Sóng điện từ

I. Khái niệm chung về ánh sáng

1. Sóng điện từ

Ta gọi bức xạ điện từ của một vật là hiện tợng lan truyền đồng thời theo đờng thẳng của điện trờng biểu diễn bằng véctơ cờng độ điện trờng E và từ tr- ờng biểu diễn bằng véctơ từ cảm B, chúng có các tính chất sau đây:

+ Sự phân bố trờng theo phơng truyền ký hiệu xlà xoay chiều hình sin có bớc sóng λvà tiến hành trong hai mặt phẳng vuông góc sao cho x, E, B tạo nên một tam diện thuận.

+ Các biên độ của trờng tại mọi thời điểm tỷ lệ nghịch với khoảng cách từ điểm đó đến nguồn phát.

+ Sự phân bố điện trờng từ ở xa nguồn có biên độ suy giảm, có vận tốc phụ thuộc vào môi trờng truyền sóng, còn gọi là vận tốc truyền hay vận tốc pha.

Do vậy ở một thời điểm đã cho trong không gian trờng điện tử có tần số giao động ν .

Một nguồn bức xạ bất kỳ phát ra vô số bức xạ: + Số phơng xung quanh nguồn là vô hạn.

+ Với mỗi phơng xcó vô số mặt phẳng có thể chứa Evà B.

+ Trong mỗi cặp mặt phẳng chứa E và B có vô số sóng điện từ gọi là "sóng phẳng" có bớc sóng λ. Khi đó, vận tốc truyền sóng là:

C = ν.λ (m/s)

Nếu trong môi trờng không khí C = 3.108 (m/s)

Khi đã có vận tốc truyền sóng, ngời ta cũng chứng minh đợc là năng l- ợng điện từ truyền tải có quan hệ với các tích véctơ E∧B và đợc thể hiện bằng lợng điện tử hữu hạn tuân theo các quy luật cơ học lợng tử. Có thể nói một cách đơn giản rằng sóng điện từ truyền các "hạt" nhỏ năng lợng gọi là các phôtôn năng lợng. Năng lợng: W = h.ν 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 lợng nhất định dới dạng sóng của điện từ. Năng lợng 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 lợng khác, đồng thời giải phóng năng lợng dới dạng sóng điện từ và các hạt phôtôn.

Các bức xạ của một vật phát ra có tất cả các bớc sóng từ 0 đến vô cùng, nhng thực nghiệm đã xác định đợc rằng chỉ các bức xạ có bớc sóng nằm trong

dải u tiên hẹp từ 380 nm ữ 760 nm mới có tác dụng lên tế bào thần kinh võng mạc và gây ra cảm giác nhìn thấy của mắt ngời còn gọi là ánh sáng nhìn thấy. Nh vậy, ánh sáng nhìn thấy đợc là những sóng điện từ có mang theo năng l- ợng.

Trong quá trình thiết kế ta chỉ quan tâm đến dải ánh sáng nhìn thấy đợc mà thôi.

II. Phổ của ánh sáng.

Năng lợng của ánh sáng phân bố không đều cho từng bớc sóng, đồng thời gây cảm giác cho mắt ngời của từng loại bức xạ khác nhau. Nghĩa là mỗi bớc sóng xác định sẽ gây ra trong mắt ngời một cảm giác màu sắc nhất định.

Ngời ta cũng đã chứng minh đợc rằng phổ của các bớc sóng ánh sáng gồm 7 màu sắc khác nhau từ cận màu tím tơng ứng với bớc sóng λ= 780 nm. Giữa các màu này không có ranh giới rõ rệt, do đó phổ ánh sáng thấy đợc là phổ liên tục.

Trong quang phổ của ánh sáng nhìn thấy đợc, mắt ta nhậy cảm nhiều nhất đối với ánh sáng có bớc sóng λ= 550 nm. Còn với hai cận tím màu và màu đỏ tơng ứng với các bớc sóng λ= 380 nm và λ= 780 nm thì mắt ta hầu nh 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.

Khi nghiên cứu về y học, ngời ta đã công nhận mắt ngời là một bộ phận thu " thông dải" rất tinh vi, hơn nữa mắt có nhậy cảm màu đi từ màu tím đến màu đỏ tơng ứng với mỗi bớc sóng của dải 380 ữ 780 nm. Sự nhậy cảm này thay đổi theo từng ngời và đã đợc Uỷ ban quốc tế về chiếu sáng (C.I.E) mã hoá đa ra các giới hạn cực đại của phổ màu:

380 nm 439 nm 498 nm 568 nm 592 nm 631 nm 760 nm Tử ngoại Tím 412 max Xanh da trời 470 Xanh lá cây 515 Vàng 577 Da cam 600 Đỏ 673 Hồng ngoại

III. Độ nhạy của mắt với ánh sáng.

màu khác sẽ đợc biểu thị bằng một số nhỏ hơn 1 gọi là đô nhạy K đối với ánh sáng màu đỏ.

