CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ CHIẾU SÁNG 1.Các đại lượng đơn vị và biến đổi: 1. Bức xạ, ánh sáng và màu sắc: Mọi vật thể ở nhiệt độ lớn hơn không độ tuyệt đối (K) sẽ không ngừng bức xạ năng lượng vào không gian xung quanh nó dưới dạng sóng điện từ. Đó là các sóng có bước sóng thay đổi trong phạm vi rất rộng từ 10-10m đến 2-3 km. Các sóng mang theo những hạt năng lượng cực nhỏ gọi là phôtôn.
Các bức xạ có bước sóng từ 380nm tới 780nm mới gây ra trong mắt chúng ta cảm giác sáng gọi là ánh sáng. Mắt con người như một thiết bị thu nhận ánh sáng theo từng dải rất hẹp trong phạm vi từ 380nm đến 780nm, mỗi dải đó cho ta một cảm giác màu sắc khác nhau chuyển đổi tinh tế từ đỏ sang tím mà rất khó xác định bước sóng giới hạn giữa chúng. Chúng ta có thể biểu diễn ánh sáng của nguồn sáng dưới dạng một phổ ánh sáng. - Ánh sáng chỉ gồm một bước sóng gọi là ánh sáng đơn sắc.
- Ánh sáng là một pha trộn liên tục của tất cả các bước sóng với liều lượng khác nhau sẽ là một phổ liên tục. Sự pha trộn của tất cả các màu sắc tự nhiên tạo nên ánh sáng trắng. - Phổ của một ánh sáng cũng có thể không liên tục hay gọi là phổ vạch. Ví dụ như ánh sáng của một loại đèn phóng điện.
Mắt và các tính năng của mắt: Mắt người là một cơ quan cảm thụ ánh sáng có khả năng chuyển đổi không tuyến tính và thay đổi theo thời gian các kích thích quang học thành các tín hiệu điện để truyền lên não và tạo nên ở đó một hiện tượng gọi là sự nhìn. Giác mạc mà nhất là thuỷ tinh thể tạo nên một hệ thống tập trung cho phép hình ảnh được tạo lên trên võng mạc, phía sau nhãn cầu. Con mắt khác với các dụng cụ quang học chủ yếu là nó rất mềm. Thuỷ tinh thể có thể tụ tiêu hình ảnh mà chúng nhận được để tạo lên hình ảnh rõ nét trên võng mạc một cách khác nhau.
Đó là hiện tượng điều tiết. Ở phía sau mắt, võng mạc được bao phủ bằng các tế bào thần kinh, thực chất là các tế bào quang điện liên hệ với bộ não bằng thần kinh thị giác phát dưới dạng luồng tín hiệu thần kinh ăn nhịp với ánh sáng kích thích vào nó. Có hai loại tế bào thần kinh thị giác là tế bào hình nón và tế bào hình que với độ nhạy cảm ánh sáng khác nhau. SVTH: Nhóm 28 GVHD: Th.
Ngô Đức Kiên 1 Thiết kế chiếu sáng và cung cấp điện cho công trình Trường Mầm Non 4 tầng - Tế bào hình nón có khoảng 7 triệu tế bào. Chúng chiếm chủ yếu ở vùng giữa võng mạc và được kích thích bằng các mức chiếu sáng cao. Chúng bảo đảm tri giác màu. - Tế bào hình que có khoảng 120 triệu tế bào, chúng bao phủ phần còn lại của võng mạc, có lẫn một ít tế bào hình nón và được kích thích bằng mức chiếu sáng thấp.
Chúng chỉ truyền những tri giác đen, trắng. Độ nhạy cảm của mắt đối với bức xạ phụ thuộc vào bước sóng của nó. Khi chuyển từ nhìn ban đêm (tế bào hình que) sang nhìn ban ngày (tế bào hình nón) hoặc ngược lại cảm giác sáng không xảy ra tức thời mà phải trải qua một thời gian. Đó là hiện tượng thích ứng của mắt.
