Sorgenti di luce
Maurizio Rossi, Daniele Marini
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Richiamo dei principi fisici
• L’energia di un fotone dipende dallo stato quantico degli elettroni
della materia:
e 
hc

h (costante di Planck) = 6,63.1034 J.s
c (velocità della luce ne vuoto)
• L’energia radiante di n fotoni:

Q
i
• Il flusso radiante (Watt):

2
hc
i
dQ

dt
 3.10 8 m /s
Sorgenti di luce
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•
•
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 spettro
•
L’energia emessa da una sorgente di luce viene
espressa tramite la grandezza radiometrica nota
come uscita radiante spettrale Me()
d e ( )
E e ( )  M e (  ) 
dA
•
Me() fornisce l’informazione su:
- quanta energia viene emessa (area sottesa dallo spettro)
- a quali lunghezze d’onda (forma dello spettro: colore)
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Sorgenti di luce: distribuzione di
potenza relativa
•
•
Le caratteristiche spettrali (colore della luce
emessa) di una sorgente sono definite tramite la
distribuzione di potenza relativa Se()
Se() è definita come la percentuale di uscita
radiante spettrale al variare di  rispetto all’uscita
radiante per  = 555 nm
M e ( )
S e ( ) 
100
M e (560)
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Sorgenti di luce: distribuzione di
potenza relativa
•
•
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La curva di distribuzione di potenza relativa Se()
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 dove
l’osservatore umano ha il
massimo dell’efficacia
visiva spettrale
Sorgenti 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
QuickTi me™ e un
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sono necessari per visual izzar e q uest' immag i ne.
Legge di Stefan Boltzmann
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Sorgenti di luce: il corpo nero
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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) corrisponde quindi ad un corpo nero più freddo
distribuzione di potenza relativa a
diverse temperature colore
Sorgenti di luce: temperatura di colore
•
•
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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
Sorgenti di luce: apparecchi illuminanti
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•
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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
Sorgenti di luce: efficienza
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•
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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 ad
incandescenza da 40
e 100 Watt
Sorgenti di luce ad incandescenza
•
•
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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 percorso
dalla corrente elettrica
si scalda (2500 2800 °C) ed emette
luce
Sorgenti di luce ad incandescenza
Caratteristiche delle sorgenti ad
incandescenza:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sono usate quasi ovunque
Temperatura di colore: 2000°K (rossastra)
Durata: da 15 a 1500 ore
Potenza dissipata: da 1,5 W a 20.000 Watt
Flusso: fino a 30.000 lumen
Tensione di alimentazione: da 1,5 V a 380 V
Filamento di tungsteno
ingrandito 400 volte
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Sorgenti di luce ad alogeni
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 scarica
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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
Sorgenti di luce a scarica
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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
Sorgenti 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
Alcuni minerali
fluorescenti
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Sorgenti di luce: la forma della luce
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•
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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 coincide
in genere con l’asse geometrico
dell’apparecchio o della sorgente
Sorgenti 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 fotometrico
•
•
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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
Sorgenti 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 sole
•
La luce solare diretta ha mediamente una
temperatura di colore compresa tra 6000 e 6700 °K
• Il colore cambia a causa
del filtraggio
dell’atmosfera
a. Diretto
b. Filtrato
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Sorgenti 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
A
B
C
D65
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Tipo
filamento di tung steno in atmosfera gassosa
come A con un filtr o; luce simil e alla luce solare diretta
come A con fil tro simil e a luce con cielo cope rto
solo dati nu merici, non esiste sorgen te artificiale corrisponden te
Temperatura colore
2.855,6 °K
4.874 °K
6.775 °K
6.500 °K