Độ nhạy tơng đối Kλ với ánh sáng có bớc sóng λ nào đó đợc định nghĩa là tỷ số giữa thông lợng bức xạ của ánh sáng màu λ = 550 nm với thông lợng bức xạ tơng đơng với ánh sáng bớc sóng λđang xét. Thông lợng t- ơng đơng ở đây có nghĩa là thông lợng có độ lớn cần thiết để gây cho mắt có cảm giác về độ sáng tơng đơng với cảm giác do thông lợng của ánh sáng màu có bớc sóng λ = 550 nm. Kλ = λ F F550 Trong đó: F550: thông lợng của ánh sáng có bớc sóng λ = 550 nm. Fλ: thông lợng của ánh sáng có bớc sóng λ cần tìm.

IV. Các đại lợng đo ánh sáng.

Khái niệm về quang thông là khái niệm đầu tiên mà con ngời thấy đợc là ánh sáng ngọn nến và đèn măng song không cho cùng một lợng sáng. Nhng 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 đợc. Điều này thúc đẩy nhà vật lý Lambert ở thế kỷ 18 đã đa ra 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 đờng sinh tựa trên chu vi của mặt đợc chiếu sáng.

r s Ω r k.s k s2 s Ω

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 dới góc đó.

Góc khối Ω đợc định nghĩa là tỷ số của diện tích S với bình phơng của bán kính R:

Ω = 2

R S

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:

Ω = 2 RS = 2 2 R .R 4.π = 4.π

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 tởng tợng chắn trên một mặt cầu có diện tích bằng bình phơng bán kính mặt cầu đó.

2. Cờng độ sáng - Iα(Cd).

Là đại lợng mới nhất đa 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 đợc ánh sáng nh nhau, vì quang thông của nguồn sáng phát ra theo từng phơng 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 trng cho sự phân bố nhiều hay ít quang thông theo từng phơng của nguồn sáng ngời ta đa ra khái niệm cờng độ ánh sáng.

Nh vậy, cờng độ ánh sáng của một nguồn sáng theo một phơng nào đó là quang thông mà nguồn gửi đi trong một đơn vị góc khối nằm theo phơng ấy. Gọi I là cờng độ ánh sáng của nguồn theo phơng α α nào đó thì ta có:

α I = Ω d dFα Trong đó:

dF : là vi phân của quang thông gửi đi trong 1 góc khối dα Ω theo phơng

α .

Đơn vị đo cờng độ ánh sáng là Cendela, ký hiệu là Cd. 1Cd =

1(Sr) 1(Lm)

Cendela là cờng độ sáng theo một phơng đã cho của nguồn phát một bức xạ đơn sắc có tần số 540.1012 Hz (λ= 550 nm) và cờng độ năng lợng theo phơng này là 1/683 (W/Sr).

Nh vậy, cờng độ sáng là mật độ khối của quang thông theo những ph- ơng 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 cờng độ sáng là Cendela do nguồn phát ra theo mọi h- ớng tơng ứng với đơn vị quang thông là Lumen. Do đó, nếu ta biết đợc sự phân bố cờng độ sáng của một nguồn trong không gian ta có thể biết đợc quang thông của nguồn.

Trờng hợp đặc biệt nhng thờng gặp khi cờng độ bức xạ I không phụ thuộc vào phơng thì quang thông là:

Φ =4.∫π

0

I.dΦ = 4.π.I

4. Độ rọi - E (Lux).

Độ rọi là mật độ quang thông rơi trên một bề mặt, có đơn vị là Lux E = S Φ (Lux) hay 1 Lux = ) 1(m 1(lm) 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 thờng khi chiếu sáng tự nhiên hay nhân tạo:

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

+ Trời có mây : 2000 ữ 10 000 lux + Trăng tròn : 0,25 lux

+ Phòng làm việc : 400 ữ 600 lux + Nhà ở : 159 ữ 300 lux + Phố đợc chiếu sáng : 20 ữ 50 lux

Khái niệm vể độ rọi còn liên quan tới vị trí của mặt đợc chiếu sáng. Ta coi một nguồn sáng điểm O bức xạ tới một mặt nguyên tố dS ở cách O một khoảng R, có cờng độ sáng I.

