ماهیت نور و بررسی تئوری های نور

 

  • نور چیست ؟ 

نور بخشی از طیف امواج الکترومغناطیس است که در برخورد با سلول های گیرنده شبکیه چشم انسان دریافت و پس از ارسال به مغز، کمیت و طیف آن درک می گردد.  طیف دریافت شده از محیط اطراف بر مبنای خصوصیات آن در مغز، به صورت نور، رنگ یا شیء درک می گردد. از نظر فیزیولوژیک برای یک فرد سالم امواج نورانی در محدوده ۳۸۰ تا ۷۷۰ نانومتر به صورت طیف رنگی، قابل رؤیت است که از نور بنفش شروع و به قرمز تیره ختم می گردد. امواج طول موج های قبل و بعد از آن نامرئی هستند و با نام فرابنفش و فروسرخ نامیده شده اند. در این بحث به بررسی انواع تئوری های نور می پردازیم.

  • طیف امواج الکترومغناطیسی و نور مرئی

اصطلاحاً به طبقه بندی تشعشعات نوری که بر مبنای طول موج یا فرکانس بیان شده باشد، طیف گفته می شود. به طور کلی تشعشعات نوری که در محیط وجود دارند به دو گروه نور مرئی و نور نامرئی تقسیم می شوند. به تشعشعی که به وسیلۀ چشم به صورت نور احساس شود، نور مرئی و بالطبع تشعشعاتی که احساس نشود را نور نامرئی می گویند.

از نظر فیزیولوژیک برای یک فرد سالم امواج نورانی در محدوده ۳۸۰ تا ۷۷۰ نانومتر به صورت طیف رنگی، قابل رؤیت است که از نور بنفش شروع و به قرمز تیره ختم می گردد. امواج طول موج های قبل و بعد از آن نامرئی هستند و با نام فرابنفش و فروسرخ نامیده شده اند.

الف) طیف مرئی

در بخش های مرئی از طیف امواج الکترومغناطیسی، معمولاً پنج رنگ پایه در نظر گرفته می شود. این پنج رنگ، قرمز، زرد، سبز، آبی و بنفش است. همانطور که در شکل نشان داده شده است این رنگ ها مرز مشخصی نداشته و به هم آمیخته شده اند. محدودۀ طول موج نورهای مرئی 380 تا 780 نانومتر است که با کاهش طول موج از 780 نانومتر، به ترتیب رنگ های قرمز، زرد، سبز، آبی و بنفش توسط چشم احساس می شود.

ب) تابش فرابنفش 

تابش فرابنفش، به اشتباه نور فرابنفش گفته می شود. طیف این نور کمتر از تابش فرابنفش است. کمیتۀ بین المللی CIE تابش فرابنفش را به بخش های زیر تقسیم بندی کرده است:

1- طیف UV-A : در محدوده 380-315 نانومتر؛ عامل برنزه شدن،

 ۲- طیف UV -B : در محدوده 315-280 نانومتر؛ قرمز شدن و التهاب پوست، آفتاب سوختگی 

۳- طيف UV – C : در محدوده 280-100 نانومتر؛ عامل از بین رفتن ساختارهای سلولی – کاربرد : تصفیه و گندزدایی با اشعه.

   بر خلاف تأثیرات مثبت اشعه ماوراء بنفش (مثلا طيف UV-B موجب تولید ویتامین D در بدن می شود)، مقدار بیش از اندازه این اشعه می تواند برای بدن خطرناک باشد. لایه اوزون، مقدار زیادی از اشعه ماوراء بنفش خورشید، به ویژه طیف UV- C را جذب می کند.

بخش UV-A، بیشترین نوع رایج تابش فرابنفش، اندکی با کوتاه ترین طول موج بخش مرئی طیف اشتراک دارد. بخش UV-B، بیشترین تابش مخرب UV از نور خورشید است.

زیرا این طیف می تواند از اتمسفر زمین عبور کرده و به بافت های زیستی صدمه بزند. تابش طیف UV-C از نور خورشید اگر به زمین برسد، به نسبت سایر طیف های UV آثار بسیار مخرب تری دارد. اما از آنجایی که این طیف توسط هوا جذب می شود هیچگاه به سطح زمین نمی رسد. این طول موج ها کمتر از 180 نانومتر را اصطلاحاً ناحیۀ تابش خلأ می گویند.

 

ج) تابش مادون قرمز 

طول موج تابش مادون قرمز اندکی بزرگتر از طول موج نور مرئی است و طول موج های بزرگتر از یک میلیمتر را اشغال می کند. کمیتۀ CIE ناحیۀ مادون قرمز از طیف امواج الکترومغناطیس را به سه قسمت تقسیم کرده است:

IR-C  ) 3000-106 نانومتر ،IR-B  300-1400)  نانومتر(  ، IR-A  780-1400) نانومتر(

مطالعات نشان داده است که همۀ افراد درک یکسانی از طیف نور دریافتی ندارند. حدود 8% از مردان و 5% از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود 0.003%  نیز قادر به درک هیچ طیف رنگی نیستند. بسیاری از افراد نیز به دلیل عیوب انکساری قادر به درک واضح تصاویر نیستند. از طرف دیگر، دید نزدیک در افراد مسن دچار مشکل می گردد و برخی افراد نیز به دلیل بیماری یا فقر ویتامین دارای درکی واضح از طیف رسیده به چشم خود نیستند.

مطالعات نشان داده است که همه افراد درک یکسانی از طیف نور دریافتی ندارند. حدود ۸٪ از مردان و 0/5 % از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود 0/003 % نیز قادر به درک هیچ طیف رنگی نیستند.

بسیاری از افراد به دلیل عيوب انکساری قادر به درک واضح تصاویر نیستند. دید نزدیک در افراد مسن، دچار مشکل می گردد. برخی افراد نیز به دلیل بیماری یا فقر ویتامین قادر به درک واضح از طیف رسیده به چشم خود نیستند.

