplin recunoscute si azi.

Un poet rugat sa defineasca “versul” a raspuns ca i este mult mai usor sa spuna “ceea ce nu este” si a continuat “Noi toti stim ce este lumina, dar nu este usor sa spunem ce este lumina” n fapt, lumina are nevoie de doua teorii pentru a fi explicata n mod satisfacator.

Teoria undelor electromagnetice a luminii a fost interpretarea clasica a secolului 19. Din aceasta perspectiva, definitia este “Lumina este evaluarea vizuala a energiei radiante”. Viteza de deplasare a radiatiei electromagnetice si, astfel, a luminii, n vid, nu este doar cea mai mare viteza posibila, ci de asemenea, singura cunoscuta ca fiind constanta n univers c=2,998 10⁸ m/s (300.000 km/s). Faptul ca c este constanta implica o relatie fixa ntre lungimea de unda l si frecventa radiatiei electromagnetice n, determinata de

c=ln

Aceasta teorie si-a gasit sf rsitul odata cu descoperirea efectului fotovoltaic n ultimii ani ai secolului 19. ntr-o celula fotoelectrica supusa unui fascicul luminos se produce o deplasare de electroni ntre cei doi electrozi. Conform caracterului de unda electromagnetica al luminii incidente, energia necesara unui electron pentru a se putea deplasa n interiorul celulei poate fi obtinuta n urma transportului acesteia de catre unda luminoasa timp de un an! Dar experimentul dovedea ca deplasarea electronilor se producea imediat ce fotocelula era expusa luminii. n 1905, Albert Einstein a dezvoltat o idee propusa de Max Plank prin care a explicat fenomenul fotovoltaic. Lumina calatoreste ca un curent de mici pachete de energie denumite cuante. Pentru o frecventa a luminii, n, cuanta are o cantitate de energie data de relatia

E=hn

unde h=6,6256 10^-27 erg/sec este constanta lui Plank.

n 1929, de Broglie a primit premiul Nobel pentru ipoteza care a reunit cele doua teorii: n functie de lungimea de unda a radiatiei, este dominant fie aspectul de unda, fie aspectul de particula (particula cu masa zero, cuanta de energie, foton). În spectrul radiatie electromagnetice, undele radio sunt strict unde, n timp ce razele cosmice sunt (se comporta ca) particule. n ce priveste lumina, unele aspecte sunt descrise optim prin teoria undelor (viteza de deplasare, fenomenele de reflexie, refractie, absorbtie, interferenta si polarizare), n timp ce altele necesita o abordare cuantica (radiatia descarcarii electrice n vapori metalici sau gaze, efectul fotovoltaic).

Figura 1.1 Spectrul radiatiei electromagnetice.

Din multitudinea de manifestari ale radiatiei electromagnetice, lumina este portiunea din spectrul electromagnetic pe care sistemul vizual al omului o poate detecta – Figura 1.1. Este deci radiatia electromagnetica perceputa de un ochi normal ca o senzatie vizuala. Spectrul vizibil acopera lungimea de unda ntre 380 760 nm si este ncadrat de radiatiile UV - ultraviolete (180 - 380 nm) si IR - infrarosii (760 - 5000 nm). Fiecare banda din spectrul vizibil produce o senzatie diferita de culoare. Spectrul vizibil poate fi divizat n sase zone, corespunzatoare culorilor fundamentale: violet (380-440 nm), albastru (440-490 nm), verde (490-560 nm), galben (560-590 nm), portocaliu (590-630 nm), rosu (630-760 nm). Fenomenul senzatiei de culoare care implica interactiunea energiei radiante vizibile cu sistemul vizual uman este un concept foarte important. Daca sistemul vizual este stimulat cu o energie radianta pura de 500 nm, subiectul va raspunde ca lumina este “verde”; daca lungimea de unda este schimbata la 585 nm, raspunsul va fi ca lumina este “galbena”. Compozitia spectrala a luminii este importanta pentru senzatia de culoare produsa

Retina ochiului uman contine doua tipuri de celule receptoare: conuri si bastonase. Acestea transforma energia radianta n energie chimica care, la r ndul ei, provoaca impulsuri electrice transmise prin nervul optic catre creier. Bastonasele sunt sensibile la niveluri scazute de lumina fiind responsabile cu vederea pe timp de noapte (vedere scotopica). Conurile sunt mai putin sensibile, dar pot face fata nivelurilor ridicate de lumina din timpul zilei (vedere fotopica

	Figura 1.2 Curbele de sensibilitate spectrala relativa		Figura 1.3 Observatorul CIE Standard fotopic V(λ) si scotopic V’(λ)

Perceptia culorii este determinata de existenta a trei clase diferite de conuri. Fiecare con contine un anumit tip de pigment si fiecare pigment are un anumit raspuns spectral, caracterizat de o curba de sensibilitate spectrala. Sunt trei astfel de curbe caracteristice, av nd v rfurile la lungimile de unda 445, 535 si 570 nm – Figura 1. Desi fiecare curba acopera ntregul spectru vizibil, receptoarele de culoare sunt specificate prin denumirile respective - conuri albastre, verzi si rosii. Conform acestei teorii, vederea colorata normala este o functie de prezenta celor trei pigmenti n cele trei clase de conuri. Lipsa unui pigment duce la lipsa perceptiei reale a culorilor, cum este daltonismul, n care nu se poate face distinctia ntre rosu si verde.

La trecerea de la un mediu ntunecat catre un mediu luminos, sistemul vizual trebuie sa se “adapteze la lumina”; adaptarea implica sistemul de conuri si dureaza mai putin de un minut. La trecerea inversa, de la lumina la ntuneric, sistemul vizual se “adapteaza la ntuneric” ntr-un interval de timp de circa o ora; perceptia vizuala trece de la conuri spre bastonase. ntruc t bastonasele nu contin pigmenti “colorati”, perceptia nocturna este lipsita de culoare; de aici expresia ca “noaptea toate pisicile sunt gri (negre)”, la fel, din aceasta cauza la caderea serii (dupa apusul soarelui) imaginile si pierd frumusetea colorata din timpul zilei si totul devine gri, din ce n ce mai nchis.

Sensibilitatea ochiului uman la radiatiile luminoase variaza n functie de lungimea de unda a acestora, fiind maxima n cazul vederii diurne, la culoarea galben-verde (l₀=555 nm). CIE (Commission International de l’Eclairage) a introdus n 1933 eficacitatea luminoasa relativa V(l (numita si sensibilitate luminoasa spectrala relativa) – Figura 1.3.

Vederea în timpul zilei – vederea fotopica - se datoreaza conurilor care sunt sensibile la o luminanta mai mare de 3 cd/m², iar vederea în timpul noptii – vederea scotopica - se datoreaza activarii bastonaselor, celule sensibile la un nivel de luminanta mai mic de 0,001 cd/m Vederea pe timpul înserarii – vederea mezopica - este definita în perioada din zi în care luminanta are o valoare intermediara între limitele vederii scotopice-fotopice, fiind activate în mica masura atât conurile cât si bastonasele.

