Obiettivi:
Comprendere la differenza tra luce fisica e luce percepita dall'occhio umano.
Conoscere le principali unità di misura della luce: candela (cd) e lumen (lm).
Capire cosa sono le grandezze fotometriche e in quali ambiti sono importanti.
1. Introduzione: Come Misuriamo la Luce nella Vita di Tutti i Giorni?
Quando acquistiamo una lampadina, sulle confezioni troviamo diverse informazioni come watt (potenza elettrica), lumen (quantità di luce) e kelvin (temperatura di colore).
2. Luce Fisica vs. Luce Percepita: Perché la Differenza è Fondamentale
Considerate due torce che emettono radiazioni con la stessa potenza (stessi watt): una emette luce verde-gialla visibile, l'altra emette luce rossa. Sebbene abbiano la stessa potenza in watt, la torcia con luce verde-gialla apparirà più luminosa.
Questo accade perché l'occhio umano percepisce solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico, all'incirca tra 380 e 780 nanometri. Inoltre le lunghezze d'onda visibili sono percepite in modo diverso (luminosità fotopica dell'occhio umano); siamo molto più sensibili alla luce verde-gialla (attorno ai 555 nm) rispetto al blu e al rosso.
Per questo motivo, quando misuriamo la luce destinata all'uso umano, è fondamentale considerare come il nostro occhio la percepisce. Questo è il campo della fotometria, che, a differenza della radiometria, pondera la misurazione dell'energia luminosa in base alla sensibilità visiva umana.
3. Le Unità di Misura Fondamentali della Luce Percepita
La candela (cd) - L'Intensità Luminosa
È un'unità di misura fondamentale nel Sistema Internazionale.
Misura quanto è "intensa" la luce emessa da una sorgente in una particolare direzione.
Ha una storia legata alla luce di una candela di cera d'api, ma la sua definizione moderna si basa su una specifica sorgente monocromatica
Una candela di cera ha un'intensità di circa 1 cd.
Il lumen (lm) - Il Flusso Luminoso
Misura la quantità totale di luce emessa da una sorgente in tutte le direzioni.
È l'unità che troviamo sulle confezioni delle lampadine per indicarne la "quantità di luce".
Matematicamente, è correlato alla candela: 1 candela equivale a 1 lumen per steradiante (cd=lm/sr). Lo steradiante (sr) è l'unita di misura dell'angolo dell'angolo solido; una sfera completa misura 4π sr. Una sorgente che emette 1 candela in tutte le direzioni produce circa 12,57 lumen
4. Il Lumen come "Potenza Luminosa Percepita"
watt (W): È una misura oggettiva della potenza energetica totale (inclusa quella non visibile, come calore o infrarossi).
lumen (lm): È calcolata a partire dalla potenza in watt, ponderandola secondo la percezione dell'occhio umano.
Anche per questo motivo due sorgenti con gli stessi Watt possono emettere un numero diverso di Lumen: una può essere inefficiente nel produrre luce visibile, dissipando energia in altre forme.
Esempio:
Una vecchia lampadina a incandescenza da 60W produceva circa 800 lumen.
Un moderno LED da soli 10W può produrre gli stessi 800 lumen.
Entrambi forniscono la stessa "quantità" di luce percepita (stessi lumen), ma il LED è molto più efficiente (consuma meno watt).
5. Altre Grandezze Fotometriche Importanti
Le grandezze fotometriche sono quelle che descrivono la luce in termini di percezione visiva umana, a differenza di quelle radiometriche. Le principali, oltre a Flusso Luminoso (lumen) e Intensità Luminosa (candela), sono:
Illuminamento (E):
Definizione: È la quantità di flusso luminoso che arriva su una superficie per unità di area.
Unità: lux (lx), che corrisponde a 1 lumen per metro quadrato (lm/m²).
Applicazione: Usato per definire i livelli di luce necessari per diverse attività e rispettare normative.
Esempi: Un ufficio ben illuminato ha circa 500 lx; la luce solare diretta può superare i 100.000 lx.
Quanti lux in una aula scolastica ?
Luminanza (L):
Definizione: La quantità di luce emessa, riflessa o trasmessa da una superficie in una specifica direzione, per unità di area e angolo solido. È ciò che percepiamo come la "brillanza" di una superficie.
Unità: nit (nt) o candela per metro quadro (cd/m²).
Applicazione: Importante nella fotografia e per gli schermi.
Esempi: Uno schermo LCD ha una luminanza tipica di ~200 cd/m²; un cielo sereno circa 8.000 cd/m². Quanto vale la luminanza dello schermo del tuo telefono?
6. Efficienza Luminosa
Definizione: È il rapporto tra il flusso luminoso (lumen) emesso e la potenza elettrica (watt) assorbita da una sorgente luminosa.
Unità: lumen per watt (lm/W).
Indica quanto è efficiente una lampada nel convertire l'energia elettrica in luce visibile percepita.
Esempi: Le lampadine a incandescenza sono poco efficienti (~15 lm/W), mentre i LED moderni sono molto efficienti (~100-200 lm/W).
7. Sintesi e Conclusioni
La candela (cd) misura l'intensità della luce in una direzione specifica.
Il lumen (lm) misura la quantità totale di luce (visibile dall'uomo) emessa dalla sorgente (la "potenza luminosa percepita").
Le grandezze fotometriche (come lumen, candela, lux, luminanza) sono cruciali perché tengono conto della sensibilità dell'occhio umano.
L'efficienza luminosa (lm/w) è una misura fondamentale per confrontare quanto diverse tecnologie siano capaci di produrre luce visibile a partire dall'energia elettrica.
Comprendere queste unità e concetti ci aiuta a scegliere l'illuminazione più adatta alle nostre esigenze e ad apprezzare l'efficienza delle moderne tecnologie come i LED.