 

ماهیت-نور

 

  • فیزیک نور

دانشمندان برای بیان حقیقت علمی نور در طول زمان همواره دچار مشکل بوده اند. تا زمان نیوتن در سال ۱۶۴۲ حتی خود او معتقد به ماهیت ذرهای نور بودند.

از طرف دیگر گریمالدی و هویگنس نظریه موجی بودن نور را مطرح کردند و در سال ۱۸۷۳ ماکسول نظریه امواج الکترومغناطیس را ارائه نمود. در سال ۱۸۸۷ هرتز امواج الکترومغناطیس مصنوعی با طول موج کوتاه تولید کرد.

آزمایشات بعدی نشان داد که اگرچه نظریه موجی بسیار متقن است ولی بیان کننده کامل واقعیت نور نیست. زیرا پدیده هایی ملاحظه شد که با گسیل و جذب نور همراه بودند و بیان کننده ماهیت ذره ای نور هستند. بعدها این ذرات فوتون یا کوانتوم نامیده شدند و از سال ۱۹۲۵ به بعد، تناقض ظاهری میان نظریه موجی و ذره ای با بیان تئوری کوانتومی و مکانیک موجی با نظریات بروگلی و شرودینگر برطرف شد.

 

فیزیک-نور

 


مهمترین تعاریف و تئوری ها برای بیان ماهیت نور به قرار زیر دسته بندی شده اند:

۱- تئوری ذره ای

۲- تئوری موجی

٣- تئوری امواج الکترومغناطیس

۴- تئوری کوانتوم

۵- تئوری مکانیک موجی

6- تئوری اتحاد


 

  • تئوری ذره ای نور

این تئوری نور در ابتدا منتسب به ارسطو است و از آنجایی که نیوتن (۱۷۲۷ – ۱۹۹۲) آن را بیان نموده است، به نام تئوری نیوتنی معروف شده است.

بر اساس این تئوری نور از ذرات بسیار کوچک تشکیل شده است که از اجسام گداخته یا نورانی ساطع می شود و در ورود به چشم روی آن اثر گذاشته و پدیده دیدن را با تحریک چشم ایجاد می کند. این ذرات قادرند در محیط ماده و خلأ منتشر گردند.این نظریه اگرچه دلایل معتدد اثباتی دارد، اما آزمایشاتی که بعدها انجام شد معلوم نمود که این نظریه برخی رفتارهای نور مانند تداخل را نمی تواند تفسیر نماید.

 

تئوری-ذره ای-نور

 

  • تئوری موجی نور

آزمایشاتی که توسط گریمالدی ، هویگنس، فرنل و یانگ انجام شد حاکی از آن بود که برخی رفتارهای نور مانند بازتابش نور و ارتعاش اتر در اثر عبور نور، موجی بودن آن را دلالت می کند و نظریه نیوتنی در این رفتارها ناتوان بود. به همین دلیل نظریه موجی مورد پذیرش قرار گرفت.

موجی بودن نور ابتدا در عبور آن از محیط اتر و مشاهده ارتعاش موجی آن اثبات گردید. نظریه موجی نور اگرچه توسط افراد مختلفی بیان شده ولی به نظریه موجی هویگنس (۱۶۹۰) معروف است.

رفتارهای نور مانند بازتابش نور، موجی بودن آن را دلالت می کند که نظریۀ نیوتنی در بیان این رفتارها ناتوان بود. به همین دلیل، نظریۀ موجی مورد پذیرش قرار گرفت. براساس تئوری موجی ، نور از نوسانات مولکولی اجسام نورانی یا ملتهب ناشی می شود که به صورت موج، منتشر شده و در برخورد با چشم بر اعصاب بینایی اثر گذاشته و سبب دیدن می شود. موجی بودن نور ابتدا در عبور آن از محیط اتر و مشاهدۀ ارتعاش موجی آن اثبات گردید.

اما شواهد آزمایشگاهی نشان داد که امواج نورانی در محیط خلأ منتشر می شوند. با این وجود، محیط اتر منتفی گردید و تئوری موجی نور باقی ماند. نظریۀ موجی نور اگرچه توسط افراد مختلفی بیان شده ولی به نظریۀ موجی هویگنس نیز معروف است.

 

 

تئوری-موجی-نور

 

  • تئوری الکترومغناطیسی نور

ماکسول در ۱۸۶۴ تئوری معروف امواج الکترومغناطیس را ارائه نمود. در این نظریه طیف وسیعی از امواج وجود دارند که ماهیت و رفتار مشابه داشته و همگی دارای ماهیت الکتریکی و مغناطیسی بوده و تحت همین قاعده تولید و منتشر می شوند.

سرعت انتشار آنها در یک محیط یکسان، ولی انرژی آنها متفاوت است. نور مرئی بخشی از این طیف را تشکیل می دهد.

هرتز در ۱۸۸۷ موفق گردید که امواج الکترومغناطیس با طول موج کوتاه تولید نماید. این آزمایش مؤید نظریات ماکسول بود. آزمایشات و تحقیقات بعدی معلوم نمود که سرعت امواج مذکور و بالتبع نور مرئی در خلاء m/s ۲/۹۹۷۹۳ ×10 8  و در هوا m/s ۲/۹۹۷24 ×10 8 است و طیف این امواج دامنه وسیعی دارد. امواج الکترو مغناطیس رفتار موجی دارند لذا این نظریه تئوری موجی نور را تقویت نمود.

بر اساس این تئوری، امواج نور مرئی قسمت کوچکی از طیف الکترومغناطیس هستند که رفتار، و خواص مشابهی دارند. این طیف از اشعه کیهانی شروع و به امواج رادیویی ختم می گردد. طول موج نور مرئی در محدوده 0.77 تا 0.38 میکرون از این طیف است.