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

chắn trên một hình cầu bán kính R một diện tích là dS .cosα . dΩ = I d R dS.cos 2 Φ = α

Ta có: E dS dΦ = = 2 R I.cosα

Biểu thức này đúng với các nguyên tố bề mặt chứng tỏ rằng độ rọi thay đổi với độ nghiêng tơng đối của bề mặt và tỷ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách.

5. Độ chói - L (Cd/m2).

Các vật đợc chiếu sáng nói chung phản xạ ánh sáng một cách khác nhau và tác động nh 1 nguồn sáng thứ cấp ra cờng độ sáng khác nhau theo mọi h- ớng.

Để đặc trng cho quan hệ của nguồn kể cả nguồn sơ cấp lẫn nguồn thứ cấp đối với mắt cần phải thêm vào cờng độ sáng cách xuất hiện ánh sáng. Quan hệ này đợc minh hoạ bằng ví dụ sau:

Một đèn sợi đốt 40 W thực tế phát ra cùng một quang thông, do đó c- ờng độ sáng theo mọi hớng 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.

Ngời ta định nghĩa độ chói L trong một phơng cho trớc là tỷ số của c- ờng độ sáng dI theo phơng này trên diện tích biểu kiến của dS.

L =

α

dS.cos

dI (Cd/m2)

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.

Chơng 2

Thiết kế hệ thống chiếu sáng cho nhà máy cơ khí.

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

ánh sáng là phần không thể thiếu đợc trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp. Để đảm bảo sản xuất, đảm bảo chất lợng sản phẩm đợc 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 nhà máy. Chiếu sáng nhân tạo bằng điện hiện nay đợc sử dụng rộng rãi, bởi vì chiếu sáng bằng điện có rất nhiều u điểm: thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện, giá thành rẻ, tạo đợc ánh sáng gần với ánh sáng tự nhiên. Với tầm quan trọng đó vấn đề chiếu sáng đã đợc nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực chuyên sâu

nh: 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 xởng sửa chữa cơ khí ta chỉ quan tâm đến chiếu sáng công nghiệp.

Khi thiết kế chiếu sáng điều quan trọng nhất là phải đáp ứng đợc 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 cờng 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 tợng này.

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

tối mà phải sáng đồng đều, có thể quan sát đợc toàn bộ phân xởng. Muốn khử các bóng tối cục bộ thờng 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 ngời không đợc điều tiết quá nhiều, gây mỏi mắt.

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

giá đợc chính xác.

II. Các phơng pháp tính toán chiếu sáng.

1. Phơng pháp hệ số sử dụng.

Phơng pháp này dùng để sử dụng tính chiếu sáng chung, không chú ý đến hệ số phản xạ của tờng và vật cảnh. Phơng pháp này thờng dùng để tính chiếu sáng cho các phân xởng có diện tích lớn hơn 10 m2, không thích hợp để tính chiếu sáng cục bộ và chiếu sáng ngoài trời. Theo phơng pháp này thì quang thông đợc xác định: F = sd n.k E.S.k.Z 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

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 đợc một trị số gọi là chỉ số của phòng. Chỉ số của phòng đợc tính: b) H.(a a.b + = ϕ 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

HL , với L là khoảng cách giữa các đèn, Z = min tb E E

2. Phơng pháp tính theo từng điểm.

Phơng pháp này dùng để tính chiếu sáng cho các phân xởng có yêu cầu quan trọng và khi tính không quan tâm đến hệ số phản xạ. Để đơn giản trong tính toán ngời ta coi đèn là một điểm sáng để áp dụng đợc luật bình phơng khoảng cách. Trong phơng pháp này ta phải phân biệt để tính độ rọi cho 3 tr- ờng hợp điển hình:

2.1 Tính độ rọi trên mặt phẳng nằm ngang, Eng.2 2 2 ng h .cos I E α α =

2.2 Tính độ rọi trên mặt phẳng thẳng đứng, Eđ.Eđ Eđ 2 2 h .cos Iα α.tgα =

2.3. Tính độ rọi trên mặt phẳng nghiêng một góc θ, Engh.Engh = Eng.(cosθ + tgα .sinθ) Engh = Eng.(cosθ + tgα .sinθ)

Trong đó: tgα =

h P

α

I : tra trong sổ tay ứng với các loại đèn.

3. Phơng pháp tính gần đúng.

Phơng pháp này thích hợp để tính toán chiếu sáng cho các phòng nhỏ hoặc chỉ số phòng nhỏ hơn 0,5 yêu cầu tính toán không cần độ chính xác cao.

Phơng pháp gần đúng này có hai cách: