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Sorgenti di luceSorgenti di luce

Maurizio Rossi, Daniele MariniMaurizio Rossi, Daniele Marini

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Richiamo dei principi fisici• L’energia di un fotone dipende dallo stato quantico degli elettroni

della materia:

€

eλ =hc

λ

h (costante di Planck) = 6,63.10−34 J.s

c (velocità della luce ne vuoto) = 3.108 m /s

• L’energia radiante di n fotoni:

€

Q =hc

λ ii

∑

• Il flusso radiante (Watt):

€

Φ=dQ

dt

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Sorgenti di luceSorgenti di luce

• Sorgente di luce è un oggetto in grado di emettere un flusso luminoso

• Ciò è possibile perché un’altra forma di energia viene trasformata in energia luminosa

• La luce prodotta dalle sorgenti può essere:1. Naturale (illuminazione naturale)

- luce diretta del sole- luce diffusa dall’atmosfera

2. Artificiale (illuminazione artificiale)- luce prodotta dagli apparecchi di illuminazione

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Sorgenti di luce: lo spettroSorgenti di luce: lo spettro

• L’energia emessa da una sorgente di luce viene espressa tramite la grandezza radiometrica nota come uscita radiante spettrale MMee(())

• MMee(()) fornisce l’informazione su:- quanta energia viene emessa (area sottesa dallo spettro)- a quali lunghezze d’onda (forma dello spettro: colore)

dA

dME e

ee)(

)()(

Φ

=≡dA

dME e

ee)(

)()(

Φ

=≡

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Sorgenti di luce: distribuzione di Sorgenti di luce: distribuzione di potenza relativapotenza relativa

• Le caratteristiche spettrali (colore della luce emessa) di una sorgente sono definite tramite la distribuzione di potenza relativa SSee(())

• SSee(()) è definita come la percentuale di uscita radiante spettrale al variare di rispetto all’uscita radiante per = 555 nm

100)560(

)()(

e

ee M

MS

= 100)560(

)()(

e

ee M

MS

=

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Sorgenti di luce: distribuzione di Sorgenti di luce: distribuzione di potenza relativapotenza relativa

• La curva di distribuzione di potenza relativa SSee(()) mostra come l’energia viene emessa per le varie lunghezze d’onda, in percentuale, rispetto alla lunghezza d’onda fondamentale di 555 nm

• Si è scelto 555 nm dovel’osservatore umano ha ilmassimo dell’efficaciavisiva spettrale

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Sorgenti di luce: il corpo neroSorgenti di luce: il corpo nero

• Un oggetto in grado di assorbire luce di tutte le lunghezze d’onda viene detto corpo nero

• Se riscaldato emette luce con uno spettro che è funzione della temperatura

M = T4

Legge di Stefan Boltzmann

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Sorgenti di luce: il corpo neroSorgenti di luce: il corpo nero

• Per temperature che variano da 2000°K a 20000°K il corpo nero emette luce con colori dominanti che passano dal rosso,giallo, bianco,violetto e azzurro

• Una luce più calda(rossastra) corrispon-de quindi ad un cor-po nero più freddo

distribuzione di potenza relativa a diverse temperature colore

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Sorgenti di luce: temperatura di coloreSorgenti di luce: temperatura di colore

• La temperatura del corpo nero che emette uno spettro simile a quello di una radiazione luminosa viene detta temperatura di colore correlata (CCT) della radiazione luminosa

• Tale temperatura espressa in gradi Kelvin (°K) non ha nessuna relazione con la temperatura della reale sorgente che emette luce

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Sorgenti di luce: apparecchi illuminantiSorgenti di luce: apparecchi illuminanti

• L’oggetto composto dalla lampadina, con il supporto, eventuali parabole, lenti e filtri è detto apparecchio illuminante

• Il termine lampada è a volte usato per la lampadina o per l’apparecchio creando confusione

• La lampadina viene anche chiamata sorgente

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Sorgenti di luce: efficienza Sorgenti di luce: efficienza • L’efficienza di una sorgente indica quanti Lumen

(flusso) sono emessi per ogni Watt di potenza consumato (lm/W)

• È il rapporto tra flusso totale emesso e potenza totale dissipata

• Lampadina adincandescenza da 40e 100 Watt

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Sorgenti di luce ad incandescenzaSorgenti di luce ad incandescenza

• Le sorgenti ad incandescenza sono realizzate con un filamento di Tungsteno posto in un bulbo di vetro in cui c’è il vuoto

• Il metallo percorsodalla corrente elettricasi scalda (2500 -2800 °C) ed emette luce

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Sorgenti di luce ad incandescenzaSorgenti di luce ad incandescenza

Caratteristiche delle sorgenti ad incandescenza:

1. Sono usate quasi ovunque2. Temperatura di colore: 2000°K (rossastra)3. Durata: da 15 a 1500 ore4. Potenza dissipata: da 1,5 W a 20.000 Watt5. Flusso: fino a 30.000 lumen6. Tensione di alimentazione: da 1,5 V a 380 V QuickTime™ e un

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Filamento di tungsteno

ingrandito 400 volte

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Sorgenti di luce ad alogeniSorgenti di luce ad alogeni

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La sorgente ad alogeni è un tipo particolare di incandescenza in cui, nel bulbo, c’è a nche un gas alogeno (Fluoro (F), Cloro (Cl), Bromo (Br), Iodio (I), Astato (At).)

Il gas permette di innalzare la temperatura del tungsteno variando l’emissione spettrale

La temperatura del bulbo può raggiungere oltre 700°C: perciò è fatto in quarzo che non va mai toccato con le dita!!! Il grasso della pelle fa aumentare la temperatura fino allo scoppio!

Hanno una durata e un’efficienza mediamente doppie rispetto a quelle a incandescenza

Temperatura di colore circa 4000°K (luce bianca)

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Sorgenti di luce a scaricaSorgenti di luce a scarica• Nelle sorgenti a scarica la luce viene emessa da un gas posto tra

due elettrodi all’interno di un tubo trasparente; la scarica elettrica provoca un arco voltaico

• Si usano vari tipi di gas: vapori di mercurio, sodio

• Lo spettro della luce emessa non è continuo! Corrisponde allo spettro di assorbimento del gas

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Sorgenti di luce a scaricaSorgenti di luce a scarica

• Hanno un’efficienza e una durata molto superiore di quelle a incandescenza

• Sono utilizzate nella illuminazione degli esterni e stradale

• A causa delle caratteristiche dello spettro hanno una scarsa resa cromatica

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Sorgenti di luce fluorescentiSorgenti di luce fluorescenti

• Le sorgenti fluorescenti sono una evoluzione di quelle a scarica in cui l’interno del tubo trasparente è rivestito con un materiale fluorescente in grado di modificare lo spettro per migliorare la resa cromatica

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Fluorescenza - fosforescenza

• Si possono distinguere sulla base della durata dell’emissione dopo l’eccitazione:– Fluorescenza molto breve

– Fosforescenza più lunga

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Alcuni minerali fluorescenti

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Sorgenti di luce: la forma della luceSorgenti di luce: la forma della luce

• Una sorgente puntiforme ideale emette luce con la stessa intensità luminosa in tutte le direzione

• Gli apparecchi reali emettono luce con intensità luminosa differente in funzione della direzione rispetto ad un asse di riferimento

• L’asse di riferimento coincidein genere con l’asse geometricodell’apparecchio o della sorgente

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Sorgenti di luce: la forma della luceSorgenti di luce: la forma della luce

• La distribuzione non uniforme è dovuta a:

1. Differenza intrinseca della sorgente reale rispetto al caso puntiforme ideale

2. Presenza di schermi

3. Presenza di riflettori

4. Presenza di ottiche

• Le aziende illuminotecniche usano presentare questa caratteristica tramite un diagramma detto solido fotometrico

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Sorgenti di luce: solido fotometricoSorgenti di luce: solido fotometrico• Il solido fotometrico indica la intensità luminosa in

candele per tutte le direzioni 3D attorno al centro di emissione della luce e rispetto ad un asse di riferimento

• Il solido viene rappresentato per sezioni

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Sorgenti di luce naturaleSorgenti di luce naturale

• La luce naturale può provenire:

1. Direttamente dal sole

2. Dal cielo (terso o offuscato da nubi)

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Sorgenti di luce: il soleSorgenti di luce: il sole• La luce solare diretta ha mediamente una

temperatura di colore compresa tra 6000 e 6700 °K• Il colore cambia a causa

del filtraggiodell’atmosfera

a. Diretto

b. Filtrato

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Sorgenti di luce: il cieloSorgenti di luce: il cielo

a. Cielo sereno molto azzurro

b. Cielo sereno al nord meno azzurro

c. Cielo molto coperto dalle nubi

d. Luce del sole + luce del celo sereno

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Temperatura colore di sorgenti artificiali

Nome Tipo Temperatura colore

A filamento di tungsteno in atmosfera gassosa 2.855,6 °K

B come A con un filtro; luce simile alla luce solare diretta 4.874 °K

C come A con filtro simile a luce con cielo coperto 6.775 °K

D65 solo dati numerici, non esiste sorgente artificiale corrispondente 6.500 °K