 

  • تئوری کوانتومی نور

در اوایل قرن بیستم، برخی نتایج به دست آمده از آزمایش های نظیر اثر فوتوالکتریک، با تئوری موجی نور قابل توجیه نبود. وقتی نور در بعضی طول موج های معین به سطح فلزی بتابد سبب ساطع شدن الکترون از فلز و برقراری جریان برق می گردد و با افزایش طول موج، ساطع شدن الکترون ها متوقف می گردد. علاوه بر این، مشاهده شد که سرعت الکترون های آزاد در فلز، تابعی از طول موج آن بوده و به طول موج نور تابیده شده بستگی ندارد. برای توضیح این پدیده، تئوری کوانتوم پیشنهاد گردید که شباهت زیادی به تئوری ذره ای نور نیوتن داشت.

تئوری نور بر مبنای نظریه کوانتومی عنوان می کند که ماهیتاً نور، على رغم موجی بودن، خواصی شبیه خواص ذرات را دارا است، خصوصا انرژی منتقل شده توسط امواج به صورت مجموعه ای از واحدهای گسسته جابه جا می شوند که انرژی هر یک متناسب با فرکانس موج است.

پلانک در ۱۹۰۳ اعلام کرد که بر اساس مطالعات آزمایشگاهی وی، انرژی نورانی به صورت ذرات کوچک و مجزا از هم تولید یا جذب می گردند که این ذرات در اثر وارد شدن انرژی به الکترون ها و تغییر سطح انرژی آنها ایجاد می گردد، بر اساس این نظریه یک الکترون در اتم با جذب انرژی از یک مدار به مدار بالاتر پرتاب می گردد و در بازگشت انرژی دریافتی را به صورت واحدهای (بسته های منفرد کوچکی (که بعدأ اینشتین آنها را فوتون نامید)، باز پس می دهند.

بر اساس این نظریه، یک الکترون در اتم با جذب انرژی از یک مدار به مدار بالاتر پرتاب می گردد و در بازگشت، انرژی دریافتی را به صورت واحدهای (بسته های) منفرد کوچکی باز پس می دهند.

 

نظریه-پلانک-در-مورد-نور

 

میلیاردها ذره از این نوع در اثر تحریک مداوم اتم در واحد زمان ایجاد و منتشر می گردند و در برخورد با چشم به صورت نور درک می شوند. عکس این عمل نیز ممکن است اتفاق بیفتد. در صورت برخورد فوتون به الكترون، انرژی آن به الكترون منتقل و خود نابود می شود. در آنجا قانون همه یا هیچ حاکم است، زیرا بخشی از انرژی فوتون نمی تواند به الكترون منتقل گردد.

 

تئوری-کوانتوم-

 

انیشتین بعد از دو سال در ۱۹۰۵ با بسط نظریه پلانک بسته های انرژی را فوتون یا کوانتوم (کوانتای انرژی) نامید.

بر اساس مطالعات وی معلوم گردید که گسیل نور از منبع به صورت پیوسته نیست. این نظریه به نظریه کوانتومی نیز معروف است. در واقع این تئوری مشابهت زیادی به نظریه نیوتنی دارد و ماهیت ذره ای نور را بیان می کند.

در این نظریه، انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس آن و برابر حاصل ضرب فرکانس در یک عدد ثابت است که آن را ثابت پلانک J. s۶ / ۶/۲۶۸ ×۱۰ – ۳۴ است:

E = h.f

 

در این رابطه h ثابت پلانک برابر 6.626*10-34 ژول – ثانیه و f فرکانس نور بر حسب سیکل بر ثانیه است. در اثر فوتوالکتریک برای ساطع شدن الکترون، فرکانس باید به حد کافی بالا باشد تا فوتون نور، انرژی کافی برای آزاد ساختن الکترون و دادن انرژی حرکتی به آن را داشته باشد. چگونگی تولید نور در این تئوری به این قرار است که الکترون هایی که در مدارهای داخلی اتم هستند بر اثر جذب انرژی از یک عامل خارجی به مدارهای با شعاع بزرگتر می روند.

در این وضع ناپایدار، پس از مدتی در حدود 10-8 تا 10-7 ثانیه، الکترون ها به مدار عادی خود بر می گردند و انرژی اضافی به فوتونی که ساطع شده، داده می شود. اگر الکترون در مدار بالاتر دارای انرژی w2 ژول و در مدار معمولی خود دارای انرژی w1 ژول باشد، انرژی فوتون برابر w2-w1 بوده و فرکانس نور از رابطۀ زیر محاسبه می شود:

 

                                                                                                   

تئوری کوانتوم، نحوۀ تولید و جذب نور را به خوبی توضیح می دهد اما قادر به توجیه برخی رفتار آن در فضا نیست. لذا هر دو تئوری موجی و کوانتوم برای توضیح رفتار نور لازم است.

 

تئوری-کوانتوم

 

  • تئوری مکانیک موجی نور

این تئوری نور توسط بروگلی و شرودینگر در ۱۹۲۴ و ۱۹۲۵ ارائه گردید و هم اکنون نیز قوت دارد، تئوری مکانیک موجی در بیان ماهیت نور، در واقع تلفیقی از تئوری های موجی و ذره ای است.

بر اساس اعتقاد امروزی، در مواردی که اثر نور بر اجسام و ایجاد واکنش روی سطوح خاص است، مثل پدیده فتوالکتریک، ماهیت ذره ای نور و در مواردی که اثر نور به صورت انتشار یا بازتابش و تفرق مطرح است ماهیت موجی آن بررسی می گردد.

آنچه که در تولید و انتشار نور مورد تأیید است این است که به دلیل وارد شدن انرژی مانند گرما یا الکتریسیته و امثال آن به الکترون های مدارات اتم ها، این الکترون ها از مدار اصلی خود به سمت مدارهای بالاتر پرتاب می شوند و چون تداوم انرژی وارده بر همان الكترون لحظه ای است لذا الكترون بلافاصله به مدار اصلی خود باز می گردد و در این بازگشت انرژی اضافی را به صورت فوتون آزاد می کند.

