KHÁI NIỆM VỀ ÁNH SÁNG

Báo cáo tốt nghiệp







Thiết kế hệ thống cung cấp điện



Trong đó:

h: là hằng số Blank lấy bằng 6,6.10-34 J/Hz

2. Khái niệm về ánh sáng.

Mọi vật đều bức xạ ra không gian một năng lượng nhất định dưới

dạng sóng của điện từ. Năng lượng đó phát sinh ra do sự dao động của các

phần tử vật chất cấu tạo nên vật. Khi các phân tử hay nguyên tử bị kích

thích các điện tử (electron) của chúng sẽ thay đổi mức năng lượng khác,

đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng sóng điện từ và các hạt phôtôn.

Các bức xạ của một vật phát ra có tất cả các bước sóng từ 0 đến vô

cùng, nhưng thực nghiệm đã xác định được rằng chỉ các bức xạ có bước

sóng nằm trong dải ưu tiên hẹp từ 380 nm ÷ 760 nm mới có tác dụng lên tế

bào thần kinh võng mạc và gây ra cảm giác nhìn thấy của mắt người còn

gọi là ánh sáng nhìn thấy. Như vậy, ánh sáng nhìn thấy được là những sóng

điện từ có mang theo năng lượng.

Trong quá trình thiết kế ta chỉ quan tâm đến dải ánh sáng nhìn thấy

được mà thôi.

II. Phổ của ánh sáng.

Năng lượng của ánh sáng phân bố không đều cho từng bước sóng,

đồng thời gây cảm giác cho mắt người của từng loại bức xạ khác nhau.

Nghĩa là mỗi bước sóng xác định sẽ gây ra trong mắt người một cảm giác

màu sắc nhất định.

Người ta cũng đã chứng minh được rằng phổ của các bước sóng ánh

sáng gồm 7 màu sắc khác nhau từ cận màu tím tương ứng với bước sóng λ

= 780 nm.

Giữa các màu này không có ranh giới rõ rệt, do đó phổ ánh sáng thấy

được là phổ liên tục.

Trong quang phổ của ánh sáng nhìn thấy được, mắt ta nhậy cảm

nhiều nhất đối với ánh sáng có bước sóng λ = 550 nm. Còn với hai cận tím

màu và màu đỏ tương ứng với các bước sóng λ = 380 nm và λ = 780 nm

thì mắt ta hầu như không có tác dụng gây cảm giác sáng. Vì vậy, trong thiết

kế chiếu sáng cần chú ý tới đặc điểm này để tạo điều kiện ánh sáng phù hợp

với hoạt động của mắt.



Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



34







Báo cáo tốt nghiệp



Thiết kế hệ thống cung cấp điện



Khi nghiên cứu về y học, người ta đã công nhận mắt người là một bộ

phận thu " thông dải" rất tinh vi, hơn nữa mắt có nhậy cảm màu đi từ màu

tím đến màu đỏ tương ứng với mỗi bước sóng của dải 380 ÷ 780 nm. Sự

nhậy cảm này thay đổi theo từng người và đã được Uỷ ban quốc tế về chiếu

sáng (C.I.E) mã hoá đưa ra các giới hạn cực đại của phổ màu:

380 nm

Tử

ngoại



439 nm

Tím

412

max



498 nm 568 nm

Xanh

da trời

470



592 nm



Xanh lá Vàng

cây

577

515



631 nm 760 nm



Da cam Đỏ 673 Hồng

600

ngoại



III. Độ nhạy của mắt với ánh sáng.

Nếu đánh giá nhạy cảm thì thu nhận của mắt đối với ánh sáng có

bước sóng λ = 550 nm là đơn vị thì cảm giác thu nhận của mắt đối với

ánh sáng màu khác sẽ được biểu thị bằng một số nhỏ hơn 1 gọi là đô nhạy

K đối với ánh sáng màu đỏ.

Độ nhạy tương đối K λ với ánh sáng có bước sóng λ nào đó được

định nghĩa là tỷ số giữa thông lượng bức xạ của ánh sáng màu λ = 550 nm

với thông lượng bức xạ tương đương với ánh sáng bước sóng λ đang xét.

