تئوری های نور و روشنایی

 

  • ماهیت نور

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 می باشد 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.

  • 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 می باشد 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 می باشد. 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 ۳۸۰ تا ۷۸۰ نانومتر است که با کاهش طول موج از ۷۸۰ 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:

۱- طیف UV-A : در محدوده ۳۸۰-۳۱۵ نانومتر؛ عامل برنزه شدن،

 ۲- طیف UV -B : در محدوده ۳۱۵-۲۸۰ نانومتر؛ قرمز شدن و التهاب پوست، آفتاب سوختگی 

۳- طيف UV – C : در محدوده ۲۸۰-۱۰۰ 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 ۱۸۰ 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  ) ۳۰۰۰-۱۰۶ نانومتر ،IR-B  ۳۰۰-۱۴۰۰)  نانومتر(  ، IR-A  ۷۸۰-۱۴۰۰) نانومتر(

مطالعات نشان داده است که همۀ افراد درک یکسانی از طیف نور دریافتی ندارند. حدود ۸% از مردان و ۵% از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود ۰٫۰۰۳%  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 ۰/۵ % از زنان قادر به درک بخشی از طیف رنگی نور مرئی و حدود ۰/۰۰۳ % 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 ذرهای نور می باشند. 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

۶- تئوری اتحاد


 

  • تئوری ذره ای

این نظریه 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

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 امواج الکترومغناطیس

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 ×۱۰ ۸  و در هوا m/s ۲/۹۹۷۲۴ ×۱۰ ۸ 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 می باشند 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 ۰٫۷۷ تا ۰٫۳۸ میکرون از این طیف است.

 

  • تئوری کوانتوم

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.

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 نمیتواند 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 آنرا ثابت پلانک J. s۶ / ۶/۲۶۸ ×۱۰ – ۳۴ است:

E = h.f

 

در این رابطه h ثابت پلانک برابر ۶٫۶۲۶*۱۰-۳۴ 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 ۱۰ تا ۱۰ 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

این تئوری 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 به لافاصله 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 می باشد.

 

                                                         

در امواج الکترو مغناطیس از جمله نور، که سرعت انتشار در آنها ثابت است، طول موج تابعی از فرکانس تابش میباشد. 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 می باشد.

 


در وبلاگ الیکا الکتریک مطالب مرتبط را دریابید

بیشتر بخوانید:

روشنایی داخلی

 روشنایی معابر

                   قوانین و مقررات روشنایی اضطراری

                      تأسیسات روشنایی


 

  • پدیدۀ تابش نور در اثر تحریک اتم

در امواج الکترومغناطیس طول موج، تابعی از فرکانس تابش می باشد. با توجه به شکل مشاهده می شود که بیشترین حساسیت چشم انسان در ناحیه ۵۰۰ تا ۶۰۰ نانومتر است که در شب و روز تفاوت دارد. در شب و نور کم، حداکثر حساسیت در ۵۰۷ نانومتر و در روز برابر ۵۵۵ نانومتر می باشد.

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) می باشد.

  • 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 می باشد 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

برای یک منبع مجهول، برای بیان انتشار طیف نوری منابعی مانند لامپ التهابی تنگستنی یا سایر لامپ های مشابه، با عنایت به روابط پیش گفت می توان به دو ویژگی مقدار انرژی تابشی در تمام طول موج ها و دمای مطلق اكتفا نمود، اما برای بیان چگونگی تابش طیف مرئی سایر منابع از کمیت دمای رنگ استفاده می گردد.

دمای رنگ بیان کننده توانایی منبع برای تابش طیفی در مقایسه با یک منبع جسم سیاه است.

دمای رنگ به نوعی بیان کننده گرمی یا سردی طیف تابشی منبع نیز هست زیرا برخی طیف ها از نظر روانشناسی سرد و برخی گرم هستند. طیف سرد در طول موجهای مرئی کوتاه و میانی و طیف گرم بلند و میانی است.

دمای رنگ منبع به درجه کلوین K برای هر منبع بیان می شود و از این نظر منابع با هم قابل مقایسه خواهند بود. دمای رنگ با یک منبع کامل که همان منبع جسم سیاه است نیز قابل مقایسه است.

هرچه دمای رنگ بالاتر باشد توان خروجی تابش منبع نیز بالاتر خواهد بود. تابش طیفی در یک منبع همراه با گرم شدن ابتدا در ناحیه مادون قرمز سپس قرمز، زرد، سفید مایل به آبی و آبی است.

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.

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.

 

نمودار-دمای-رنگ

 

شاخص رنگ دهی یا شاخص تجلی رنگ منابع عبارت از نسبت تشخیص رنگ اشیاء یا تصاویر در زیر نور هر منبع نسبت به تشخیص رنگ در زیر نور خورشید می باشد و برای نور خورشید این شاخص ۱۰۰ تعیین شده است.

شاخص دمای رنگ منبع تا حدودی برای تشخیص رنگ دهی نور آنها قابل استفاده است، اما بیان کننده واقعی رنگ دهی نور منبع نمی باشد.

به طور مثال، اگرچه دمای رنگ لامپ التهابی و گازی سدیمی نزدیک است اما رنگ دهی آنها به ترتیب ۱۰۰ و ۲۵ است که قابل مقایسه نیستند. این شاخص برای فلورسنت ۸۵ ، متال هالید ۸۰ و گازی جیوه ای ۴۰ می باشد.

 

درجه بندی-دمای-رنگ-لامپ ها

 

  • 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

 

  • بازتابش نور

بخشی از موج نور در برخورد به سطوح اجسام یا مرت 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 نمایند.

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

 

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 بصورت زیر بیان شده است:

ضریب شکست خلاء برابر یک است و ضریب شکست هوا نیز برابر یک در نظر گرفته میشود. ضریب شکست شیشه بین ۱٫۸-۱٫۵، یخ ۱٫۳ ، کوارتز ۱٫۵۴، الماس ۲٫۴۲ و آب ۱٫۳۳ 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 ۳۵ درجه حول محور قائم محدود است و حداکثر شدت نور آن نیز حدود ۶۷۵ کاندلا (در زوایۀ صفر درجه) است. نور چراغ B (منحنی بالایی) در اطراف خط افق نیز متمرکز است و حداکثر شدت نور آن ۱۷۰ 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 ۱۰۰۰ لومن ترسیم می شود. لذا برای یافتن توزیع واقعی، نسبت شار نوری لامپ به ۱۰۰۰ 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 ۹۰ 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 ۱۰ 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 ۱۰ درجه یک منبع نقطه ای

زاویه

ضریب

زاویه

ضریب

۵

۰٫۰۹۵۵

۵۵

۰٫۸۹۷۲

۱۵

۰٫۲۸۳۵

۶۵

۰٫۹۹۲۶

۲۵

۰٫۴۶۲۹

۷۵

۱٫۰۵۷۹

۳۵

۰٫۶۲۸۲

۸۵

۱٫۰۹۱۱

۴۵

۰٫۷۷۴۴

   

 


بیشتر بخوانید:

              طراحی روشنایی در منازل مسکونی

             سیستم کنترل روشنایی ساختمان

                طراحی روشنایی مراکز اداری، آموزشی و فروشگاه ها

               طراحی روشنایی بیمارستان ها

             طراحی روشنایی مجموعه های ورزشی

               تأثیرات روشنایی

             بینایی و روشنایی

 

 

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. 

 

لینک کالاهای مرتبط:

 

 

 

, , ,

مقالات مرتبط

نظرات