این ذرات به صورت موجی در محیط اطراف منتشر می گردند. لذا هم ذره ای بودن و هم موجی بودن حرکت در مورد آن صدق می کند که در شکل زیر قابل مشاهده است.

 

                                                         

در امواج الکترو مغناطیس از جمله نور، که سرعت انتشار در آنها ثابت است، طول موج تابعی از فرکانس تابش است. بیشترین حساسیت چشم انسان در ناحیه ۶۰۰-۵۰۰ نانومتر است که در شب و روز تفاوت دارد . در شب و نور کم ۵۰۷ نانومتر و در روز ۵۵۵ نانومتر است.

 


در وبلاگ الیکا الکتریک مطالب مرتبط را دریابید

بیشتر بخوانید:

طراحی روشنایی داخلی

طراحی روشنایی معابر

 قوانین و مقررات روشنایی اضطراری

مفاهیم و تعاریف در طراحی روشنایی


 

  • تابش نور چیست ؟

در امواج الکترومغناطیس طول موج، تابعی از فرکانس تابش است. با توجه به شکل مشاهده می شود که بیشترین حساسیت چشم انسان در ناحیه 500 تا 600 نانومتر است که در شب و روز تفاوت دارد. در شب و نور کم، حداکثر حساسیت در 507 نانومتر و در روز برابر 555 نانومتر است.

لازم به ذکر است که ارتباط بین سرعت، فرکانس و طول موج، به صورت زیر بیان می شود:

   V = f *λ

 

که v سرعت موج (متر بر ثانیه)، f فرکانس (Hz) و λ طول موج (m) است.

  • تئوری اتحاد

این تئوری توسط بروگلی و هایزنبرگ ارائه شد که توسط دو اصل زیر تعریف می شود:

  • هر المان جرم متحرک توأم با یک جریان موجی در مسیر خود است که توسط طول موج حرکت، از رابطۀ زیر تعیین می شود:​                                                                                    

که در این رابطه  جرم ذره بر حسب کیلوگرم است.

  • برای هر ذره معین به طور همزمان نمی توان این مشخصات را اندازه گیری نمود.

 

  • دمای رنگ

دمای رنگ بیان کننده توانایی منبع برای تابش طیفی در مقایسه با یک منبع جسم سیاه است. رنگ نور خروجی از لامپ های مختلف در درجه اول به میزان گرم یا سرد بودن لامپ بستگی دارد. به عبارت دیگر اساسی ترین عاملی که بر رنگ نور خروجی از لامپ تأثیرگذار است دمای داخل لامپ در حین کارکرد است که این دما به طور معمول برحسب کلوین اندازه گیری می شود. هرچه دمای رنگ بالاتر باشد توان خروجی تابش منبع نیز بالاتر خواهد بود. 

برای مثال در المنت های اجاق های برقی با افزایش دمای المنت رنگ آن نیز دچار تغییر می شود. بدین صورت که در ابتدا که المنت برقی در پایین دمای خود قرار دارد رنگ آن قرمز است و به تدریج با افزایش دما به رنگ نارنجی، زرد و در نهایت سفید مایل به آبی در می آید. به طور کلی رنگ نور خروجی از وسایل روشنایی و منابع تولید نور «گرم» بیشتر به رنگ زرد یا نارنجی تمایل دارد و هر چه دمای منبع تولید نور کمتر شود شدت رنگ زرد و نارنجی آن نیز بیشتر می شود.

در مقابل، رنگ نور خروجی از وسایل روشنایی و منابع تولید نور «سرد» بیشتر به رنگ آبی تمایل دارد که با افزایش دمای منبع تولید نور شدت آن افزایش می یابد. برای مثال، نور خروجی از یک لامپ فلورسنت با نور سفید در دمای تقریبی 4100K به آبی متمایل می شود، در حالی که رنگ نور خروجی از چنین لامپی در دمای تقریبی 3000K به زرد متمایل می شود.

 

شدت-نور-روشنایی

 

شعله شمع دارای دمای رنگ ۱۸۰۰K است. لامپ های خانگی التهابی تنگستنی دارای دمای رنگ میانگین ۲۸۰۰ K هستند. سایر لامپ ها شامل فلورسنت میانگین حدود ۴۰۰۰K ۳۰۰۰۰، گازی جیوه ای و متال هالید K۴۰۰۰ ، گازی سدیمی ۲۰۰۰ – ۲۵۰۰K است. دمای رنگ خورشید ۶۵۰۰ K است. از این رو می توان گفت که یکی از شاخص های مهم در انتخاب منابع، درجه رنگ آنها است که به طور استاندارد تعیین می گردد.

از آنجا که مفهوم دمای رنگ ممکن است برای بسیاری از کاربران، شناخته شده و ملموس نباشد، طبق استاندارد، برای بیان دمای رنگ، اصطلاحاتی توسط شرکت های سازنده لامپ متداول شده است که بر روی نام لامپ درج می شود (جدول 1). در درجه بندی منابع ، آنهایی که دارای دمای رنگ بین ۶۰۰۰ – ۵۰۰۰ K باشند تحت نام منابع نور روز نام گذاری می شوند. دمای رنگ دارای محدودیت سقف نیست و بیشترین توان تابش منبع در طول موج مرئی، وابستگی شدیدی به این شاخص دارد.