Gọi là thích ứng sáng nếu chuyển từ tối sang sáng và gọi là thích ứng tối khi chuyển từ sáng sang tối. Sự thích ứng sáng xảy ra nhanh hơn sự thích ứng tối và chúng rất có ý nghĩa trong chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo. Các đại lượng và đơn vị đo ánh sáng a. Sự cần thiết của các đơn vị mới: Tất cả các nguồn sáng biến đổi năng lượng mà nó tiêu thụ thành một trong 3 hiệu ứng sau: Hoá, nhiệt, điện từ.
Các bức xạ ánh sáng chỉ là một phần nhỏ của bức xạ điện từ do vậy chúng chỉ mang theo một phần công suất của nguồn. Các thực nghiệm về ánh sáng cho thấy cùng một năng lượng nhưng bức xạ dưới các bước sóng khác nhau lại không gây hiệu quả giống nhau trong mắt chúng ta. Vì vậy, cần phải hiệu chỉnh đơn vị đo theo độ nhạy quang phổ của mắt b. Quang thông , lumen – lm: Quang thông là quan niệm đầu tiên của con người có quan hệ với các nguồn sáng.
Nhưng khái niệm này không nêu nên sự phân bố ánh sáng nào trong các miền sáng khác nhau của không gian chiếu sáng, hơn nữa nó không thể đo được. Điều đó đã thúc đẩy nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 đưa ra các cơ sở của phép đo ánh sáng dựa trên cơ sở quang học, hình học và sinh lý học. Bức xạ ánh sáng của một nguồn vào không gian trước hết được đánh giá bằng năng lượng bức xạ đo bằng oát. Oát là một đơn vị vật lý thuần tuý.
Đối với nhà vật lý, năng lượng bức xạ trong một giây theo mọi hướng là thông lượng năng lượng được tính bằng oát và nếu W() là phân bố phổ năng lượng của nguồn. Do vậy : Thông lượng năng lượng =0 W(). Thông lượng năng lượng theo phổ nhìn thấy = W(). Người ta dùng khái niệm quang thông biểu thị đơn vị đo độ nhậy của mắt người.
SVTH: Nhóm 28 GVHD: Th. Ngô Đức Kiên 2 Thiết kế chiếu sáng và cung cấp điện cho công trình Trường Mầm Non 4 tầng = W(). Góc khối , Stêradian- St: Khái niệm góc khối trong không gian cũng như những góc phẳng trong một mặt phẳng. Góc khối là góc không gian mà qua đó ta nhìn diện tích S trên bề mặt cầu từ tâm O của cầu.1 Vậy góc khối được định nghĩa như là tỉ số giữa diện tích S trên mặt cầu và bình phương bán kính R của mặt cầu đó.
Đơn vị của nó là Stêradian (St). Một Steradian là một góc khối dạng hìnnh nón có diện tích bề mặt là 1m2 trong một hình cầu có bán kính là 1m. Cường độ sáng I, candela – cd: Đây là một đại lượng mới nhất đưa vào hệ đơn vị S.I hợp lý hoá từ khái niệm về quang thông. Trường hợp tổng quát một nguồn không phải luôn luôn phát sáng một cách giống nhau trong không gian.
Ta hãy xem xét trường hợp chung khi một nguồn sáng bức xạ quang thông tới điểm A, tâm một diện tích ds. Gọi d là góc khối nhìn ds từ O ta có cường độ sáng I là: Hình 1.2 Ta thấy cường độ sáng luôn gắn liền với một hướng đã cho và được biểu diễn bằng một véctơ mà theo hướng đó modul của nó được đo bằng candela (cd). SVTH: Nhóm 28 GVHD: Th. Ngô Đức Kiên 3 Thiết kế chiếu sáng và cung cấp điện cho công trình Trường Mầm Non 4 tầng Như vậy ta có định nghĩa một candela là cường độ sáng theo một phương đã cho của một nguồn xạ đơn sắc có tần số 540.1012Hz(=555nm) và có năng lượng bức xạ là 1/683 w trong một góc khối là 1 Sr.
