ELEKTROTECHNIKA ELEKTRICKÉ SVĚTLO – VZNIK A UŽITÍ 1W1 – pro 4. ročník oboru M 4.2005-VR

Elektrické světlo Světlo většina lidí vnímá jako naprostou samozřejmost a nad jeho fyzikální podstatou ani nepřemýšlí. Vážnější úvahy o podstatě světla spadají až do 17. století. V roce 1678 předložil Christian Huighens (1629 – 1695) pařížské Akade-mii pojednání o povaze světla jako podélného vlnění. Izac Newton (1643 – 1727) však považoval světlo za tok částic. Teprve v 19. století nastal velký rozvoj vlnové teorie, podpořený vědeckými objevy v oboru elektřiny a magnetismu. Dnes víme, že světlo jsou příčné elektromagnetické vlny v dosti úzké oblasti vlnových délek, které se současně projevují jako tok fo-tonů. Je tedy možné použít obě teorie. Než se ale dospělo k tomuto výsledku, muselo poznání projít dlouhým vývojem.

Elektrické světlo Elektromagnetické vlny byly teoreticky předpovězeny mnohem dříve, než byly experimentálně potvrzeny. Shoda rychlosti jejich šíření s rychlostí světla byla natolik nápadná, že přivedla Maxwella na myšlenku, že podstata světla spočívá v těchto vlnách. Podařilo se mu ze svých rovnic odvodit i základní zákony fyzikální optiky, a sjednotit tak optiku s teorií elektromagnetického pole. Maxwellova teorie byla dlouho přijímána s velkou nedůvěrou. Elektromagnetické vlny nebyly experimentálně ověřeny a očima tehdejší fyziky se jejich existence zdála být velmi nepravděpodobná.

Elektrické světlo Sám Maxwell se už potvrzení své teorie nedočkal. To se podařilo až devět let po jeho smrti Heinrichu Rudolfu Hertzovi (1857 – 1894), který vykonával experimenty s jiskrovým výbojem mezi dvěma hro-tovými elektrodami a odezvu přijímal anténou. Tak experimentálně prokázal elektromagnetické vlny s vlnovou délkou kratší než jeden metr, ale těmto vlnám nepřisuzoval žádný význam pro praxi. Tento omyl však velmi záhy vyvrátili Marconi, Tesla a Popov objevem bezdrátové telegrafie. Do současné doby přibylo dalších aplikací nepočítaně.

Slunce SLUNCE: objem 1,412 * 1018 km³ hmotnost 1,9891 * 1030 kg poloměr 695 000 km objem 1,412 * 1018 km³ hmotnost 1,9891 * 1030 kg ef. povrch.teplota 5 770 °K vizuální zářivá teplota 6 050 °K celkový zářivý výkon 3,826 * 1026 J/s Sluneční světelná konst.: 133 800 lx Celková energie vyzářená sluncem: 3,826 * 1026 W

Slunce Spektrum slunečního záření má vlnové délky: 10-11 až 1 m ( i delší) Chromatická teplota denního světla kolísá během dne od 4800 do 17 000 °K a průměr se bere 6 500 °K jako ekvivalent denního světa. Spektrální složení barev denního světla se mění s výškou slunce nd obzorem. Večer proniká hl. dlouhovlnná část spektra (červená) a v poledne naopak krátkovlnná část spektra.

Slunce Rychlost světla meziplanetárním prostorem: 299 792 458 m/s Střední vzdálenost mezi Sluncem a Zemí překoná světlo : za 8 minut a 19 sekund Celkový zářivý tok dopadající na vrchní vrstvu atmosféry: 1,7431 * 1017 W

Slunce Sluneční zářivá konstanta: (normální intenzita slunečního záření) Ee,o = 1 367 ± 7 W/m² V jednotlivých kalendářních dnech je tato konst.: Ee,o (den) = 1 367 * (1 + (cos (0,98 * D + 29,7 * M) - 32) / 30)

Slunce Dosažitelná hodnota jasu slunce v exteriéru je: cca 1,5 * 109 cd/m² Maximální jas ve středu slunečního kotouče: cca 2,5 * 109 cd/m² Jas oblohy v zenitu (podle oblačnosti a polohy výšky slunce: průměrně až 2 * 104 cd/m²

Elektromagnetické spektrum RADIO + TV + SPOJE SVĚTLO ZVUK TEPLO 1 10 100 kHz MHz GHz THz PHz 3 30 300 km m mm μm nm GRAFICKÉ ZOBRAZENÍ – LOGARITMICKÁ STUPNICE

Elektromagnetické spektrum český název frekvence vlnová délka anglické označení extrémně dlouhé vlny 0,3 - 3 kHz 103 - 102 km Extremely Low Frequency (ELF) velmi dlouhé vlny 3 - 30 kHz 102 - 10 km Very Low Frequency (VLF) dlouhé vlny (DV) 30 - 300 kHz 10 - 1 km Low Frequency (LF) střední vlny (SV) 0,3 - 3 MHz 1 - 0,1 km Medium Frequency (MF) krátké vlny (KV) 3 - 30 MHz 100 - 10 m High Frequency (HF) velmi krátké vlny (VKV) 30 - 300 MHz 10 - 1 m Very High Frequency (VHF) ultra krátké vlny (UKV) 0,3 - 3 GHz 1 - 0,1 m Ultra High Frequency (UHF)

Elektromagnetické spektrum český název frekvence vlnová délka anglické označení mikrovlny 3 - 300 GHz 100 – 1 mm Super / Extremely High Frequency (SHF / EHF) infračervené záření 1010 - 1014 Hz 1 mm - 1 mm Infra Red (IR) viditelné záření 1014 Hz 400 -900 nm Visible (VIS) ultrafialové záření 1014 - 1016 Hz 400  - 10 nm Ultra Violet (UV) rentgenovo záření 1016 - 1019 Hz 10 - 0,1 nm X-Rays gama záření 1019 - 1024 Hz 10-10 - 10-14 m Gamma Rays

Elektromagnetické spektrum Spektrum barev - záření: od 100 do 400 nm --- ultrafialové od 400 do 780 nm --- monochromatické barevné od 780 do cca 10 000 000 nm (1 mm) infračervené

Elektromagnetické spektrum

Elektromagnetické spektrum Chomatický diagram 550 520 680 570 590 490 480 420

Elektromagnetické spektrum Spektrum barev - hodnotové vyjádření : barva vlnová délka frekvence infračervená větší než 380 nm menší než 26316 červená 600 – 630 nm žlutá 565 – 600 nm zelená 500 – 566 nm modrá 435 – 500 nm fialová 380 – 435 nm ultrafialová větší než 750 nm větší než 13333

Elektrické světlo Spektrum oko vnímá vlnění od frekvence 789,5 PHz = délka vlny 380 nm až do frekvence 394,7 PHz = délka vlny 760 nm - nejcitlivější je na žlutozelenou barvu, tj. na vlnění s frekvencí 540,5 PHz = délka vlny 555 nm pod délkou vlny 400 nm (k velmi vysokým frekvencím) je ultrafialové záření a ještě dále Roentgenovo X-pa-prsky (asi 1 nm) nad 750 nm (k nižším frekvencím) je infračervené záře-ní a navazující radiové vlny svými SHF a družicovými kmitočty.

Elektromagnetické spektrum Citlivost oka na viditelné spektrum

Elektromagnetické spektrum Citlivost lidského oka na základní barvy

Elektromagnetické spektrum Ultrafialové záření je dále rozděleno na: od 315 do 400 nm --- UA A --- dlouhovlnné od 280 do 315 nm --- UA B --- středovlnné od 100 do 280 nm --- UA C --- krátkovlnné Infračervené záření je dále rozděleno na: od 780 do 1 400 nm --- IR A --- krátkovlnné od 1 400 do 3 000 nm --- IR B --- středovlnné od 3 000 nm do 1 mm --- IR C --- dlouhovlnné

Elektromagnetické spektrum Vyzařování Předmět Teplota Vlnová délka Pásmo Povrch Slunce 5 500 °C 500 nm zelené Denní světlo 5 220 °C 527 nm zelené Žárovka 3 100 °C 853 nm BIS Žhnoucí předmět 600 °C 3 220 nm VIS Lidské tělo 37 °C 9 350 nm VIS Místnost 20 °C 9 900 nm VIS

Elektrické světlo Světelné veličiny – fyzikální veličiny a jednotky: Název označení jednotka Světelný tok Φ lm – lumen Svítivost I cd – candela Osvětlenost E lx – lux Světlení zdroje M lm/m² Jas L cd/m² Světelné množství Q lm*s Osvit H lx*s

Elektrické světlo Zářivé veličiny – fyzikální veličiny a jednotky: Název označení jednotka Zářivý tok Φe W – Watt Zářivost Ie W/sr (steradián) Ozářenost Ee W/m² Záření zdroje Me Zář Le W/m² * sr Energie záření Qe W*s = J Dávka ozáření He W*s /m²

Elektrické světlo Jednotky svítivost 1 cd..kandela (svíčka - Candela) Kolmá svítivost (1/6)*10-5 m2 = 1,667 mm2 povrchu absolutně černého tělesa při teplotě tuhnoucí platiny (asi 1770 °C) při tlaku 760 torr Svítivost zdroje, který vyzařuje v daném směru monochromatické záření o kmitočtu 540 * 1012 Hz a jehož intenzita záření je v tomto směru 1/683 W/sr (wattů na steradián).