جدول (1)

اصطلاح معادل

دمای رنگ (بر حسب کلوین)

Daylight

5400-6500

Cool White

4000

White

3500

White Warm

3000

INTERNA (رنگ نور لامپ رشته ای)

2700

 

   برای مشخص شدن ارتباط دمای رنگ با رنگ نور از منحنی هایی، که به منحنی پلانکین موسوم هستند استفاده می شود. لازم است در اینجا بر تفاوت بین بین دمای رنگ با مفهومی که از نورهای گرم و سرد در اصطلاحات هنری متداول است، تأکید شود. در اصطلاحات هنری، نورهای سفید متمایل به آبی اغلب با نورهای سرد شناخته می شوند که باعث می شود محیط سردتر و خنکتر به نظر برسد. حال آنکه چنین نوری، دمای رنگ بالایی دارد. رنگ نور مناسب در هر محیط، متناسب با کاربرد آن انتخاب می شود. در اغلب استانداردهای روشنایی، رنگ نور مناسب در هر محیط نیز در یک ستون مجزا درج گردیده است. 

نمودار-دمای-رنگ

   به عنوان مثال، برای محیط هایی که قرار است فرد در آن به استراحت بپردازد، نظیر بیمارستان، منازل، هتل ها و …، رنگ نورهای گرم با دمای رنگ پایین، یعنی نورهای سفید گرم توصیه می شود. در مقابل در محیط های صنعتی، نظیر کارگاه تراشکاری و پرس، بهتر است سراغ رنگ نورهای سرد نظیر روشنایی روز برویم که مانع خواب آلودگی افراد می شود. برای محیط هایی نظیر مدارس، دفاتر اداری، آشپزخانه منزل، راهرو بیمارستان و … توصیه می شود که نورهای میانه نظیر سفید و سفید سرد انتخاب گردد.

   در بسیاری از موارد به غلط دیده می شود که برای اینکه یک محیط اداری، دارای رنگ نور میانه باشد، دو لامپ با رنگ نور سفید گرم و روشنایی روز را کنار هم قرار می دهند که با ترکیب این ها نور محیط به حد میانه برسد، حال آنکه این کار ضمن اینکه باعث زشت شدن محیط شده و بر توزیع غیریکنواخت روشنایی اثر می گذارد، از نظر طراحی روشنایی نوین امر مطلوبی نیست و در هیچ یک از منابع علمی طراحی روشنایی داخلی، چنین کاری توصیه نشده است. بدیهی است که در حالتی که می توان با استفاده از لامپ هایی با رنگ نور میانه (نظیر سفید سرد) به هدف مورد نظر رسید ضرورتی به انجام چنین کاری نیست.

 

  • شاخص نمود رنگ

شاخص رنگ دهی یا شاخص نمود رنگ منابع تولید نور که به اختصار آن را به CRI نشان می دهند معیاری نسبی بین 0 تا 100 است که نشان می دهد رنگ نور منعکس شده از اشیای موجود در یک محیط تا چه اندازه به رنگ واقعی آنها نزدیک است.

رنگ هر یک از اجسام موجود در محیط در واقع انعکاسی از نوری است که توسط وسایل روشنایی موجود در آن محل منتشر شده است. شاخص رنگ دهی معیاری است که مشخص می کند رنگ هر یک از اجسام در معرض یک منبع تولید نور خاص در مقایسه با رنگ همین اجسام هنگامی که در معرض یک منبع تولید نور استاندارد قرار می گیرند چگونه است. هرچه شاخص رنگ دهی منابع تولید نور عدد بالاتری باشد بدین معنی است که رنگ اجسام در معرض نور تولید شده از این منبع مغایرت کمتری با رنگ واقعی آنها خواهد داشت.

توجه داشته باشید که با استفاده از شاخص CRI به هیچ وجه نمی توان تعیین کرد که چه رنگی به چه مقدار در مقایسه با رنگ واقعی خود دچار تغییر میشود. بلکه این شاخص معیاری کلی از متوسط تغییرات هشت رنگ استاندارد به شمار می رود.بنابراین امکان آن وجود دارد که شاخص CRI در دو منبع تولید نور متفاوت با یکدیگر برابر باشد ولی رنگ یک شی یکسان در معرض هر یک از آنها با دیگری کاملا متفاوت باشد. در هر صورت شاخص CRI معیاری مناسبی برای دستیابی به یک ارزیابی کلی از منبع تولید نور است ولی نمی توان از آن به عنوان یک معیار قطعی و کامل استفاده کرد.

درجه بندی-دمای-رنگ-لامپ ها

 

به طور معمول شاخص CRI بین 75 تا 100 برای منابع تولید نور عالی به شمار می رود در حالی که شاخص های بین 65 تا 75 در گروه منابع تولید نور با کیفیت خوب جای می گیرد. به همین ترتیب منابع تولید نوری که شاخص CRI در آنها بین 55 تا 65 است در گروه متوسط و بین 0 تا 55 در گروه ضعیف جای می گیرند.

به طور کلی هرچه شاخص CRI در منابع تولید نور بالاتر باشد، سطوح رنگی که در معرض نور منتشر شده از آنها قرار می گیرند روشن تر به نظر می رسند و میزان درخشش و شدت روشنایی آنها بیشتر است. شاخص رنگ دهی یا شاخص نمود رنگ منابع عبارت از نسبت تشخیص رنگ اشیاء یا تصاویر در زیر نور هر منبع نسبت به تشخیص رنگ در زیر نور خورشید است و برای نور خورشید این شاخص ۱۰۰ تعیین شده است.

درصد بازتاب رنگ برای چند گروه از لامپ های مختلف عبارت است از :

 لامپ های فلورسنت:  %80 – 50

لامپ های بخار سدیم: % 40 – 20 

لامپ های متال هالید: % 90 – 80

   درصد بازتاب رنگ طبق استاندارد، در ۵ گروه کلی مشخص می شود که در (جدول 2)، علامت گروه و شرح آن ارایه شده است.

