Vrste i karakteristike svjetla

Uvod

Manipulacija svjetlom može biti vrlo korisna vještina za svakog električara. Od osvjetljavanja vidljivog do kontroliranja nevidljivog spektra. U ovom tutorijalu proučiti ćemo osnovne karakteristike te pojedinačne spektre koje koristimo u ostalim tutorijalima i možemo ih primjeniti na konkretnim projektima.

Valna duljina

Osnovna, i ključna karakteristika, svjetlosne zrake je valna duljina. Svjetlo putuje zrakom kao val, a udaljenost između dva susjedna vrha vala je valna duljina (λ - grčki lambda). Laički rečeno, valna duljina je ono što odreduje boju svjetlosne zrake.

slika 1

Svjetlosna zraka, također, se ponaša kao protok čestica, fotona. Kao i sve u fizici, ni ovo ne može biti jednostavno (koga zanima više link). Mi ćemo se zadržati na osnovnim principima i pojmovima koja će nam biti i više nego dovoljna za primjenu u praksi.

Intenzitet

Druga karakteristika svjetlosne zrake je intenzitet. Mjerna jedinica SI sustava je Watt po Steradianu (W / sr). sr - square radian.

slika 2

Prema formuli sa slike, površina dvostruko udaljenija od izvora dati će dvostruko manji intenzitet svjetla. Kako smo intenzitet (jačinu) svjetla naviknuti izražavati u nekim drugim mjernim jedinicama, proučiti ćemo pojedinačno luxe, lumene i candele.

Candela, lumen, lux

Candela (simbol: cd) je izvorna jedinica jakosti svjetla "standardne svijeće", koja je s vremenom uvrštena u SI (International System of Units, medunarodni sustav mjernih jedinica), te preimenovana iz candle (engl. svijeća) u candela. Predstavlja količinu svjetla emitiranog u određenom trodimenzionalnom rasponu apex kuta. Raspon tog kuta izražava se u steradianima, nema mjerne jedinice (kao radian za kuteve u dvodimenzionalnoj ravnini). Jedan steradian na sferi s radiusom jednog metra daje površinu od jednog metra kvadratnog (slika iznad). Puna sfera mjeri 4PI radiana.
Lumen (simbol: lm) je izvedena SI mjerna jedinica ukupne količine vidljive svjetlosti koju daje neki izvor. Protok lumena reflektira se osjetljivošću ljudskog oka prema različitim valnim duljina svjetla, dok watt po steradianu ( W / sr) indicira ukupnu snage emitiranih elektromagnetskih valova. Ukratko, lumen je ovisan o sposobnosti ljudskog oka da percepcira svjetlo.
Lux (simbol: lx) je jedan lumen po metru kvadratnom, dok se prema candelu (simbol: cd) odnosi kao lumen po steradianu (cd = lm / sr). Razlika između mjernih jedinica lumena i luxa je da lux uvodi u proračun površinu preko koje se svjetlost širi (slika iznad). Lux od 900 lumena, koncentriranog na površinu jednog metra kvadratnog, osvjetljava istu površinu s jačinom 900 luxa. Istih 900 lumena, raširenih na površinu od 9 kvadratnih metara, daje svjetlo jako samo 100 luxa. Dakle, 1 lx = 1 lm/m2. U rujnu 2010. godine Europska Unija donijela je direktivu prema kojoj se intenzitet svih rasvjetnih tijela mora izražavati u lumenima. Prema istoj, određuje se minimalna korisnost rasvjetnih tijela. Primjerice, rasvjetno tijelo od 60W mora minimalno davati 700-750 lumena svjetla. Čime se zabranjuje proizvodnja "klasičnih" žarulja s žarnom niti. Više u odjeljku o svjetlosnoj korisnosti.

slika 3

Apex kut

Budući da su lumeni i candeli mjere ovisne o kutu gledanja (apex kutu), korisno je znati kako se on definira. Kut izmedu žarišne osi izvora osvjetljenja (jačina svjetla u ovoj točki iznosi 100%) i osi gdje je jačina reducirana na 50%. Apex kut je kut dvostruko veći od navedenog kuta. Primjerice, kod uskokutne LED diode širine 5mm on iznosi 25 stupnjeva, dok kod iste širokutne 120 stupnjeva.

slika 4

Svjetlosna učinkovitost

Mjera je kako dobro izvor svjetlosti producira vidljivo svjetlo. Obično se definira kao omjer snage koju izvor konzumira (električna energija, kemijska energija, i sl.) i energije registriranog svjetlosnog toka ljudskim okom. Savršeni izvor, teoretski, je monokromatsko svjetlo na valnoj duljini od 555 nm (zeleno) koje daje 683 lm/W te korisnost od 100%. Učinkovitost nekih češće korištenih izvora svjetla je sljedeća: svijeća 0.04%, tj. 0.3lm/w (1W ovog izvora daje svjetlost jakosti 0.3 lumena), plazma ekran 0.3-1.5% tj. 2-10lm/W, 100W (220V) žarna nit 2% tj. 13.8lm/W, 100W (220V) halogena 2.4% tj 16.7lm/W, xenon 4.4-7.3% tj. 30-50lm/W, fluorescentna 9W 8% tj. 46lm/W. LED diode mogu imati učinkovistost i do 43.9%, odnosno 300lm/w.