Cerintele iluminatului

Sarcina vizuala este foarte diferita n raport cu tipul activitatii desfasurate, de la citirea unei carti la asamblarea unor componente electronice. Caracteristicile sarcinii vizuale determina conditiile cerute unui sistem de iluminat. O proiectare si o executie ngrijite sunt cerinte apriorice pentru un iluminat artificial de buna calitate.

Criteriile principale n proiectarea iluminatului pentru o aplicatie data sunt vizibilitatea si satisfactia vizuala corelate cu costurile de instalare si functionare

(a) Vizibilitatea/performanta vizuala Performanta unei anumite persoane pentru o sarcina data este determinata n mod esential at t de abilitatea c t si de atitudinea sa fata de ndeplinirea sarcinii respective. Iluminatul, alaturi de alti factori fizici ai ambientului, poate potenta aceasta performanta. Performanta vizuala este termenul ce evalueaza informatia  procesata de sistemul vizual, masurata prin viteza si acuratetea cu care o sarcina vizuala (parte componenta a unei sarcini complexe) este ndeplinita. Vizibilitatea unei sarcini vizuale este n general determinata prin vizibilitatea celui mai dificil element care trebuie detectat sau recunoscut, numit detaliu critic. Vizibilitatea unui detaliu depinde de mai multi factori, printre care: dimensiunea unghiulara a detaliului (unghiul sub care este vazut detaliul de catre ochi, dependent de dimensiunea detaliului si distanta p na la ochi), luminanta si culoarea detaliului, contrastul ntre luminantele si culorile detaliului si fondului, timpul disponibil pentru observare, forma detaliului, similitudinea n forma si textura ntre detaliu si alte elemente din imediata vecinatate, pozitia detaliului n c mpul vizual.

(b) Satisfactia vizuala Acest termen descrie masura n care conditiile vizuale reale ale iluminatului sunt acceptate de catre utilizatori. Pentru instalatii interioare, este determinata de usurinta cu care se desfasoara munca, ca si de caracterul placut sau agreabil al mediului, at t n momentele n care atentia este concentrata pe sarcina vizuala, c t si n clipele de relaxare. Desigur, satisfactia vizuala este afectata de ambianta luminoasa si de preferintele individuale.

(c) Costul iluminatului. Economii semnificative n consumul energiei electrice si, astfel, n cost pot fi obtinute fara scaderea performantei si satisfactiei vizuale printr-o proiectare judicioasa si exploatare optima a instalatiilor de iluminat. Masurile de eficienta energetica vizeaza micsorarea puterii instalate si a timpului de functionare a iluminatului electric. Pentru atingerea acestor obiective se folosesc cele mai eficiente lampi adecvate aplicatiei, se ntrebuinteaza n mod optim fluxul luminos emis de lampi, se ntretine echipamentul de iluminat n buna stare de functionare, se dimensioneaza iluminatul dupa scheme eficiente energetic, se controleaza operatiile de conectare si folosire a instalatiei de iluminat prin corelarea acesteia cu iluminatul natural disponibil si cu necesitatile utilizatorilor si se asigura o ambianta luminoasa c t mai placuta

Calitatea iluminatului sub aspect fotometric (luminotehnic) realizat de un anumit sistem de iluminat poate fi descrisa prin urmatorii parametri:

nivelul de iluminare si uniformitatea iluminarii;

evitarea sau limitarea orbirii (distributia luminantei);

culoarea aparenta si redarea culorilor;

modelarea.

Factorii calitativi ai iluminatului au ponderi diferentiate n functie de destinatia si arhitectura unei ncaperi. Accentul poate sa cada pe: performanta vizuala, prin alegerea corespunzatoare a nivelului de iluminare si limitarea orbirii; confortul vizual, prin redarea culorilor si distributia luminantei; ambianta vizuala prin selectarea culorii luminii, directiei luminii si modelare – Figura 1.4.

Figura 1.4 Parametrii calitatii iluminatului interior

Legile radiatiei termice

Corpurile care emit radiatii electromagnetice ca rezultat al cresterii temperaturii proprii se numesc radiatoare termice. Cantitatea de energie radiata pe ntreg domeniul lungimilor de unda de un corp negru ncalzit la o anumita temperatura este exprimata prin legea lui Stefan-Bolzmann

,

distributia spectrala a energiei radiate respect nd legea lui Plank

,

n care s = 5,73 10^-8 W/m²K⁴; T – temperatura de ncalzire a corpului negru, K; c₁ = 3,741 10^-16 Wm², c₂ = 1,4388 10^-2 mK, l - lungimea de unda, mm.

Legea deplasarii maximului (legea a 2-a Wien)

evidentiaza reducerea lungimii de unda pentru care se obtine maximul energiei radiate odata cu cresterea temperaturii corpului si este reprezentata grafic prin linia punctata din figura 1.5. Cresterea temperaturii radiatorului determina o crestere rapida a cantitatii de energie emise, cu o contributie sporita a lungimilor de unda mai mici, deci si a eficientei radiatorului termic. Eficienta maxima la lungimea de unda l₀=555 nm se obtine la temperatura de 5195 K ce nu poate fi atinsa de wolframul care se topeste la temperaturi inferioare acestei valori. Deoarece în spectrul de radiatii al unui radiator termic apar toate lungimile de unda, chiar daca cu aporturi energetice diferite, fenomenul de incandescenta este caracterizat printr-un spectru continuu.

Figura 1.5 Spectrul radiatie termice

Marimi fotometrice

C nd consideram lumina ca o radiatie electromagnetica “vizibila”, avem n vedere pe de o parte energia, iar pe de alta parte senzatia produsa asupra ochiului - doua aspecte deosebite. Acest fapt creaza dificultati n evaluarea luminii sub aspect cantitativ. Pentru rezolvarea problemei, s-a introdus conventia, care este conforma cu practica ingineriei iluminatului, de a utiliza produsul dintre energia radianta si sensibilitatea ochiului. Astfel, lumina este privita ca o radiatie masurata n termenii sensibilitatii ochiului uman. Marimile fotometrice sunt astfel marimi energetice evaluate prin senzatia luminoasa produsa. Fluxul radiant, masurat n W, devine flux luminos, masurat n W-lumina

Exemplu. Doua surse de lumina radiaza 100 W pe lungimile de unda de 490 nm, respectiv 510 nm. Care sunt fluxurile luminoase echivalente? Dar daca sursa radianta emite pe lungimea de unda de 1000 nm?

Solutie. Din curba eficacitatii luminoase relative V(l) se obtin valorile corespunzatoare V(490 nm)=0,2, respectiv V(510 nm)=0,5. Fluxul luminos pentru fiecare sursa de lumina este 100 0,2=20 W-lumina, respectiv 100 0,5=50 W-lumina. Sursa ce emite pe 1000 nm nu produce senzatie luminoasa ntruc t aceasta lungime de unda este nafara spectrului vizibil si V(1000 nm)=0. Radiatia respectiva este n domeniul infrarosu.