جدول (2) گروه های اصلی نمود رنگ

گروه

درصد بازتاب رنگ

1A

رنگ عالی (100-90 %)

1B

رنگ خیلی خوب (90-80 %)

2A

رنگ خوب (80-70 %)

2B

رنگ متوسط (70-60 %)

3

رنگ قابل قبول (60-40 %)

4

رنگ ضعیف (40-20 %)

 

   برای بیان دمای رنگ و درصد بازتاب رنگ لامپ های مختلف، انجمن بین المللی مهندسین روشنایی، یک کد سه رقمی را برای لامپ ها پیشنهاد کرده است (نظير 827، 740، 930 و …) که رقم اول آن، درصد بازتاب رنگ (جدول 3) و دو رقم بعدی (جدول 4)، دمای رنگ را نشان می دهد.

 

جدول (3) رابطه رقم اول کد سه رقمی لامپ با درصد بازتاب رنگ

درصد بازتاب رنگ

رقم اول

90-100 %

9

80-89 %

8

70-79 %

7

60-69 %

6

50-59 %

5

40-49 %

4

 

جدول (4) رابطه رقم دوم و سوم کد سه رقمی لامپ با دمای رنگ

دمای رنگ لامپ (کلوین)

رقم دوم و سوم

2700

27

3000

30

4000

40

5000

50

6000

60

6500

65

 

   درصد بازتاب رنگ در هر محیط نیز از جمله مواردی است که توسط استاندارد مشخص می شود، به عنوان مثال، طبق استاندارد (۴) درصد بازتاب رنگ در یک محیط بیمارستانی باید در گروه 1 (یعنی 1A یا 1B) باشد. در نتیجه استفاده از لامپ های فلورسنت معمولی (که در گروه 2A یا 28 قرار می گیرند)، برای این منظور صحیح نیستند.

 

  • انواع لامپ با توجه به رنگ نور

  • 865-Daylight

   لامپ های با رنگ نور 865، منابع نوری اقتصادی و مقرون به صرفه برای تأمین روشنایی اماکنی هستند که به روشنایی زیاد نیاز دارند و رنگ اشیا باید با دقت مناسبی تشخیص داده شود و لازم است رنگ اشيا تا آنجا که ممکن است طبیعی نشان داده شوند. به عنوان مثال فروشگاه های لباس، کفش، جواهر، عینک ، مواد غذایی، سوپرمارکت ها و نیز صنایع تولیدی نظیر کارخانه های تولید لباس و پارچه و مواد غذایی و … می توانند از این نوع لامپ استفاده کنند.

 

لامپ های-865-Daylight-lamp-برای-تأمین-روشنایی-زیاد

 

روشنایی-فروشگاه-لباس

 

  • 965-Daylight

   موزه ها، گالری های نقاشی، لابراتوارهای دندانپزشکی، اتاق کار گرافیست ها ، سالن رنگ صنایع خودروسازی و … نمونه هایی از این دست هستند. چرا که به عنوان مثال در یک لابراتوار دندانسازی، رنگ روکش جدیدی که قرار است بر روی دندان گذاشته شود باید با رنگ اصلی دندان مطابقت داشته باشد، یا در یک فروشگاه چاپ داشتن رنگ واقعی اهمیت بسیار زیادی دارد.

 

لامپ-مناسب-لابراتورهای-دندان پزشکی

 

  • 840-CoolWhite 

   لامپ های Cool White (سفید سرد) با داشتن نوری با دمای رنگ 4000 کلوین، رنگ نوری بین لامپ های التهابی و لامپ های Daylight دارند. نور این لامپ ها بسیار درخشنده است و بسیار نزدیک به نور روز است. این لامپ ها برای محیط های کاری نظیر کارگاه، دفاتر اداری، نمایشگاه، سالن های ورزشی، سالن انتظار راه آهن و فرودگاه، مجموعه های آموزشی، بانک ها و دفاتر بیمه و … ایده آل هستند. همچنین در محیط های خانگی، می توان این لامپ ها را در آشپزخانه و حمام مورد استفاده قرار داد.

 

نمونه-لامپ-840-CoolWhite
                      نمونه لامپ 840-                  

 

لامپ-مناسب-نورپردازی-ادارات-و-دفاتر-کار

 

  • 830-WarmWhite

   نور این لامپ ها با دمای رنگ 3000 کلوین، باعث می شوند که در محیط احساس گرم بودن و آرامش ایجاد شود. رنگ نور این لامپ ها شبیه رنگ نور لامپ های هالوژن است، و محیط را طوری روشن می کنند که افراد حاضر در آن احساس آرامش کنند. رنگ نور سفید گرم برای کلیه محل هایی توصیه می شود که به نور غیر مستقیم و محیط آرامش بخش مورد نیاز است نظیر مهدهای کودک، بیمارستان، هتل، سالن های کنفرانس و رستوران.

 

لامپ-مناسب-نورپردازی-بیمارستان

 

  • رفتارهای نور

امواج نوری در محیط انتشار دارای رفتارهای فیزیکی هستند که این رفتارها در مباحث مربوط به ارزیابی و طراحی روشنایی دارای اهمیت است. این رفتارها در پنج دسته خلاصه شده اند:

  • بازتابش
  • پراکندگی و انحراف
  • شکست
  • تداخل امواج
  • تجزیه طیف

 


بیشتر بخوانید:

طراحی روشنایی بر اساس بینایی انسان

طراحی با نور یا نورپردازی


 

  • بازتابش نور

بخشی از موج نور در برخورد به سطوح اجسام منعکس می گردد. چگونگی بازتابش نور وابسته به مشخصات مانع است، اصولاً همه موانع می توانند بخشی از نور تابیده شده روی سطح خود را منعکس کنند.

قسمتی از نور نیز در برخورد با اجسام جذب می گردد. زاویه تابش و بازتابش در روی سطوح صاف، برابر هستند.