Elektrické světlo Jednotky světelný tok 1 lm..lumen Světelný tok emitovaný (vyzařovaný) rovnoměrným bodovým zdrojem o svítivosti 1 kandely (cd) do jednotkového prostorového úhlu 1 steradián (sr).

Elektrické světlo Jednotky osvětlení 1 lx..lux phot = 10 000 lx Podíl světelného toku 1 lm a plochy 1 m2 , na kterou dopadá. Osvětlenost, která odpovídá světelnému toku 1 lumen (lm) rovnoměrně rozloženému na ploše 1 m². Se čtvercem vzdálenosti klesá.

Elektrické světlo Jednotky jas 1 nt..nit stilb = 10 000 nt Podíl svítivosti plochy (jas plošného zdroje světla) 1 cd a 1 m2 průmětu této plochy do kolmé roviny měrný světelný výkon 1 lm / W . Podíl světelného toku a elektrického příkonu.

Elektrické světlo Žárové zdroje Slunce, plamen, žhavé vlákno žárovky a ostatní rozžha-vená tělesa - do asi 500 °C je světlo v neviditelném spektru (infračervené) - při 1000 °C je červené - při 1300 °C je žluté - při 1600 °C je bílé. Principem je velice rychlý pohyb atomů a molekul a jejich částí vlivem tepla - při tom dochází k jejich vzájemným nárazům při nichž se uvolňují fotony (velice drobná energetická kvanta nesoucí vlnění ve viditelném spektru).

Elektrické světlo Žárové zdroje Žárové zdroje světla mají spojité spektrum viditelného i navazujícího neviditelného záření. Účinnost (z hlediska množství poskytnutého světla) těchto zdrojů je nízká - zhruba 5 až 20 % (u běžných žárovek dokonce jen 8 až 10 %) - větší část dodané energie se promění v "pouhé" teplo (povrch baňky žárovky má asi 200 °C ).

Elektrické světlo Žárové zdroje Měrný výkon není velký - jen asi 8 až 20 lm/W. Vzhledem k principu (žhavé vlákno mající horší pev-nostní vlastnosti narušované prakticky každým prou-dovým nárazem při rozsvícení) mají nevelkou život-nost - jen asi 1000 hod. Nevýhodou je větší citlivost světelného výkonu na kolísání napájecího napětí.

Elektrické světlo Výbojkové zdroje Světlo vzniká při průchodu proudu (volných elektronů) zředěnými plyny nebo parami určitých látek. Principem je opět rychlý pohyb atomů a molekul plynu a jejich částí a jejich vzájemné nárazy s následným uvolněním fotonů - výbojkové zdroje - nevýhodou je světlo určité barvy (ne vždy vhodné k osvětlení pra-covní plochy či potravin, ale vyhovující pro osvětlení velkých ploch, silnic, ulic apod.).

Elektrické světlo Výbojkové zdroje U některých typů dochází k nárazům volných elektronů na prvky luminiforu (speciální hmota na vnitřním po-vrchu baňky) z něhož vyráží další fotony a luminifor potom "svítí" – zářivkové zdroje. Nevýhodou je delší doba k „nastartování“ čili rozsvíce-ní (samo prvotní rozsvícení má určitou, pár desetin vteřiny trvající prodlevu a u mnoha typů – i vlivem stárnutí – je rozsvícení na 100% až během desítek vteřin i déle).

Elektrické světlo Výbojkové zdroje Účinnost (z hlediska množství poskytnutého světla) těchto zdrojů je lepší - zhruba 25 až 35 % (u běžných zářivek je asi 20 %) - v teplo se promění podstatně menší část dodané energie (povrch baňky zářivky má asi 25 až 30 °C ) - ztráty zde způsobuje nutnost u-rychlit elektrony na vyšší energetickou úroveň, aby se v plynu mohly pohybovat dostatečně rychle.

Elektrické světlo Výbojkové zdroje Měrný výkon obou zdrojů je dosti vysoký - asi od 40 až do 60 lm/W i více. To znamená, že pro stejné osvětlení plochy je potřeba asi 1/3 až 1/2 elektrické energie žárovky. Vzhledem k principu je životnost vyšší - asi 3000 až 8000 hodin.