Thông lượng tương đương ở đây có nghĩa là thông lượng có độ lớn cần

thiết để gây cho mắt có cảm giác về độ sáng tương đương với cảm giác do

thông lượng của ánh sáng màu có bước sóng λ = 550 nm.

F

K λ = 550

Fλ

Trong đó:

F550: thông lượng của ánh sáng có bước sóng λ = 550 nm.

F λ : thông lượng của ánh sáng có bước sóng λ cần tìm.

IV. Các đại lượng đo ánh sáng.

Khái niệm về quang thông là khái niệm đầu tiên mà con người thấy

được là ánh sáng ngọn nến và đèn măng song không cho cùng một lượng

sáng. Nhưng khái niệm này không nêu nên bất kỳ sự phân bố ánh sáng nào

đó trong các miền khác nhau của không gian chiếu sáng, hơn nữa nó không

thể đo được. Điều này thúc đẩy nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 đã đưa ra

Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



35







Báo cáo tốt nghiệp



Thiết kế hệ thống cung cấp điện



các cơ sở của phép đo ánh sáng dựa trên cơ sở quang học, hình học và sinh

lý học.

1. Góc khối ( Ω ).

Góc khối Ω là phần không gian hình nón có đỉnh nằm tại tâm của

nguồn sáng và có đường sinh tựa trên chu vi của mặt được chiếu sáng.



2



Ω



r



Ω



s



ks

s

r



k.s



Ta giả thiết rằng có một nguồn sáng có đặt tai tâm O của một hình

cầu rỗng có bán kính R và ký hiệu S là nguyên tố mặt của hình cầu này.

Hình nón đỉnh O cắt S trên hình cầu biểu diễn góc khối Ω , nguồn

sáng nhìn mặt S dưới góc đó.

Góc khối Ω được định nghĩa là tỷ số của diện tích S với bình

phương của bán kính R:

Ω=



S

R2



Ta có giá trị cực đại của góc khối Ω khi từ tâm O ta chắn cả không

gian, tức là toàn bộ mặt cầu:

S

4.π .R 2

Ω= 2 =

= 4. π

R2

R

Đơn vị của góc khối là Sterađian, ký hiệu là Sr.

Vậy 1 Sr là một góc khối có đỉnh tại tâm của mặt cầu tưởng tượng

chắn trên một mặt cầu có diện tích bằng bình phương bán kính mặt cầu đó.

2. Cường độ sáng - Iα (Cd).

Là đại lượng mới nhất đưa vào hệ đơn vị SI hợp lý hoá từ khái niệm

về quang thông.

Xét một nguồn sáng O gởi ánh sáng lên một mặt S nào đó. không

phải mọi vị trí nào trên mặt phẳng đó đều nhận được ánh sáng như nhau, vì

quang thông của nguồn sáng phát ra theo từng phương không đồng đều do

cấu trúc của nguồn sáng không đối xứng ( nguồn sáng trong thực tế không

phải là nguồn điểm). Vì vậy, để đặc trưng cho sự phân bố nhiều hay ít

Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



36



Báo cáo tốt nghiệp







Thiết kế hệ thống cung cấp điện



quang thông theo từng phương của nguồn sáng người ta đưa ra khái niệm

cường độ ánh sáng.

Như vậy, cường độ ánh sáng của một nguồn sáng theo một phương

nào đó là quang thông mà nguồn gửi đi trong một đơn vị góc khối nằm theo

phương ấy.

Gọi Iα là cường độ ánh sáng của nguồn theo phương α nào đó thì ta

có:

Iα =



dFα

dΩ



Trong đó:

dFα : là vi phân của quang thông gửi đi trong 1 góc khối d Ω theo

phương α .

Đơn vị đo cường độ ánh sáng là Cendela, ký hiệu là Cd.

1(Lm)

1Cd =

1(Sr)

Cendela là cường độ sáng theo một phương đã cho của nguồn phát

một bức xạ đơn sắc có tần số 540.10 12 Hz ( λ = 550 nm) và cường độ năng

lượng theo phương này là 1/683 (W/Sr).

Như vậy, cường độ sáng là mật độ khối của quang thông theo những

phương xác định.