 

بازتابش-نور

 


بازتابش نور از روی سطوح از دو جنبه دارای اهمیت است:

  • بازتابش انرژی
  • بازتابش طیف

 

  • پراکندگی و انحراف

امواج نوری در برخورد با ذراتی که بزرگتر از طول موج خود هستند (مانند ذرات بخار) تغییر جهت می دهند. روشنایی روز، قبل از طلوع آفتاب و بعد از غروب آن، مثال بارزی از این پدیده است.

آسمان در روز آبی به نظر می رسد. اگر جو زمین نبود آسمان روز هم تاریک به نظر می آمد در هنگام غروب خورشید به دلیل اینکه نور مسیر طولانی تری را طی می کند در هنگام عبور از جو نزدیک سطح زمین، طیف آبی آن حذف می شود آنچه می ماند، نور زرد و سرخ است.

همچنین برخورد پرتوهای نور به لبه اشیاء نیز باعث انحراف آن می شود. علاوه بر این، پرتوهای نور در حالت عادی دارای واگرایی هستند. لیزر برخلاف پرتوهای معمول واگرایی ندارد. 

هرگاه موج نوری از یک محیط شفاف وارد محیط شفاف دیگر گردد، زاویه تابش آن در محیط دوم نسبت به خط عمود بر سطح جداکننده در محیط تغییر پیدا می کند که به آن شکست می گویند.

میزان تغییر زاویه تابش نور در محیط دوم وابسته به ضریب شکست آن محیط است که بر اساس قانون اسنل به صورت زیر بیان شده است:

ضریب شکست خلاء برابر یک است و ضریب شکست هوا نیز برابر یک در نظر گرفته می شود. ضریب شکست شیشه بین 1.8-1.5، یخ 1.3 ، کوارتز 1.54، الماس 2.42 و آب 1.33 است.

نسبت زوایا و نسبت ضرایب شکست دو محیط، همواره ثابت است. اگر نور از محیط رقیق وارد محیط غلیظ گردد زاویه تابش به خط عمود نزدیک می گردد.

شکست نور، باعث می شود که در برخی موارد اشخاص در تشخیص عمق مایعات و موقعیت قرارگیری اشیاء در آنها دچار اشتباه گردند. شکل زیر تغییر زاویه تابش نور نسبت به خط عمود وقتی از هوا وارد آب می شود را نشان می دهد.

 

 

 شکست موج نوری

 

  • تداخل امواج

تداخل به وضعیتی گفته می شود که در گستره ای از فضا، دو یا چند موج همزمان در هر نقطه از نقاط آن فضا وجود داشته باشند. برآیند این امواج وابسته به اختلاف فاز آن ها است.

دامنه های هم فاز با هم جمع می شوند و تداخل سازنده ایجاد می کنند. به همین ترتیب تداخل های ویرانگر نیز در اثر تداخل امواج با فاز متقابل ، ایجاد می شود. این پدیده در امواج صوتی نیز دیده می شود.

 

تداخل-امواج-نور

 

  • تجزیه

تجزیه طیف نور با پاشش نور، در اثر شکست در محیط شفاف، در یک منشور نشان داده می شود. اگر نور سفید با طیف کامل به یک منشور تابانده شود به علت شکست در داخل منشور تغییر جهت می دهد این تغییر جهت باعث می شود که طول موج های ترکیب نور سفید دارای زوایای شکست متفاوت باشند و در هنگام خروج از منشور بصورت طيف منفک شده قابل دریافت روی یک سطح باشند. درخشندگی سطح کریستال هایی مانند الماس نیز به همین دلیل است.

 

تجزیه-نور

 

 

  • منابع تولید نور

   طبق نظریه پلانک، برای اینکه از اجسام مختلف، نور ساطع شود، لازم است که مقدار معینی انرژی به آنها داده شود تا بتوانند نور را به صورت بسته های انرژی ساطع کنند. در عمل این انرژی به سه طریق به اجسام داده می شود و از این سه طریق نور تولید و منتشر می شود که عبارتند از:

 ۱- ایجاد نور در اثر حرارت

   اصلی ترین و بزرگترین منبع نوری که تاکنون شناخته شده است خورشید است، نوری که از خورشید منتشر شده و به زمین می رسد در اثر حرارت ناشی از فعل و انفعالات شیمیایی است. لامپ های رشته ای و لامپ های هالوژن نیز بر همین اساس نور تولید می کنند، در این لامپ ها در اثر عبور جریان الکتریکی رشته فيلامان تنگستن گداخته شده و در اثر حرارت ایجاد شده ملتهب می گردد و نور ساطع می کند.

 ۲- ایجاد نور در اثر تخلیه الکتریکی در گاز 

   در اطراف هسته هر اتمی، الکترون ها، در ترازهای معینی در حال گردش هستند. چنانچه به هر دلیلی به این الکترون ها انرژی داده شود (نظیر گرما یا اختلاف پتانسیل الکتریکی)، الکترون ها از تراز اصلی خود خارج شده و به تراز با سطح انرژی بالاتر می روند، حال چنانچه منبع انرژی برداشته شود، این الکترون ها دوباره به مدار اصلی خود باز می گردند و در حین این بازگشت انرژی دریافت شده در مرحله قبل را به صورت نور آزاد می کنند، به این ترتیب تخلیه الکتریکی در گاز می تواند باعث تولید نور شود. طبقه بندی لامپ ها از یک منظر براساس نوع گازی است که در آن تخلیه الکتریکی صورت می گیرد. در حال حاضر، گازهای مورد استفاده در ساختمان لامپ برای تخلیه الکتریکی عبارتند از:

   گاز بخار جیوه، گاز بخار سدیم و هالید فلزات مختلف، که براساس این ترکیبات، به ترتیب لامپ های بخار جیوه، لامپ بخار سدیم و لامپ متال هالید تولید می شوند. 