Vidljivo svjetlo vs. nevidljivo svjetlo

Kada govorimo o svjetlu, generalno mislimo na vidljivo svjetlo i cool stvari poput duge i zalaska sunca. Medutim, svjetlo se sastoji o vrlo širokog raspona valinih duljina elektromagnetskog spektra.

slika 5
Izvor slike wikipedia.

Slika prestavlja puni spektar elektromagnetskih radijacija. Na jednom kraju imamo opake gamma i X-ray zrake, koje su visoko energetski ionizirane elektromagnetske radijacije (visoka frekvencija je ekvivaletna visokoj energiji po fotonu) te kao takve biološki opasne. Na drugom kraju nalaze se nisko-frekventni, dugo-valni radijski valovi koje prenose informacije na ogromne udaljenosti. Vidljivo svjetlo predstavlja vrlo mali dio ukupnog spektra. U ovom tutorijalu obradit ćemo spektre vidljivog svjetla i njegovih najbližih područja: ultra-ljubicastog (UV, ultraviolet) i infracrvenog (IR, infrared) svjetla. Pomicanjem dalje od navedenih, stvari postaju čudne. O njima, možda, bude riječi u nekom drugom tutorijalu. Posebnu pažnju posvetiti ćemo infracrvenom spektru, kojeg ipak najčešće koristimo u elektrotehnici.

Ultraljubičasto svjetlo

Ultraljubičasto svjetlo je spektra izmedu 10nm (nanometara) i 400nm, smještena izmedu X-ray i vidljivog svjetla. Potencionalno je opasno za živa bića, vjerovatno ste upoznati s ovime preko štetnog, ultraljubicastog, Sunčevog zračenja.

slika 6

Ultraviolet-A (UVA)

UVA (315nm - 400nm) je, energetski, najslabije UV svjetlo jedva vidljivo ljudskom oku. Bijele flourescentne žarulje i bijele LED diode rade tako da izlažu odredeni materijal UVA svijetlu, koji apsorbira UVA fotone i emitira vidljivi spektar koji se nama prikazuje kao bijelo svjetlo. Ovaj spektar se, također, koristi za detekciju krivotvorenih dokumenata ili novčanica. Navedeni posjeduju vodeni žig koji svjetli pod UVA svjetlom. Što se tice sunčevog zračenja, UVA se najslabije apsorbira u ozonskom omotaču, najmanje šteti našim DNA stanicama i zaslužan je što ljeti tako lijepo potamnimo.

Ultraviolet-B (UVB)

UVB (280nm - 315nm) ima veći energetski nivo od UVA. Izvor UVB zraka je, primjerice stroj za varenje. Izlaganje istom, čak i na većoj udaljenosti, može izazvati ozbiljna oštecenja oka. Sunčeve zrake, također, sadržavaju UVB, a osim što nam stvaraju opekline, zaduženi su i za, svima poznatu, fotokemijsku reakciju koja kao produkt ima stvaranje ozonskog omotača te sintezu vitamina D u ljudskom tijelu. Ipak, većina UVB zračenja (oko 90%) se apsorbira u ozonskom omotaču. Zanimljivo je da se od UVB zračenja, djelomično, možemo zaštiti običnim staklom (zato dobijemo opekline samo na dijelu ruke koji smo izbacili kroz prozor automobila). Vrlo zanimljiv pokus na ovu temu napravio je Richard Feynman (bongo glazbenik i dobitnik Nobelove nagrade za fiziku). Feynman je sudjelovao u razvoju atomske bombe za vrijeme 2. Svjetskog rata, te se za potrebe jednog testa štitio prozorskim staklom svog pickup kamiona kako bi se zaštitio od ultraljubičastog zračenja izazvanog nuklearnim udarom.

Ultraviolet-C (UVC)

UVC (100nm - 280nm) je, na sreću, najmanje zastupljeno te shodno tome nama najmanje interesantno UV svjetlo. Gotovo ništa od sunčevog UVC zračenja ne dopire na Zemljinu površinu. U lošim starim danima, prije EEPROM i flash memorije, koristila se EPROM memorija. Jednom kada se izvršio zapis na EPROM memoriju, jedini način da se izbriše bilo je izložiti ga snažnom izvoru UVC svjetla, oko 20-30 minuta. Solidno vrijeme samo da saznamo je li nam je promjena koda ispravila bug.