3. Quang thông - Φ (Lm).

Lumen là quang thông do nguồn phát ra trong một góc mở bằng một

Steridian. Đơn vị của cường độ sáng là Cendela do nguồn phát ra theo mọi

hướng tương ứng với đơn vị quang thông là Lumen. Do đó, nếu ta biết

được sự phân bố cường độ sáng của một nguồn trong không gian ta có thể

biết được quang thông của nguồn.

Trường hợp đặc biệt nhưng thường gặp khi cường độ bức xạ I không

phụ thuộc vào phương thì quang thông là:

4.π



Φ = ∫ I. dΦ = 4. π .I

0



4. Độ rọi - E (Lux).

Độ rọi là mật độ quang thông rơi trên một bề mặt, có đơn vị là Lux

Φ

E=

(Lux)

S



Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



37







Báo cáo tốt nghiệp

hay 1 Lux =



Thiết kế hệ thống cung cấp điện



1(lm)

1(m 2 )



Khi sự chiếu sáng trên bề mặt không đều nên tính trung bình số hình

học ở các điểm khác nhau để tính độ rọi trung bình. Một số giá trị thông

thường khi chiếu sáng tự nhiên hay nhân tạo:

+ Ngoài trời buổi trưa, trời nắng: 100 000 lux

+ Trời có mây

: 2000 ÷ 10 000 lux

+ Trăng tròn

: 0,25 lux

+ Phòng làm việc

: 400 ÷ 600 lux

+ Nhà ở

: 159 ÷ 300 lux

+ Phố được chiếu sáng

: 20 ÷ 50 lux

Khái niệm vể độ rọi còn liên quan tới vị trí của mặt được chiếu sáng.

Ta coi một nguồn sáng điểm O bức xạ tới một mặt nguyên tố dS ở cách O

một khoảng R, có cường độ sáng I.



Gọi α là góc hợp bởi pháp tuyến n của dS với phương R. Góc khối

d Ω chắn trên một hình cầu bán kính R một diện tích là dS .cos α .

dS.cosα dΦ

=

dΩ =

R2

I

Ta có:

dΦ

I.cosα

E=

=

dS

R2

Biểu thức này đúng với các nguyên tố bề mặt chứng tỏ rằng độ rọi

thay đổi với độ nghiêng tương đối của bề mặt và tỷ lệ nghịch với bình

phương khoảng cách.

5. Độ chói - L (Cd/m2).

Các vật được chiếu sáng nói chung phản xạ ánh sáng một cách khác

nhau và tác động như 1 nguồn sáng thứ cấp ra cường độ sáng khác nhau

theo mọi hướng.

Để đặc trưng cho quan hệ của nguồn kể cả nguồn sơ cấp lẫn nguồn

thứ cấp đối với mắt cần phải thêm vào cường độ sáng cách xuất hiện ánh

sáng. Quan hệ này được minh hoạ bằng ví dụ sau:

Một đèn sợi đốt 40 W thực tế phát ra cùng một quang thông, do đó

cường độ sáng theo mọi hướng dù bóng đèn thuỷ tinh trong hay thuỷ tinh

mờ. Tuy nhiên đối với mắt, nó xuất hiện một cách khác nhau, chói mắt hơn

đối với bóng đèn thuỷ tinh trong.

Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



38



Báo cáo tốt nghiệp







Thiết kế hệ thống cung cấp điện



Người ta định nghĩa độ chói L trong một phương cho trước là tỷ số

của cường độ sáng dI theo phương này trên diện tích biểu kiến của dS.

dI

L=

(Cd/m2)

dS.cosα

Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở

của các khái niệm về tri giác và thị giác.



Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



39



Báo cáo tốt nghiệp







Thiết kế hệ thống cung cấp điện



CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG

CHO PHÂN XƯỞNG CHẾ BIẾN THỨC ĂN GIA SÚC

I. Yêu cầu cơ bản khi thiết kế hệ thống chiếu sáng.

ánh sáng là phần không thể thiếu được trong quá trình sản xuất ở các

nhà máy, xí nghiệp công nghiệp. Để đảm bảo sản xuất, đảm bảo chất lượng

sản phẩm được tốt, năng suất lao động cao, đảm bảo an toàn cho công nhân

thì ngoài ánh sáng tự nhiên cần có một hệ thống chiếu sáng nhân tạo trong

PX. Chiếu sáng nhân tạo bằng điện hiện nay được sử dụng rộng rãi, bởi vì

chiếu sáng bằng điện có rất nhiều ưu điểm: thiết bị đơn giản, sử dụng thuận

tiện, giá thành rẻ, tạo được ánh sáng gần với ánh sáng tự nhiên. Với tầm

quan trọng đó vấn đề chiếu sáng đã được nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực

chuyên sâu như: nguồn sáng, chiếu sáng công nghiệp, chiếu sáng công

cộng v v ... ở đây, trong yêu cầu thiết kế hệ thống chiếu sáng cho phân

xưởng ta chỉ quan tâm đến chiếu sáng công nghiệp.

Khi thiết kế chiếu sáng điều quan trọng nhất là phải đáp ứng được

nhu cầu về độ rọi và hiệu quả của chiếu sáng đối với thị giác. Ngoài độ rọi,

hiệu quả chiếu sáng còn phụ thuộc vào quang thông, mầu sắc ánh sáng, sự

lựa chọn hợp lý các chao đèn, sự bố trí chiếu sáng vừa đảm bảo tính kinh

tế, mỹ quan.

Thiết kế chiếu sáng phải đảm bảo các yêu cầu sau:

• Không bị loá mắt: Vì với cường độ sáng mạnh mẽ sẽ làm cho mắt

có cảm giác loá, thần kinh bị căng thẳng, thị giác mất chính xác.

• Không loá do phản xạ: ở một số vật công tác có có tia phản xạ khá

mạnh và trực tiếp. Do đó, khi bố trí đèn cần phải tránh hiện tượng này.

• Không có bóng tối: ở nơi sản xuất các phân xưởng không nên có

bóng tối mà phải sáng đồng đều, có thể quan sát được toàn bộ phân xưởng.

Muốn khử các bóng tối cục bộ thường sử dụng bóng mờ và treo cao đèn.

• Độ rọi yêu cầu phải đồng đều: Nhằm mục đích khi quan sát từ vị

trí này sang vị trí khác mắt người không được điều tiết quá nhiều, gây mỏi

mắt.



Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



40



Báo cáo tốt nghiệp







Thiết kế hệ thống cung cấp điện



• Phải tạo được ánh sáng giống ánh sáng ban ngày: Để thị giác

đánh giá được chính xác.

II. Các phương pháp tính toán chiếu sáng.

1. Phương pháp hệ số sử dụng.

Phương pháp này dùng để sử dụng tính chiếu sáng chung, không chú

ý đến hệ số phản xạ của tường và vật cảnh. Phương pháp này thường dùng

để tính chiếu sáng cho các phân xưởng có diện tích lớn hơn 10 m 2, không

thích hợp để tính chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng ngoài trời. Theo phương

pháp này thì quang thông được xác định:

E.S.k.Z



F = n.k

sd



Trong đó:

F: quang thông của mỗi đèn, lm

E: độ rọi, lx

S : diện tích cần chiếu sáng, m2

k: hệ số dự trữ

n: số bóng đèn sử dụng trong phân xưởng

ksd: hệ số sử dụng của đèn, phụ thuộc vào loại đèn và điều kiện của

phản xạ phòng. Khi tra bảng để tìm hệ số sử dụng phải xác định được một

trị số gọi là chỉ số của phòng. Chỉ số của phòng được tính:

a.b

ϕ=

H.(a + b)

Với:

a, b: chiều dài và chiều rộng phòng, m

H: khoảng cách từ đèn đến mặt công tác, m

Z: hệ số tính toán, phụ thuộc vào loại đèn và tỷ số

khoảng cách giữa các đèn, Z =



L

, với L là

H



E tb

E min



2. Phương pháp tính theo từng điểm.

Phương pháp này dùng để tính chiếu sáng cho các phân xưởng có

yêu cầu quan trọng và khi tính không quan tâm đến hệ số phản xạ. Để đơn

Sinh viên: Đinh Trọng Thực - Phạm Anh Tuấn - Lương Đình Thụ - Lớp

CN&DD04A



41