Fluxul luminos F este energia radiata de o sursa de lumina ntr-o secunda (flux de energie), ponderat cu eficacitatea luminoasa relativa. Unitatea de masura a fluxului luminos este derivata din unitatea de masura a intensitatii luminoase, candela. O sursa de lumina care radiaza uniform n spatiu o intensitate luminoasa de 1 candela emite ntr-un unghi solid de 1 steradian un flux luminos de 1 lumen. Echivalentul fotometric al radiatiei este egal cu 683 lm/W, ceea ce nseamna ca 1 W radiat pe lungimea de unda l₀=555 nm este egal cu 683 lm.

Fluxul luminos al unei radiatii monocromatice av nd lungimea de unda l este

F=683 V(l F_e l lm.

Fluxul luminos al unei surse de lumina cu un spectru de radiatie discontinuu, ce emite simultan radiatii pe mai multe lungimi de unda – Figura 1.6, a -, cum este cazul lampilor fluorescente, cu vapori de mercur de înalta presiune sau de sodium, este dat de suma fluxurilor monocromatice componente.

a) b)

Figura 1.6 Spectre de radiatie ale unor surse de lumina

a) Spectru discontinuu, lampa fluorescenta;

b) Spectru continuu – lampa cu incandescenta, lumina soarelui, lampa cu sulf

n cazul unui spectru de radiatie continuu – Figura 1.6, b -, caracteristic luminii soarelui, a lampii cu incandescenta sau a lampii cu microunde cu sulf, fluxul luminos se determina prin integrarea densitatii spectrale de flux de energie radianta n domeniul spectral dl n jurul lungimii de unda l dF_e l F_eldl

Fluxul luminos caracterizeaza at t sursele de lumina primare - lampile electrice, soarele - c t si sursele secundare - suprafetele corpurilor care recepteaza o lumina incidenta si o reflecta sau transmit. Fluxul luminos poate sa fie emis (de o sursa de lumina) sau primit (de suprafata unui receptor de lumina

Raportul dintre fluxul luminos al unei surse de lumina si puterea electrica disipata n lampa (consumata pentru a emite acest flux) se numeste eficacitate luminoasa masurata n lm/W. Fiecare lampa sau ansamblu lampa/dispozitiv auxiliar este caracterizata de eficacitatea luminoasa specifica: 6-19 lm/W pentru lampa cu incandescenta de uz general, 75-93 lm/W pentru lampa fluorescenta trifosfor, 40-65 lm/W pentru lampa fluorescenta compacta cu balast electronic, 32-58 lm/W pentru lampa cu vapori de mercur de nalta presiune, 70-130 lm/W pentru lampa cu vapori de sodiu de nalta presiune standard.

Intensitatea luminoasa este conceptul pentru evaluarea concentrarii luminii ntr-o directie specifica, radiata ntr-o secunda. Intensitatea luminoasa I este fluxul luminos ntr-o directie data radiat n unitatea de unghi solid. Unitatea de masura este candela. Daca se considera un unghi solid de marime w n jurul directiei date, intensitatea luminoasa n aceasta directie este

I = F w, cd.

n fotometrie, unitatea de baza n Sistemul International de masuri este candela. n 1979 standardul de referinta pentru candela a fost redefinit astfel: “intensitatea luminoasa ntr-o directie specifica a unei surse ce emite o radiatie monocromatica cu frecventa de 540x10¹² Hz (555 nm) si a carei intensitate radianta n acea directie este 1/683 watt per steradian”. Cu alte cuvinte, 1/683 ‘watt-lumina’ pe steradian. Pentru uzante practice, n laboratoare se folosesc standarde secundare, lampi cu incandescenta calibrate cu mare precizie.

Intensitatea luminoasa medie sferica emisa uniform n spatiu de o sursa de lumina este egala cu I_{med sferic} =F /4p cd.

Conceptul de intensitate luminoasa este fundamental n tehnica luminii, ntruc t nici o sursa de lumina (directa sau indirecta) nu emite fluxul luminos n mod egal n toate directiile. Pentru unele directii este de dorit ca emisia luminoasa sa fie maxima n timp ce n alte directii este de evitat. Distributia spatiala a intensitatii luminoase a unei lampi si/sau aparat de iluminat ofera o buna indicatie asupra eficacitatii luminoase si domeniul de aplicare al acestora.

Distributia intensitatii luminoase este cea mai importanta caracteristica folosita n proiectarea si analiza unei instalatii de iluminat. Reprezentarea grafica utilizeaza un sistem de coordonate polare C-g n unul sau mai multe plane verticale ce trec prin centrul corpului de iluminat – Figura 1.7. Unghiul C determina pozitia planului de reprezentare, iar g este unghiul de elevatie fata de axa verticala g = 0 este numit si “nadir”). Aparatele de iluminat care prezinta o simetrie de rotatie sunt caracterizate printr-un singur plan, curba fotometrica fiind desenata doar ntr-un semiplan, iar cele care prezinta doua axe de simetrie (de exemplu, pentru lampi fluorescente tubulare) sunt caracterizate prin planul transversal (perpendicular pe axa lampii), respectiv longitudinal (paralel cu axa lampii) – Figura 1.8.

Figura 1.7 Sistemul C-g pentru reprezentarea distributiei intensitatii luminoase

Figura 1.8 Reprezentarea grafica a distributiei intensitatii luminoase în sistemul C-g

Reprezentarea tabelara a distributiei intensitatii luminoase este, de fapt, nregistrarea masurarilor fotometrice si permite cunoasterea cu mai mare acuratete a acestora. Ea este utilizata n programelor de calcul automat al sistemelor de iluminat.

Fluxul luminos emis de aparatul de iluminat spre suprafata de lucru este dispersat sau concentrat, gradul de dispersie fiind caracterizat prin unghiul n care intensitatea luminoasa scade sub un anumit procent din valoarea sa maxima (pentru aparate cu simetrie de rotatie, n general 50%). Se deosebesc aparate de iluminat cu dispersie ngusta (unghiul mai mic de 20 ), medie (unghiul cuprins ntre 20 40 ) sau larga (unghiul mai mare de 40 ) – Figura 1.9.

Figura 1.9 Diagramele polare pentru distributia luminoasa cu fascicul îngust, mediu sau larg

Iluminarea. Cantitatea de lumina necesara ntr-o situatie data este exprimata prin termenul de iluminare, ce caracterizeaza receptia fluxului luminos de catre o suprafata ntr-un punct al acesteia. Iluminarea E este raportul fluxului luminos incident pe o suprafata la aria acestei suprafete

E=F/A, lx.

Unitatea de masura este lux; 1 lx este 1 lumen pe 1 m Iluminarea este independenta de unghiul de incidenta al fluxului luminos.

C teva valori uzuale:         Vara, la amiaza, pe un cer acoperit            - 100.000lx

Un birou bine iluminat - 1000 lx

Atelier de productie      - 300-500 lx

Spatii de nvatam nt, conferinte         - 300-500 lx

Camera de zi a unei locuinte - 100 lx

Iluminat public - 5-30 lx

Luna plina ntr-o noapte senina - 0,25 lx

Daca dimensiunea ariei este elementara, iluminarea se refera la punctul respectiv. n caz contrar, iluminarea este o valoare medie pe ntreaga suprafata de arie A. Iluminarea medie se poate determina si ca medie aritmetica a iluminarilor n diferite puncte P_k ale suprafetei

E_med=(1/n) E_P.