Để thấy rõ ý nghĩa hơn của đại lượng này trong thực tế, sau đây là một số đại lượng cường độ sáng của nguồn sáng thông dụng. - Ngọn nến 0,8 cd theo mọi hướng. - Đèn sợi đốt 40w/220v 35cd theo mọi hướng. - Đèn iốt kim loại 2 kw 14800 cd theo mọi hướng.
Khi cường độ bức xạ không phụ thuộc vào phương thì quang thông là: = 04 I. Một trong những số liệu quan trọng nhất của một loại bóng đèn là “Biểu đồ cường độ sáng” của nó được lập bởi các giá trị của cường độ sáng theo tất cả các hướng trong không gian tính từ điểm gốc là tâm quang học của nguồn. Đó là đường cong vẽ trên một nửa mặt phẳng theo tọa độ cực trong đó cho các giá trị cường độ sáng I theo các góc lập với mặt của trục tròn xoay. Độ rọi E, lux- lx: Người ta định nghĩa độ rọi là mật độ quang thông trên bề mặt được chiếu sáng.
Như vậy nếu một bề mặt diện tích S nhận được quang thông thì độ rọi E được xác định theo công thức: E = /S hoặc 1lux = 1lm/1m2. Đơn vị độ rọi là lux (lx). Sự chiếu sáng trên bề mặt không đều nên tính trung bình số học ở các điểm khác nhau để tính độ rọi trung bình. Khái niệm về độ rọi ngoài nguồn ra còn có liên quan đến vị trí bề mặt được chiếu sáng.
Ta coi nguồn sáng điểm O bức xạ tới một mặt nguyên tố ds ở cách O một khoảng r, một cường độ sáng I. Gọi là góc hợp bởi pháp tuyến n của ds với phương r góc khối d chắn trên một hình cầu bán kính r, một diện tích ds.cos/r2 SVTH: Nhóm 28 GVHD: Th. Ngô Đức Kiên 4 Thiết kế chiếu sáng và cung cấp điện cho công trình Trường Mầm Non 4 tầng Tóm lại mỗi một điểm A của bề mặy tồn tại một độ rọi điểm ứng với cường độ sáng tới điểm đó. Trị số trung bình của độ rọi tất cả các điểm trên bề mặt S chính là độ rọi trung bình của bề mặt này.
Tỉ số giữa độ rọi ở điểm được chiếu sáng yếu nhất và độ rọi trung bình của một bề mặt gọi là hệ số đồng đều độ rọi. Một vài hệ số độ rọi thường gặp. - Độ rọi giữa trưa hè trên mặt đất ở Hà Nội thay đổi 35. - Độ rọi đêm trăng rằm 0,25 lux.
- Độ rọi phòng 400 đến 600 lux. Độ chói L (cd/m2): Một bề mặt được chiếu sáng sẽ phản xạ lại một phần quang thông nhận được và được coi là một nguồn phát sáng thứ cấp. Bề mặt của nó sẽ được bức xạ quang thông theo mọi hướng trong không gian. Người ta định nghĩa độ chói L của một bề mặt phát sáng ds theo một hướng khảo sát là tỉ số giữa cường độ sáng I theo hướng đó và diện tích mặt bao nhìn thấy ds từ hướng đó.cos đơn vị cd/m2.
Độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc hướng quan sát bề mặt đó. Độ chói của một bề mặt bức xạ không phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó tới điểm quan sát. Một vài trị số độ chói thường gặp: - Bề mặt của mặt trời 165.107 cd/m2 - Bề mặt của mặt trăng 25.000 cd/m2 - Đèn nung sáng 100w/220v 6. - Đèn huỳnh quang 40w/220 7.000 cd/m2 - Độ chói chưa gây cảm giác chói mắt < 5000 cd/m2 g.