   البته در برخی لامپ های با کاربرد خاص گازهای دیگری استفاده می شود که کاربردهایی غیر از روشنایی عمومی دارند. از یک منظر دیگر، لامپ های مختلف را براساس فشار گاز داخل لامپ، تقسیم بندی می کنند. در مورد لامپ های فلورسنت، تخلیه الکتریکی در بخار جیوه و با فشار کم صورت می گیرد، حال آنکه در یک لامپ متال هالید، تخلیه الکتریکی در گازی با فشار زیاد که به صورت ترکیبی از هالید چند فلز است صورت می گیرد.

  • انواع لامپ های تخلیه در گاز

لامپ های تخلیه در گاز شامل گروه های زیر هستند:

  • لامپ فلورسنت
  • لامپ گازی سدیمی فشار پایین و فشار بالا
  • لامپ گازی جیوه ای فشار بالا
  • لامپ بدون الکترود
  • لامپ متال هالید
  • لامپ قوس الکتریکی
  • لامپ فلاشی

 

استفاده-از-لامپ های-تخلیه-در-گاز-در-روشنایی

 

٣- تشعشع کریستال ها

   عبور جریان الکتریکی در نیمه هادی ها خود به خود باعث تحریک الکترون ها و رفتن آن ها به تراز بالاتر و انتشار نور می شود. امروزه با پیشرفت تکنولوژی تولید LED و تنوع در محصولات آنها رنگ نورهای مختلف و بسیار زیبایی را می توان با استفاده از LED تولید کرد و کاربرد آنها در روشنایی عمومی روز به روز در حال توسعه است.

 

بر این اساس انواع لامپ ها را می توان در سه دسته زیر تقسیم نمود:

  1. لامپ رشته ای یا التهابی
  2. لامپ تخلیه در گاز
  3. لامپ دیودی

 

  • منحنی پخش نور

اکثراً منابع نوری، منابع نقطه ای نیستند؛ پس شدت نور یکنواختی در جهات مختلف ندارند. نحوۀ توزیع شدت نور یک منبع برای محاسبات روشنایی اهمیت دارد و معمولاً توسط شرکت سازنده لامپ و چراغ اندازه گیری می شود و به عنوان منحنی پخش نور داده می شود. برای نمایش منحنی پخش نور روش های مختلفی وجود دارد که یکی از معمول ترین روش ها، منحنی های قطبی است. شدت نور بسیاری از چراغ ها دارای تقارن حول محور عمودی چراغ است و برای نمایش پخش نور تنها یک منحنی در یکی از صفحات قائم کافیست.

در منحنی شکل زاویه از محور قائم که از چراغ می گذرد اندازه گیری می شود و در هر زاویه، فاصلۀ شعاعی منحنی از محل چراغ، شدت نور در آن زاویه را مشخص می کند. در این شکل، نور چراغ A (منحنی پایین) تا زاویۀ 35 درجه حول محور قائم محدود است و حداکثر شدت نور آن نیز حدود 675 کاندلا (در زوایۀ صفر درجه) است. نور چراغ B (منحنی بالایی) در اطراف خط افق نیز متمرکز است و حداکثر شدت نور آن 170 کاندلا است. شار نوری چراغ A خیلی بیشتر از چراغ B به نظر می رسد که واقعیت ندارد و این یکی از عیوب منحنی های قطبی است. عیب دیگر آن، این است که در زوایایی که شدت نور، تغییرات سریع دارد، این منحنی دقت کافی به دست نمی دهد. علی رغم این معایب، استفاده از منحنی های قطبی معمول ترین روش برای نشان دادن توزیع نور است.

برای چراغ هایی که تقارن محوری ندارند، دو یا چند منحنی قطبی ترسیم می شود. برای چراغ هایی که شعاع نوری خیلی متمرکزی دارند با توجه به اینکه بسیاری از لامپ ها با شار نوری متفاوت، دارای توزیع شدت نور مشابه هستند، منحنی های توزیع شدت نور غالباً برای شار نوری 1000 لومن ترسیم می شود. لذا برای یافتن توزیع واقعی، نسبت شار نوری لامپ به 1000 لومن در مقادیر منحنی ضرب می شود.

                                     

                                                                                    

                                                                                             منحنی قطبی پخش نور

برای تعیین توان نوری (شدت نور) ساطع شده از هر چراغ، روش های استانداردی وجود دارد که سازندگان موظفند بر اساس آن، مشخصات فنی چراغ را تعیین و ارائه نمایند. به عنوان مثال برای منابع نقطه ای، روشی ارائه شده که در آن برای 90 درجه از یک نیم صفحۀ قائم، در جهت تقارن منحنی پخش نور چراغ، ضرایبی تعیین شده است که با اندازه گیری شدت روشنایی در فاصلۀ معین از آن، در گام های 10 درجه ای انجام شده و به کاندلا تبدیل می شود.

در ادامه با ضرب مقادیر اندازه گیری شده در ضرایب زاویه ای متناظر، حاصل جمع آنها در دو ضرب شده که به عنوان شدت نور کل چراغ منظور می شود. جدول زیر، نمونه ای از این ضرایب ناحیه ای را نشان می دهد.

                                                                     ضریب ناحیه برای نسبت های 10 درجه یک منبع نقطه ای

زاویه

ضریب

زاویه

ضریب

5

0.0955

55

0.8972

15

0.2835

65

0.9926

25

0.4629

75

1.0579

35

0.6282

85

1.0911

45

0.7744

   

 


بیشتر بخوانید:

طراحی روشنایی در منازل مسکونی

انواع سیستم های کنترل روشنایی ساختمان

طراحی روشنایی مراکز اداری، آموزشی و فروشگاه ها

طراحی روشنایی مراکز درمانی

طراحی روشنایی مجموعه های ورزشی

 

در صورتی که سوالی در خصوص مطالب بیان شده دارید می توانید در قسمت نظرات ذکر کنید و با ارائه نظرات خود، ما را در بهبود هر چه بیش تر کیفیت مطالب یاری کنید. 

, , ,

مقالات مرتبط

نظرات