Vidljivo svjetlo

Vidljivo svjetlo je svjetlo u rangu, otprilike, od 380nm do 740nm. Taj rang može varirati, neki ljudi mogu detektirati širi spektar, ali generalno gledano ljudsko oko osjetljivo je na ovo područje.
slika 7
Dvije su specifičnosti kod percepciranja svjetla ljudskim okom: osjetljivost na različite valne duljine u različitim količinama, odnosno boja i količina svjetla. Kako bi se navedeno moglo mjeriti uvedena je mjerna jedinica candela. Candela mjeri intenzitet svjetla prema svojoj boji. Ljudsko oko percipira svjetlo jačine jednog candela iste svjetline kao neki posve drugi, jedan candel jak izvor svjetlosti, bez obira na njihove valne duljine. Svjetlina LED dioda se obično iskazuje u milicandelima (mcd), pa tako za crvenu iznosi 900mcd, 4000mcd za zelanu i 800cmd za plavu. Valne duljine za iste su 625nm crvena, 520nm plava i 467.5nm zelena.

slika 8
Slika iznad predstavlja photonic krivulju Commission Internationale de l'…clairage (CIE). Horizontalna linija predstavlja valnu duljinu u nanometrima, dok je vertikalna bezdimenzionalna standardna funkcija svjetlosti. Pomoću nje definiramo odnos izmedu registriranih boja i jačine svjetla koje daju u lumenima. Više na wikipediji. Boje nastaju mješanjem tri osnovne nijanse (forme crvene, zelene i plave). Mješanjem ove tri boje u različitih intezitetima daju nam različite boje, barem ako se pita naše oći.

slika 9
Mali pokus mješanja boja možemo napraviti pomocu Croduina i RGB LED diode. Ova dioda ima 4 nožice: jedna predstavlja anodu ili katodu, a ostale tri po jednu boju (crvena, zelena i plava). Ako njih spojimo na PWM pinove Croduina, pomoću funkcije analogWrite() možemo definirati intenzitet pojedinačne boje te tim dvjema kombinacijama (boja i intenzitet) dobiti željenu boju. Dakle, osim boja, ljudsko oko percipira i intenzitet svjetla, različito po "danu" te po "mraku". Naviknuti smo reći da je jedan izvor svjetla, izmedu dva koja percepciramo, dvostruko većeg intenziteta od drugog. Ta konstantacija gotovo sigurno nije točna, kao ni naše linearno poimanje razine intenziteta. Prema CIE ljudsko oko registrira rast intenziteta po krivulji trećeg stupnja. Za provjeru ove konstatacije, ponovno možemo koristiti mali Croduino test. Spojite komponente kao na primjeru sa slike, koristite kod ispod i testirajte svoju sposobnost zapažanja.

Untitled Sketch_bb

const int tipkalo = 9;     // pin tipkala
const int led =  11;       // pin ledice (koristiti PWM pin)
const int interval = 10;   // brzina promjene svjetlosti ledice

boolean boolTipka = true;

void setup() {
  pinMode(led, OUTPUT);
  pinMode(tipkalo, INPUT);
  
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {

while(boolTipka == true)
{
   for( int i = 0; i < 256; i++ )
   {
     analogWrite(led, i);
     delay(interval);
     if( digitalRead(tipkalo) == HIGH )
     {
       boolTipka = false;
       int p = i*100/255; // postotak
       Serial.print("Ledica zaustavljena na : ");
       Serial.print(p);
       Serial.print("% jacine");
       break;
     }
   }
}   
}

Prilikom pokretanja koda LEDica svjetli početnim intenzitetom, nakon određenog vremena taj intenzitet se postupno povećava. Naš zadatak je pritisnuti tipkalo u trenutku kada smatramo da je trenutni intenzitet na 50% intenziteta. Nakon toga u Serial Monitoru možemo očitati postotak intenziteta za koji smo smatrali da je 50% intenziteta.

Infracrveno svjetlo

Infracrveno svjetlo je svjetlo valne duljine od 700nm do 1mm (10e6 nm). Otprilike 55% sunčeve svjetlosti koja dopire na zemljinu površinu je infracrveno.
slika 10
Prema CIE infracrveno zračenje dijelimo na 3 područja IC-A, IC-B i IC-C. Smatram da IC-B zracenje nam trenutno nije pretjerano zanimljivo, tako da ćemo obraditi samo preostala dva.

IC-A

IC-A je blisko infracrveno područje te je vrlo zanimljivo u području elektrotehnike. Ovo je razina zračenja koju koriste daljinski upravljači, senzori pokreta i slični senzori na kratkim udaljenostima. Nalazi se malo iznad vidljivog svjetla 700nm, a seže sve do 1400nm. Odašiljači su obično IR LED diode koji odašilju valove 850nm ili 950nm, te je vrlo jednostavno upravljati s njima te ih kontrolirati. Problem se može pojaviti, s obzirom da se oko nas nalazi mnoštvo infracrvenog zracenja, u vidu mješanja postoječeg zračenja s upravljanim. Većina IR sustava taj problem rješava moduliranjem zrake na određenu, nepromjenjivu frekvenciju. Ovo možete isprobati pomoću daljinskog IC prijemnika.

IC-C

Dugovalno infracrveno svjetlo je ranga 8000nm do 15000nm. To je područje koje koriste termalne kamere. Osim toga laserski rezači koriste ovaj spektar. Večina ih se bazira na CO2 laserskim cijevima koji generiraju lasersku zraku valne duljine 10640nm.

Leave a Reply