Elektrické světlo Výbojkové zdroje Největší nevýhodou klasických zářivek je jejich nízký účiník, daný tlumivkovým principem jejich zapalování (startu). Tuto nevýhodu dnes odstraňuje elektronický startér. Nevhodně zkonstruovaná nebo špatně vyrobená tlumiv-ka bručí (zvyšuje úroveň hluku v jejím okolí). Další nevýhodou je "kmitání" světla v rytmu napájecí síťové frekvence a proto dochází k následnému strobo-skopickému efektu (zdánlivé zastavení) u rotujících částí.

Elektrické světlo Výbojkové zdroje Další nevýhodou je negativní vliv teploty na jejich světelnou účinnost (s mrazem klesá a hůře se startují = zapaluje se vnitřní oblouk). Výhodou je větší necitlivost světelného výkonu na ko-lísání napájecího napětí. Zářivky se první třetinu života "zahořují" , čili jejich světelný výkon mírně stoupá (z luminiforu se uvolní nežádoucí příměsi) a pak teprve začínají stárnout.

Elektrické světlo Způsoby osvětlování přímé - světelný zdroj posílá světelné paprsky přímo na osvětlovanou plochu nepřímé - paprsky jdou odrazem polopřímé (60 až 90 % toku jde přímo) nebo polonepřímé (60 až 90 % jde odrazem) smíšené (asi polovina přímo a polovina odrazem) jednostranné - paprsky dopadají na osvětlovanou plochu pouze z jedné strany (obvykle tedy z jediného zdroje) vícestranné - obvykle z více zdrojů rozptýlené - z více zdrojů a odrazem nebo z plošných zdrojů

Elektrické světlo Způsoby osvětlování podle účelu: všeobecné místní náhradní nouzové bezpečnostní signální slavnostní reklamní speciální

Elektrické světlo Zásady pro volbu a návrh osvětlení: světlo při práci má dopadat zleva (ALE např. u sou-struhu zprava, apod.) světelný zdroj nesmí oslňovat barevné ladění okolí nesmí dráždit směr dopadajících paprsků (na pracovní plochu) má být 45 až 60 ° shora odkloněné kontrasty světla s tmy nesmí působit rušivě ani nesmí vytvářet nevhodné či nepříjemné barevné kombinace, polostíny a stíny nezanedbatelné je i estetické působení osvětlovacích těles a svítidel

Elektrické světlo Osvětlení pracovní plochy nebo prostoru rýsovny, dílny s ruční prací, učebny == 150 až 500 lx kuchyně, koupelny, garáže, hrubá práce (štípání dřeva, řezání materiálu), hrubá manipulace s materiálem, sklady == 30 až 80 (100) lx pro orientaci v prostoru stačí velmi malé == 10 až 20 lx pro orientaci venku stačí velmi malé == 3 až 10 lx

Elektrické světlo Osvětlení pracovní plochy nebo prostoru je dáno normou (hygienickými předpisy) - měří se v LUXech (1 lx = 1 lm / l m2 ) dopadajících na danou plochu: pro přesnou, jemnou a drobnou (detailní) práci musí být nejvyšší == 500 až 2000 lx přímé osvětlení pracovní plochy lokálním světlem : - rýsování, kreslení, jemná montáž, hodinářství,…) == 1000 až 2000 lx - čtení, psaní, šití, montáž, pájení, .... == 200 až 500 lx pracovny, jídelny, kancelář, obýv. pokoj == 50 až 200 lx

Elektrické světlo Doporučené měrné příkony [ W / m2 ] předsíň 2 až 3 chodba 3 až 5 schodiště 3 až 5 kuchyň 8 až 10 obývací pokoj 12 až 15 hotelový pokoj 5 až 10 ložnice 10 až 12 WC 5 až 8

Elektrické světlo Doporučené měrné příkony [ W / m2 ] jídelna 15 až 20 kancelář 10 až 12 učebna 25 až 30 rýsovna 30 až 50 laboratoř 60 až 80 jemná dílna 100 až 200

Elektrické světlo Proslunění bytu: ČSN 73 4301 a STN 7304301 Byt je prosluněn tehdy pokud je součet prosluněných po-dlahových ploch jeho místností = nejméně 1/3 součtu podlahových ploch všech obytných místností bytu. Do součtu ploch z jedné strany prosluněných místností, ani do součtu všech podlahových ploch bytu, se nezapočí-távají části ploch obytných místností ležících za hranicí hloubky místnosti rovnající se 2/3 násobku její světlé výšky. Další podmínky se týkají otvorů a úhlu pod nímž dopadají sluneční paprsky.