Prin unirea punctelor unei suprafete n care iluminarea are aceeasi valoare se obtin curbe izolux.

Legea fundamentala a iluminarii exprima legatura ntre intensitatea luminoasa a sursei de lumina si iluminarea ntr-un punct P al suprafetei de arie A, prin intermediul definitiei fluxului luminos si a unghiului solid. Astfel, cu notatiile dF = I dw, dw = dA’/R² si dA’ = dA/cosi se obtine

,

unde I_a este intensitatea luminoasa emisa de sursa de lumina n directia punctului considerat, a - unghiul fata de nadir (verticala punctului), i - unghiul de incidenta ntre raza de lumina si normala la suprafata n punctul considerat), r - distanta de la sursa de lumina la punctul considerat – Figura 1.10.

Figura 1.10 Explicativa la legea iluminarii

Exemplu. Fie un corp de iluminat public de tip glob opal amplasat la naltimea de 5 m care are o intensitate luminoasa uniforma de 2000 cd si un semn de circulatie “trecere de pietoni” amplasat la o naltime de 2 m si la o distanta de 4 m fata de verticala corpului de iluminat (suprafata acestuia se afla ntr-un plan perpendicular pe planul format de raza de lumina si verticala sursei de lumina). Care este iluminarea semnului de circulatie?(se neglijeaza dimensiunile proprii ale celor doua obiecte)

Solutie. Distanta ntre sursa de lumina si semnul de circulatie este r= (5-2)²+4²=5 m. Cosinusul unghiului de incidenta este cosi=4/5. Iluminarea este E=2000 0,8/5²=6,4 lx.

Numeroase investigatii au fost desfasurate pentru a determina preferinta utilizatorilor privind iluminarea orizontala n spatii interioare cu diferite valori ale reflectantelor suprafetelor nconjuratoare.

Nivelul de iluminare recomandat si caracterul dinamic al recomandarilor. Tendintele proiectarii sistemelor de iluminat sunt foarte dinamice. Nivelul de iluminare recomandat reprezinta doar unul dintre parametrii ce trebuie luati n considerare la proiectarea sistemelor de iluminat, dar el este ntotdeauna determinant pentru un sistem. Un studiu de comparatie international arata ca nu exista un consens n definirea “nivelului de iluminare corect” [Mills, E., Borg, N. Rethinking Light Levels, 1998]

Tabelul 1.1 Niveluri de iluminare recomandate n 20 tari (iluminare medie de ntretinere, n lx)

ncep nd cu anul 1930, nivelul de iluminare a cunoscut o schimbare rapida n majoritatea tarilor. n prima faza a crescut pâna în anii ’70 (momentul crizei petrolului), dupa care a scazut din nou, variatia nivelului de iluminare de la o tara la alta fiind foarte mare. n tabelul 1 este prezentata o comparatie ntre nivelurile de iluminare pentru sarcini selectate n birouri, folosind date din 20 tari.

Figura 1.11 Variatia performantei vizuale (a) si a confortului vizual (b) cu iluminarea

Figura 1.11 reda curba medie ce indica procentul observatorilor care au considerat o anumita valoare a iluminarii ca fiind 'satisfacatoare', mpreuna cu aprecierile defavorabile 'prea ntunecata si 'prea stralucitoare'. Satisfactia vizuala optima se obtine la valori de aproximativ 2000 lx (pentru care aprozimativ 70% din subiecti s-au declarat satisfacuti), dar nu exista un nivel de iluminare la care toti observatorii sa fie satisfacuti. Este de subliniat ca 50% din subiecti au preferat niveluri de iluminare mai mici, n jurul a 900-1000 lx. Considerente energetice si de cost au condus spre stabilirea unui domeniu al iluminarilor recomandate pentru activitati uzuale ntre 1000 si 2000 lx. Perceptia satisfacatoare a trasaturilor fetei umane n spatii interioare se obtine la o luminanta de 10-20 cd/m², ceea ce corespunde unei iluminari verticale de cel putin 100 lx, respectiv orizontale de 200 lx. De aceea, valoarea minima a iluminarii pentru activitati desfasurate n ncaperi n conditii normale de activitate continua este de 200 lx, indiferent de cerintele sarcinii vizuale. Limita inferioara a luminantei necesare pentru distingerea trasaturile fetei umane este de 1 cd/m Aceasta echivaleaza cu o iluminare orizontala de aproximativ 20 lx n conditii normale de iluminat, considerata valoare minima a iluminarii pentru spatii interioare n care nu se lucreaza

Normativele internationale stabilesc urmatoarea scara de valori ale iluminarilor (cu un factor de multiplicare de aproximativ 1,5): 20-30-50-75-100-150-200-300-500-750-1000-1500-2000-lx.

Nivelurile de iluminare recomandate pentru diferite domenii de activitate desfasurate n mod curent n spatiile interioare n conditii vizuale normale sunt mentionate n tabel [CIE]. Ele au fost determinate de cerintele sarcinii  vizuale cu diferite grade de dificultate, satisfacerea vizuala a utilizatorilor, experienta practica si necesitatea utilizarii eficiente a energiei. Iluminarea poate fi marita cu o treapta daca: - sarcina vizuala prezinta reflectanta si/sau contraste cu valori neobisnuit de mici; - refacerea erorilor (rebuturilor) este costisitoare; - acuratetea sau productivitatea ridicata a muncii este de mare importanta; - capacitatea vizuala a utilizatorului este sub cea normala n mod contrar, iluminarea poate fi micsorata cu o treapta daca: - sarcina vizuala prezinta reflectanta si/sau contraste cu valori neobisnuit de mari; - viteza si/sau acuratetea muncii nu este importanta; - activitatea este desfasurata doar ocazional. Plec nd de la aceste valori recomandate, reglementari specifice normeaza nivelurile de iluminare pentru diferitele tipuri ale activitatilor vizuale – SR 6646, NP061-0

Iluminarea este definita si masurata ca iluminare ntr-un plan, scalara (sferica), cilindrica si vectoriala – Figura 1.1

Figura 1.12 Vectorul iluminare, iluminarea sferica, iluminarea cilindrica, iluminarea semicilindrica

Iluminarea ntr-un plan - orizontal, vertical sau nclinat - este marimea cea mai des folosita. Planul n care este situata sarcina vizuala se numeste “plan de referinta n spatiile industriale iluminarea recomandata se refera la suprafata asa numitului 'plan de lucru', un plan orizontal situat la naltimea de 0,85 m deasupra pardoselii, considerata naltimea medie pentru o activitate vizuala corespunzatoare pozitiei de lucru ' n picioare'. Desigur, n situatii concrete pot fi definite si alte suprafete de referinta n spatii interioare cu alte destinatii, de exemplu pentru circulatie sau pentru expozitii, suprafata de referinta poate fi pardoseala, peretii sau orice plan relevant din ncapere.

Calculul iluminarii ntr-un punct din planul orizontal sau vertical se face cu referire la naltimea sursei de lumina de-asupra planului orizontal h si la unghiurile care definesc pozitia reciproca sursa-punct-orientarea planului – Figura 1.13.

Iluminarea orizontala ntr-un punct P este

E_orizontal=I cos³i/h²,

iar iluminarea verticala n acelasi punct P este

E_vertical=I sina cos²a cosb/h

Figura 1.13 Calculul iluminarii verticale

Iluminarea scalara (sferica ntr-un punct este iluminarea medie pe suprafata unei sfere foarte mici aflate n acel punct. Fiind o marime independenta de directia de incidenta a luminii, este utila pentru analiza iluminatului n ncaperile n care activitatea nu se desfasoara ntr-un plan anumit, bine precizat (de exemplu holurile hoteliere).

Iluminarea cilindrica ntr-un punct este iluminarea medie pe suprafata laterala a unui cilindru foarte mic aflat n acel punct, axa cilindrului fiind verticala. Astfel, iluminarea cilindrica este media iluminarilor verticale n toate directiile din jurul acelui punct.

n mod similar se defineste si iluminarea semicilindrica

,

cu aplicatii interesante la analiza iluminatului public, pentru identificarea persoanelor sau obstacolelor – Figura 1.14.

Figura 1.14 Calculul iluminarii semicilindrice

Vectorul iluminare se defineste n raport cu un disc foarte mic, amplasat n punctul analizat. Pe axa normala a discului se orienteaza catre fetele acestuia doi vectori ale caror module sunt egale cu valorile iluminarilor pe fetele respective. Vectorul iluminare are modulul egal cu maximul diferentei dintre cele doua iluminari, calculate pentru diferite orientari date discului. Directia vectorului este de la fata cu iluminare mai mare catre fata cu iluminare mai mica. Astfel, vectorul iluminare este corelat cu directia principala a luminii ntr-un punct din spatiu, pun nd n evidenta directionalitatea luminii.

Distributia iluminarii produsa de instalatia de iluminat pe suprafata de referinta nu este Distributia iluminarii produsa de instalatia de iluminat pe suprafata de referinta nu este uniforma n spatiu, fiind cuprinsa ntre un minim - iluminarea minima E_min si un maxim - iluminarea maxima E_max. Se defineste iluminarea medie E_med ca fiind media iluminarilor obtinute pe ntreaga suprafata de referinta. Masura uniformitatii iluminarii n spatiu este data de factorul de uniformitate CU=E_min /E_med. Pentru un sistem de iluminat general, valoarea acestui factor de uniformitate pe ntregul plan util trebuie sa fie mai mare de 0,8. Se utilizeaza, de asemenea, at t raportul dintre iluminarea minima si iluminarea maxima, care se recomanda sa fie mai mare de 0,65 pentru suprafata de lucru pe care se afla sarcina vizuala, c t si inversul unuia sau altuia dintre aceste rapoarte.

Pentru ca o instalatie de iluminat sa corespunda cerintelor de uniformitate, este necesar sa fie ndeplinite urmatoarele doua conditii:

(a) raportul iluminarilor medii pe ntreaga suprafata a planului de lucru si pe suprafata sarcinii vizuale E_{med plan lucru} / E_{med sarcina vizuala} 1/3;

(b) raportul ntre iluminarile medii ale unor ncaperi nvecinate E_{med 1} / E_{med 2} 5/1.

Iluminarea medie pe suprafata de referinta asigurata de o instalatie de iluminat interior nu este uniforma nici n timp. ncep nd din primul moment al punerii n functiune a instalatiei, iluminarea va scadea continuu datorita mbatr nirii lampilor (si deteriorarii unora dintre ele), a depunerilor de praf si murdarie pe suprafetele lampilor, aparatelor de iluminat, peretilor si tavanului ncaperii si a deprecierii calitatilor reflectante ale suprafetelor ncaperii – Figura 1.15.

Figura 1.15 Variatia iluminarii în timpul utilizarii instalatiei de iluminat.

A - pierderi datorate îmbatrânirii lampilor; B - pierderi datorate deprecierii suprafetelor încaperii; C - pierderi datorate murdaririi lampilor si corpurilor de iluminat

Un program de ntretinere a instalatiei de iluminat - numit si program de mentenanta - va asigura mentinerea n limite rezonabile a iluminarii medii. Uniformitatea n timp a iluminarii medii se defineste prin urmatorii termeni: (a) iluminarea initiala corespunde momentului punerii n functiune a unei instalatii noi, cu suprafetele ncaperii curate (t=0); (b) iluminarea de serviciu este media n timp a iluminarii n cursul unui ciclu al programului de mentenanta (acest termen este rezultatul unei duble medieri a iluminarii, n spatiu si n timp); (c) iluminarea de ntretinere este valoarea minima la care scade iluminarea n momentul efectuarii lucrarilor de ntretinere programate, de nlocuire a lampilor defecte sau mbatr nite si/sau de curatire a aparatelor de iluminat si a suprafetelor ncaperii. Reglementarile CIE recomanda normarea iluminarii de ntretinere pentru dimensionarea unei instalatii de iluminat, dar unele tari normeaza iluminarea de serviciu. Este de dorit ca programul de ntretinere sa fie astfel conceput nc t iluminarea de ntretinere sa nu scada sub 0,8 (unele reglementari precizeaza valoarea 0,7) din iluminarea de serviciu.

Masurarea iluminarii se face cu luxmetru, un aparat de masura ce utilizeaza o fotocelula, care converteste energia luminoasa determinata de fluxul receptat n energie electrica, conectata la un microampermetru cu scala gradata direct n lux. Pentru masurari precise se aplica corectii:

- de sensibilitate spectrala datorita faptului ca celulele fotoelectrice au o curba de raspuns diferita de curba vizibilitatii

- de cosinus, care asigura receptarea razelor de lumina ce cad sub un unghi de incidenta mare (foarte oblic, care ar putea sa conduca la reflexii totale); este specifica masuratorilor n exterior;

- de temperatura necesara datorita influentei temperaturii ambiante asupra intensitatii curentului de conversie fotovoltaica n general temperatura de etalonare este n jurul a 20 C).

Luminanta este conceptul pentru intensitatea luminoasa emisa de unitatea de arie a unei suprafate într-o directie anumita. Suprafata poate fi ea însasi emitatoare de lumina sau transmitatoare (sursa primara de lumina – suprafetele lampilor sau aparatelor de iluminat, suprafata soarelui) sau poate sa reflecte lumina primita de la alta sursa (fiind astfel o sursa secundara de lumina).

Luminanta L este raportul intensitatii luminoase de la o suprafata într-o directie data la aria aparenta a acestei suprafete

L=I/A_aparenta, cd/m² .

Unitatea de masura este candela pe metru patrat. Luminanta este dependenta de unghiul de privire. Prin arie aparenta se întelege proiectia ariei suprafetei considerate pe un plan perpendicular pe directia de privire.

Exemplu. Pentru o sfera, indiferent de directia de privire, aria aparenta este aria sectiunii circulare diametrale prin sfera A_aparenta =πr², în timp ce aria semisferei expusa privirii este egala cu 2π r² .

Exemplu. Tubul de descarcare al unei lampi cu vapori de sodiu de înalta presiune are 100 mm lungime si 8 mm diametru. Intensitate luminoasa radiata perpendicular pe suprafata cilindrica este de 400 cd. Care este luminanta în aceeasi directie?

Solutie. Suprafata aparenta a tubului de descarcare în directia perpendiculara pe generatoarea cilindrului este egala cu a sectiunii dreptunghiulare verticale A_aparenta=100·8=800   mm Luminanta este L=4000/800=5 cd/mm²=5·10⁶ cd/m²

Câteva valori uzuale:   Suprafata soarelui - 1,65·10⁹ cd/m²

Filamentul lampii cu incandescenta - 7·10⁶ cd/m²

Lampa fluorescenta - 5…15·10³ cd/m²

Suprafata lunii pline - 2,5·10³ cd/m²

Asfaltul strazii cu iluminat public - 0,5…2 cd/m²

Pentru asigurarea unei bune vizibilitati a sarcinii, cel mai important factor al iluminatului îl constituie luminanta, repartitia acesteia si/sau contrastul de luminantî al diferitelor suprafete din spatiul încaperii. Valorile acestora trebuie sa se încadreze în anumite limite, în caz contrar apare o stare de jena vizuala sau de reducere a aptitudinii de distingere a detaliilor de mici dimensiuni, cunoscuta sub denumirea de orbire.

Diferentele de luminanta între diferitele suprafete – sarcina vizuala, fondul acesteia si cele din câmpul vizual – sunt specificate sau maasurate prin raportul luminantelor suprafetelor în corelatie. Se recomanda ca valori orientative rapoartele: sarcina vizuala/fond – 3:1 si sarcina vizuala/câmp vizual – 10:1. Întrucât iluminarea este utilizata ca marime de proiectare de baza în sistemele de iluminat interior, distrbutia luminantelor în interiorul unei încaperi poate fi redata prin distributia iluminarilor relative (si a reflexivitatii suprafetelor respective).

Gradele de reflexie si de finisare ale suprafetelor principale dintr-o încapere sunt factori importanti în utilizarea optima a luminii. Suprafetele cu o reflexivitate mare contribuie la reflexiile multiple si sunt recomandate pentru interioare de lucru. Suprafetele mate sunt recomandate pentru evitare reflexiilor regulate sau mascarea imperfectiunilor suprafetei.

Cavitate tavanului va avea un rol mai redus în încaperile mici decât în cele mari, în care ocupa o parte substantiala din câmpul de vedere. Pentru sisteme de iluminat direct sau semidirect se recomanda ca iluminarea tavanului si cea a planului de lucru sa fie în raportul E_medtavan/E_{medplandelucru}=0,3…0,9. Pentru sisteme de iluminat indirect, luminanta suprafetelor ce formeaza cavitatea tavanului trebuie sa fie mai mare de 500 cd/m Pe portiuni mici se accepta si valori mai mari, pâna la 1500 cd/m², dar trebuie sa fie evitate contrastele mari de luminanta. Tavanele luminoase realizate cu panouri difuze de mari dimensiuni vor avea o luminanta inferioara valorii de 500 cd/m

Reflexivitatea ridicata a peretilor si suprafetelor despartitoare vor îmbunatati perceptia luminoasa în încapere. Suprafetele învecinate ferestrelor trebuie sa aiba un factor de reflexie de cel putin 0,6 pentru a reduce contrastul cu stralucirea relativ ridicata a imaginii exterioare pe timpul zilei. Ferestrele se acopera cu perdele sau jaluzele în timpul noptii, întrucât formeaza suprafete negre cu reflexie regulata. Se recomanda ca raportul între iluminarea medie a peretilor (iluminarea verticala) sau a oricarei suprafete de partitie si iluminarea medie orizontala pe planul de lucru sa fie în limitele E_medpereti/E_{medplandelucru}= 0,5…0,8. Factorii de reflexie ai peretilor vor fi între limitele 0,3…0,7.

Reflexivitatea cavitatii pardoselii – pardoseala, suprafata inferioara a peretilor, mobilierul sau echipamentul tehnologic aflate sub nivelul planului de lucru – este importanta în crearea ambiantei vizuale a încaperii. O pardoseala cu un factor de reflexie scazut nu va reflecta lumina incidenta pe ea si va fi mai dificil sa se obtina o modelare corespunzatoare a obiectelor din încapere. Contrar, dat fiind faptul ca suprafata pardoselii poate fi cea mai mare suprafata plana din încapere, o luminanta prea ridicata a acesteia ar domina imaginea câmpului vizual. De aceea, factorul de reflexie pentru cavitatea pardoselii se recomanda sa aiba o valoare medie cuprinsa între limitele 0,20…0,40, putând sa coboare pâna la 0,1.

Verificarea limitarii orbirii directe produsa de aparatele de iluminat se face prin diferite metode, unele tari adoptând metodologii proprii. CIE a stabilit metoda curbelor limita de luminanta, care se doreste a fi aplicata de majoritatea tarilor europene, cu adaptari în raport cu anumite considerente concrete – vezi si SR 6646 si NP 061-0

Metoda CIE a Curbelor de Luminanta Limita (CLL) Metoda CIE are la baza un sistem de curbe de luminanta limita folosit în cazul corpurilor de iluminat cu difuzor, completat de un sistem de unghiuri de ecranare minim admisibile, care se utilizeaza în cazurile în care lampile pot fi vizibile partial sau complet în zona de vedere care intereseaza.

Figura 21.16 Curbele limita de luminanta pentru evitarea orbirii – [CIE]

Valorile admisibile ale luminantei aparatelor de iluminat sunt date n functie de unghiul de observare g pentru diferite niveluri de iluminare. Ele depind de clasa de calitate a ncaperii si de modul de distributie spatiala a fluxului luminos emis de aparate sau de directia de privire a observatorului fata de aparatele de iluminat. Astfel, sistemul de curbe limita de luminanta este format din doua familii de curbe (tip A si tip B) fiecare având în componenta sa câte doua seturi de curbe corespunzatoare claselor de calitate 1 si Curbele de luminanta prezinta variatia luminantei maxim admisibile pentru unghiuri de emisie ale aparatelor de iluminat cuprinse între 45˚ si 85˚.

Curbele de tip A (fig. 1.16, a) se aplica aparatelor de iluminat fara parti laterale luminoase si aparatelor de iluminat liniare, cu partile laterale luminoase dispuse paralele cu directia de privire. Curbele de tip B (fig. 1.16, b) se aplica aparatelor de iluminat cu parti laterale luminoase si aparatelor liniare perpendiculare pe linia vederii.

Figura 1.17 Exemplu de aplicare a metodei curbelor limita de luminanta

Utilizarea sistemului curbelor de luminante limite este posibila doar daca sunt îndeplinite simultan urmatoarele conditii:

încaperile au forma de paralelipiped rectangular;

aparatele de iluminat sunt distribuite într-un aranjament practic regulat cu axele principale paralele cu peretii;

factorii de reflexie ai suprafetelor încaperilor se gasesc în domeniul 0,7 – 0,8 pentru plafon, 0,4 –0,6 pentru pereti si 0,1 – 0,2 pentru podea;

directiile principale de privire sunt predominant orizontale.

În cazul în care se cunoaste curba de luminanta a aparatului de iluminat examinat pentru unghiurile γ stabilite, se compara valorile acesteia cu valorile corespunzatoare ale luminantelor maxim admisibile din curba de luminanta limita aleasa. Se considera ca sunt realizate conditiile de limitare a orbirii directe daca toate valorile luminantelor aparatului de iluminat sunt situate în stânga curbei de luminanta limita – Figura 1.17.

Metoda CIE de Evaluare Unificata a Orbirii (“Unified Glare Rating” - UGR) este propusa de CIE si introdusa n actualele standarde europene CEN pentru determinarea limitelor de orbire n iluminatul interior. Sistemul are la baza indicele global de orbire UGR:

,

n care L_b este luminanta fondului (cd/m²), L - luminanta partilor luminoase ale fiecarui corp de iluminat n directia ochiului observatorului (cd/m²), vazute sub unghiurile solide w (steradiani); p - un indice de pozitie, corelat cu deplasarea corpului de iluminat fata de linia de privire. Metoda permite cea mai precisa evaluare a orbirii provocata n planul liniei de privire de catre corpurile de iluminat tratate individual si are avantajul posibilitatii includerii procedurii de calcul n cadrul unor programe de calcul generale.

Figura 1.18 Corelarea între curbele limita de luminanta si factorul UGR

Valorile UGR sunt cuprinse n gama 10 30, cu c t mai mare fiind valoare indicelui, cu at t mai mare fiind orbirea produsa n interior. Recomandarea standardului CEN pentru cele mai multe birouri mentioneaza limita superioara a indicelui la valoarea 19, care corespunde curbei limta de luminanta pentru iluminarea medie de 500 lx si clasa de calitate 1 – Figura 1.18. Sisteme de iluminat cu un UGR de 10 sunt lipsite de orbire. Valorile maxime uzual recomandate sunt: 16 – desen tehnic; 19 – citit, scris, întruniri, munca bazata pe calculator; 22 – activitati industriale; 25 – industrie grea; 28 – platforme de cale ferata, foaiere.

Daca nu se poate obtine limitarea dorita a luminantei aparatelor de iluminat, se va proceda la evitarea orbirii directe, prin amplasarea lor în afara câmpului vizual al observatorului sau prin utilizarea unor dispozitive de ecranare a surselor de lumina (gratare, dispersoare).

Trebuie facuta distinctia între doi termeni – luminanta si stralucirea. Luminanta este excitatia vizuala, iar stralucirea este raspunsul vizual. Luminanta este o masura cantitativa si obiectiva. Stralucirea este un termen calitativ si subiectiv care se refera la impresia pe care o are un observator privind o suprafata. Exemplu tipic este modul în care luna plina îi apare unui observator pe timp de noapte – stralucitoare, sau pe timp de zi – deloc stralucitoare. Alt exemplu – aparatele de iluminat public, cu lampile aprinse pe timp de noapte, respectiv pe timp de zi. Stralucirea nu este potrivita pentru determinarea cantitativa a vizibilitatii; luminanta este.

În cazul unei suprafete mate (sarcina vizuala si suprafetele învecinate), factorul de reflexie si iluminarea suprafetei determina luminanta acesteia

L=E·(r/π)

Astfel, suprafetele cu diferite proprietati reflexive dar cu aceeasi iluminare, vor radia diferite intensitati luminoase si, de aceea, vor avea diferite luminante.

Exemplu. Fie trei foi de hârtie mata alba, gri si neagra, având factorii de reflexie respectiv de 0,8; 0,4; 0,04. Cunoscând ca sunt iluminate cu 400 lx, sa se determine luminantele lor.

Solutie. Relatia între iluminare, luminanta si factorul de reflexie a unei suprafete mate este

L= E(r/π), astfel ca cele trei luminante cautate sunt respectiv L_alb=400(0,8/3,14)=100 cd/m², L_gri=400(0,4/3,14)=50 cd/m², L_negru=400(0,04/3,14)=5 cd/m

Luminanta, ca factor ce influenteaza vizibilitatea, poate fi substituita prin iluminarea si reflectanta respectivelor suprafete mate. Reflectanta este o proprietate intrinseca a materialelor componente, nefiind afectata de iluminat, astfel ca iluminarea E ramâne ca o caracteristica a sistemului de iluminat ce afecteaza vizibilitatea. În acelasi timp însa, o alta caracteristica reprezentanta prin contrastul de luminanta între detaliul sarcinii vizuale si suprafetele învecinate care formeaza fondul nu este afectata de iluminare, ci de factorii de reflexie ai detaliului si fondului r_detaliu/r_fond.

Emitanta (exitanta) unei suprafete care emite lumina (sursa primara sau secundara) este raportul fluxului emis la marimea ariei suprafetei

M= Φ_emis/A, lm/m

Relatia de legatura între emitanta si iluminarea unei suprafete ce are o reflexivitate r este astfel

M=Φ_reflectat/A=Φ_incident·r/A=E·r

Introducând si relatia de legatura între iluminare si luminanta L=E(r/π), se obtine

M=E·r=L·π .

În mod similar, relatia de legatura între emitanta si iluminarea unei suprafete care are o transmisivitate t este

M=Φ_transmis/A=Φ_incident·t/A=E·t=L·π

Exemplu. Un glob sferic cu diametrul de 1 m este perfect difuz. În centrul sau se afla o sursa de iluminat punctiforma ce emite 50 cd. Luminanta globului este de 40 cd/m Care este emitanta globului? Dar transmitanta sticlei globului?

Solutie. (1) Utilizarea fluxului luminos. Lampa emite un flux luminos de 50·4π=200π lm. Aria suprafetei sferei este 4πr²=4π(1/2)²=π m Iluminarea pe suprafata interioara sferei este 200π/π=200 lx. Luminanta sferei este de 40 cd/m Emitanta este 40·π lm/m Transmisivitatea este t= (40·π)/200=0,628.

(2) Utilizarea intensitatii luminoase. Aria aparenta a globului sferic este A_aparenta=π(1/2) Astfel, intensitatea luminoasa emisa de sfera este I=L·A_aparenta=40·π(1/2)²=10·π cd. Raportul între intensitatea luminoasa a globului (din exterior) si cea a sursei de lumina (din interior) defineste transmitanta sticlei globului t=10·π /50=0,628.

Proprietati ale suprafetelor iluminate

Radiatiile luminoase emise de o sursa de lumina si propagate prin aer, la contactul cu un material se comporta astfel: o parte se reflecta, o parte este absorbita, iar o parte este transmisa – Figura 1.19.

Figura 1.19 Comportarea radiatiei luminoase la întâlnirea cu un material oarecare plan

Pe baza conservarii energiei se poate scrie si conservarea fluxului luminos:

Φ_i=Φ_r+Φ_a+Φ_t

unde: Φ_i reprezinta fluxul incident, Φ_r - fluxul reflectat, Φ_a - fluxul absorbit si Φ_t - fluxul transmis. Cele trei componente al fluxului definesc factorii de reflexie r (ρ), de absorbtie a (α) si de transmisie t (τ):

r=Φ_r/Φ_i, a=Φ_a/Φ_i, t= Φ_t/Φ_i, care respecta egalitatea r+a+t=1.

Cele trei fenomene: reflexia, absorbtia si transmisia au loc simultan, dar în proportii diferite, în functie de natura materialului din care este constituit corpul. Se defineste corpul negru, alb, respectiv transparent – care absoarbe, reflecta, respectiv transmite radiatia incidenta, corpul colorat – la care fenomenul este selectiv, dependent de lungimea de unda a radiatiei incidente.

Reflexia determina o modificare a directiei radiatiei luminoase incidente. Punctul în care are loc aceasta deviere a razei de lumina se numeste punct de incidenta, iar radiatia luminoasa cu o noua directie se numeste radiatie luminoasa reflectata.

În Figura 1.20 este data o clasificare a reflexiilor pe suprafete, clasificare valabila si pentru transmisia fluxului luminos prin corpuri transparente

Figura 1.20 Clasificarea reflexiei fluxului luminos pe suprafete

Reflexia regulata (de oglinda). Suprafetele foarte netede se comporta ca o oglinda, iar conform legilor opticii, unei raze de lumina incidente I_i îi corespunde o singura raza de lumina reflectata I_r, într-un plan ce cuprinde si normala la suprafata n, iar unghiul de incidenta este egal cu cel de deflexie (fig. 1.21, a).

Reflexia difuza. În cazul în care suprafata materialului reflectant nu este neteda, ci prezinta asperitati, lumina este împrastiata dupa reflexie în toate directiile, în functie de marimea si orientarea asperitatilor. Acest fenomen poarta numele de reflexie difuza. Si în acest caz sunt respectate legile reflexiei, dar la nivelul fiecarui microelement al suprafetei cu denivelari (fig. 1.21, b).

Reflexia imperfect difuza are loc în cazul suprafetelor lucioase, intensitatile reflectate fiind orientate dupa directia principala de reflexie (fig. 1.21, c).

Reflexia perfect difuza. În cazul suprafetelor perfect difuze reflexia luminii este izotropa, respectând legea lui Lambert , unde I_max este intensitatea luminoasa maxima, în directia normala si I_r – intensitatea luminoasa la un unghi γ (fig. 1.21, d). În aceasta situatie, luminanta suprafetei este aceeasi, independent de pozitia punctului de observatie.

Reflexia mixta reprezinta o suprapunere dintre reflexia regulata si cea difuza. Dupa cum se poate observa în figura 1.21, e, reflexia mixta se caracterizeaza printr-o reflexie difuza la care exista o directie principala care coincide cu directia razei reflectate din cauza reflexiei regulate.

(a) (b)

c)                                        (d)

e)

Figura 1.21 Reflexia regulata (a); difuza (b), imperfect difuza (c), perfect difuza (d), mixta (e)

ntrebari

1. Care parametru reprezinta cantitatea luminii incidente pe o suprafata

a. iluminarea

b. luminanta

c. stralucirea

Care este nivelul de iluminare recomandat pentru sali de nvatam nt si conferinte?

a. 100 lx

b. 300 lx

c. 1000 lx

3. Rolul iluminatul n conditionarea mediului ambiant poate fi descris prin

a. crearea unei atmosfere placute

b. conformarea la reglementari internationale

c. promovarea unei eficacitati vizuale

4. n conditii normale n timpul zilei, vederea este asigurata de

a. bastonase

b. conuri

c. pupila

5. Radiatiile ultraviolete ocupa un domeniu de lungimi de unda ntre

a. 100-380 nm

b. 380-760 nm

c. 500-600 nm

6. Radiatia cu lungimea de unda de 550 nm este de culoare

a. albastra

b. verde

c. rosie

7. Care unitate de masura reprezinta cantitatea de lumina incidenta pe suprafata unui obiect?

a. lm

b. lx

c. cd

8. Radiatiei cu puterea de 100 W pe lungimea de unda de 510 nm i corespunde fluxul luminos de

a. 100 lm

b. 100 683=68.300 lm

c. 100 0,5 683=34.150 lm

9. O lampa ce emite un flux luminos de 500 lm este echipata cu un reflector, astfel ca 40% din lumina lampii ajunge pe o pictura cu dimensiunile de 25/50 cm. Care este iluminarea picturii?

a. 500/(0,25 0,50 0,4)=10.000 lx

b. (500/0,4) (0,25 0,50)=156 lx

c. (500 0,4)/(0,25 0,50)=1600 lx

10. Un corp de iluminat public este amplasat la 8 m naltime. Intensitatea luminoasa radiata spre un punct de pe strada la 8 m distanta de proiectia corpului este de 2500 cd. Care este iluminarea orizontala n acel punct?

a. 2500/(8 8)=39,1 lx

b. [2500/(8 8)] cos³45 =13,7 lx

c. 2500/(8² 8)=4,9 lx.

11. O bucata de sticla care primeste un flux luminos în anumite conditii si are un factor de transmitere de 0,7 si un factor de absorbtie de 0,1 , va reflecta de pe suprafata sa un flux incident egal cu

a. 0%

b. 20%

c. 50%

12.   O sticla colorata în rosu va transmite în principal o raza de lumina de culoare

a. rosie

b. albastra

c. toate culorile, cuexceptia celei rosie

13.   Care este luminanta suprafetei unui corp de iluminat sferic cu un diametru de 20 cm ce radiaza o intensitate luminoasa de 100 cd în toate directiile?

a. 100/(0,10x0,10)= 10.000 cd/m²

b. 100/(4 x π x 0,10 x 0,10)= 796 cd/m²

c. 100/(π x 0,10 x 0,10)= 3183 cd/m²

14.   Un flux luminos de 100 lm este incident pe o suprafata reflexiva perfect difuza cu o reflectanta de 30 %. Dimensiunile suprafetei sunt de 3 x 3 m. care este luminanta suprafetei?

a. (100 x 0,30)/π = 9,5 cd/m²

b. (100 x 0,30)/(3 x 3 x π)=1,1 cd/m²

c. (100 x 3 x 3)/(0,30 x π)=318 cd/m²

15.   Care parametru luminos este cel mai apropiat de senzatia vizuala perceputa de ochi?

a. fluxul luminos

b. iluminarea

c. luminanta

16.   O lampa cu incandescenta emite un flux luminos de 900 lm. Lampa este introdusa într-un glob sferic de sticla opala (perfect difuza) care are o transmitanta de 80%. Fluxul iluminos este perfect distribuit în spatiu. Care este intensitatea luminoasa radiata în orice directie?

a. (900 x 0,8)/4π =57 cd

b. (900 x 0,8)/2π =115 cd

c. 900/4π =72 cd

17.   O sursa de lumina cu intensitatea luminoasa de 2000 cd în directia unei mici suprafete aflata la 5 m distanta, cu o reflectanta de 60% este orientata perpendicular pe directia razei de lumina incidente. Care este iluminarea punctiforma pe suprafata?

a. 2000/(5 x 5)=80 lx

b. (2000 x 0,6)/(5 x 5)=48 lx

c. (2000 x 0,6)/(π x 5 x 5)=15 lx