Elektrické světlo Proslunění bytu: Doba proslunění je min. 1,5 hod denně v době od 1. března do 13. října běžného roku při výšce slunce nad horizontem > 5°. Pro další účely je stanoven „kontrolním dnem“ 1. březen. Kontrola se provádí v bodech – v polovině hloubky od osvětlovacího otvoru a 1 m od stěn. Osvětlení min 75% (průměr ze dvou bodů 90 %). Nebo v bodovém rastru o hraně 1 m. Viz ČSN 73 0580-2.

Elektrické světlo SW PRO SIMULACI OSLUNĚNÍ: 2002 Real Light --- //www.atma.it ART-250RD --- //www.art.co.uk Helios --- //www.ledalite.com/library-/soft.html …. Demo free Lightscape Visualization Systém --- kvalitní profi --- //www.lightscape.com Inspirer --- //www.integra.co.jp/eng Lumen Micro --- jednoduchý --- //www.lighting-techno logies.com/LumenMicro.htm Moonlite --- //www.pianeta.it/martinil/e-moonhp.htm

Elektrické světlo SW PRO SIMULACI OSLUNĚNÍ: 2002 Radiance / Adeline --- //radsite.lbl.gov/radiance --- // .gov/adeline Strata Studio Prp --- pro digitální video --- // www.strata3d.com Persistence of Vision (POV – Ray) --- free --- //www.rz.rwth-aachen.de/sw/graph/povray/ povray.html Luminaire --- //www.luminist.com/luminaire.html

Elektrické světlo Tabulka osvětlení podle činností (ČSN 73 0580-1): Tř. zrakové činnosti Poměrná pozorovací vzdálenost Charakteristika činnosti Příklady Hodnota Dmin / / Dprům [%] Hodnota požadov. osvětl. [lx] 1 3330 a více Mimořádně přesná S omezenou možností použití zvětšení, vysoké nároky na minimalizaci chyb v rozlišení, obtížná kontrolní činnost 3,5 / 10 1000 až 2000 a více 2 1670 až 3330 Velmi přesná Velmi přesné činnosti při výrobě a kontrole, rýsování, ruční rytí s velmi malými detaily, velmi jemné ruční a umělecké práce 2,5 / 7 500 až 2000

Elektrické světlo Tabulka osvětlení podle činností (ČSN 73 0580-1): 3 Tř. zrakové činnosti Poměrná pozorovací vzdálenost Charakteristika činnosti Příklady Hodnota Dmin / / Dprům [%] Hodnota požadov. osvětl. [lx] 3 1000 až 1670 Přesná technické kreslení, obtížné laboratorní práce, obtížné a přesné odečítání hodnot, náročné vyšetřování (i techn.), jemné šití, pletení (mnohobarevné a drobné) a vyšívání 2 / 6 500 až 1300 4 500 až 1000 Středně přesná Středně přesná výroba a kontrola, čtení, psaní, běžné laboratorní práce, vyšetření a ošetření, běžná obsluha strojů, hrubší šití, pletení, žehlení, příprava jídel 1,5 / 5 300 až 1000

Elektrické světlo Tabulka osvětlení podle činností (ČSN 73 0580-1): 5 Tř. zrakové činnosti Poměrná pozorovací vzdálenost Charakteristika činnosti Příklady Hodnota Dmin / / Dprům [%] Hodnota požadov. osvětl. [lx] 5 100 až 500 Hrubší Hrubší práce (mechanické činnost), manipulace s předměty a břemeny, konzumace jídla, obsluha při jídle, běžná obsluha, oddechové činnost, základní a rekreační sport a tělovýchovná činnost, čekání 1 / 3 40 až 400 6 Menší než 100 Velmi hrubá Údržba ploch, udržování čistoty, mytí, sprchování, oblékání, chůze po veřejných komunikacích 0,5 / 2 15 až 100 7 --- Celková orientace Chůze, doprava materiálu, skladování větších a velkých předmětů a hrubého materiálu, celkový odhled, základní orientace v prostoru 0,25 / 1 3 až 25

Elektrické světlo Výpočet osvětlení vnějších prostorů určete potřebný příkon svítidla pro osvětlení : obývacího pokoje o ploše 20 m2 polonepřímé osvětlení s intenzitou 80 lx určíme poměrný příkon == 0,20 W celkový příkon P = 0,20 W * 80 lx * 20 m2 = 320 W volíme svítidlo se dvěma žárovkami 150 W na 1 m2 pak připadá 320 W / 20 m2 = 15 W / m2

Základy elektrotechniky …