ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická

Prezentace na téma: "ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická"— Transkript prezentace:

1 ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická
O SVĚTLE Jiří Habel ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická

2 O SVĚTLE Vývoj názorů o „světle“ všeobecné hledisko fyzikální pohled světlo ve světelné technice Světlo jako činitel tvorby životního prostředí Viditelné záření, jeho vlivy a účinky na člověka světlo a biologické pochody v organismu člověka syndrom sezónní deprese onemocnění „Body blues“ výzkum reakce mozkových center na vnější světelné podněty

3 VÝVOJ NÁZORŮ O „SVĚTLE“
výchozí úvahy  Člověk se dlouhodobě přizpůsobuje podmínkám v přírodě prvotní dojem „světlo“ jako protipól „tmy“  Země se otáčí kolem Slunce a kolem své osy (cyklus cca 24 h – circadiánní)  „Světlo“ – jeden ze základních činitelů tvorby zdravého životního prostředí vzduch + voda + půda + světlo „světlo“ – aktivní doba „tma“ – období útlumu „světlo“ řídí vnitřní hodiny organismu člověka ovlivňuje řadu biologických pochodů

4 VÝVOJ NÁZORŮ O „SVĚTLE“
fyzikální pohled : – ještě i někteří řečtí myslitelé uvažovali, že paprsky světla vycházejí z oka; patřil k nim i Ptolemaios (70 – 147 p.n.l.). – mezi odpůrci této úvahy byl např. Demokritos ( p.n.l.); tvrdil : vidění je podmíněno nepatrnými nezničitelnými tělísky, které vycházejí od pozorovaných předmětů a dopadají na povrch oka. – až na přelomu 17. a 18. století konkurenční teorie o povaze světla :  Isaac Newton (1643 – 1727; angl.fyzik) pohlížel na světlo jako na proud různě velkých bodových částic vycházejících ze svíticích předmětů a dopadajících do oka. V důsledku toho vzniká počitek světla „korpuskulární teorie“ Při dopadu na rozhraní s hustším prostředím se menší částice odklánějí více, větší méně.  Cristiaan Huygens (1629 – 1695; nizozemský učenec) považoval světlo za podélné vlnění speciálního prostředí vyplňujícího celý prostor (éter) „vlnová teorie“ To umožnilo vysvětlit interferenci paprsků a ohyb světla.  Vlnovou teorii ověřoval i francouzský fyzik Étienne-Louis Malus ( ) převedl (1808) ji do analytického tvaru.

5 VÝVOJ NÁZORŮ O „SVĚTLE“
Zlom v nazírání na světlo r – James Clerc Maxwell ( ); anglický fyzik sjednotil teorii elektrických a magnetických jevů předložil obecný matematický popis elmagnetického pole [Maxwellovy rovnice] autor teorie o elektromagnetickém původu světla rychlost elmag. vlnění je vakuu totožná s rychlostí světla ve vakuu ve vakuu je elektromagnetické vlnění vždy příčné světlo je elmag. vlnění vybraných vlnových délek vnímané zrakem lidí; Maxwellova teorie přesně reprodukovala dostupná experimentální data. Na atomární úrovni musela však být upřesněna kvantovou elektrodynamikou. Albert Einstein (1879 – 1955) německý teoretický fyzik ukázal, že světlo má současně vlastnosti vlnové i korpuskulární světlo má duální charakter zavedl pojem fotonu; objevil zákonitosti fotoelektrického jevu; položil základy kvantové teorie světla; je autorem teorie relativity.

6 Atmosférická okna ve spektru elektromagnetického záření

7 Složky záření seřazené podle kmitočtů nebo podle vlnových délek
SPEKTRUM ZÁŘENÍ ultrafialové UV Optické záření VIS viditelné IR infračervené Viditelné záření (VIS) [ 380 nm – nm ] { 7, 9 · – 3,9 ·1014 Hz } záření schopné vyvolat zrakový počitek (vjem) Spektrum elektromagnetických záření orientačně seřazené podle kmitočtů a vlnových délek

8 Pojem „SVĚTLO“ ve světelné technice
Ve světelné technice se nezkoumá podstata záření, jeho přetržitost či silové účinky ale sleduje se rozdělení toků energie při jejich plynulých přechodech mezi uvažovanými místy. světlo = vjem světla ► „světlo“ se pak jeví jako viditelné záření zhodnocené zrakem člověka podle jeho spektrální citlivosti k záření různých vlnových délek ► zavádí se normální fotometrický pozorovatel ► z veličin záření se odvozuje soustava světelně technických veličin

9 Zářivý tok Fe – světelný tok F
Pro světelnou techniku je rozhodující energie přenášená zářením za 1 s = = výkon přenášený zářením = = zářivý tok Fe = dWe / dt (W) Ve světelně technických veličinách [po zhodnocení zrakem pozorovatele] Fe odpovídá světelný tok F = K · Fe (lm; lm.W-1, W) K = světelný účinek záření (lm.W-1) Libovolné záření lze rozložit na složky se sinusovým průběhem. Každou složku charakterizuje určitý kmitočet n (Hz) [ monofrekvenční záření ] či vlnová délka l Vlnová délka l se obvykle udává v nm = 10-9 m nebo v mm = 10-6 m l závisí na rychlosti šíření záření; ► ve vakuu l = c0 · n (m; m·s-1, Hz) ; rychlost šíření elmag. vln ve vakuu c0 = 2,998 ·108 m·s-1

10 Rozklad bílého světla hranolem
spektrum Bílá deska červená Bílé sluneční světlo oranžová žlutá stínítko zelená modrá Skleněný hranol modrofialová otvor fialová

11 Orientační oblasti spektrálních barev
Rozmezí vlnových délek (nm) Barevný tón spektrální barvy 380 – 430 fialová 430 – 465 modrofialová 465 – 490 modrá 490 – 500 modrozelená 500 – 560 zelená 560 – 575 zelenožlutá 575 – 585 žlutá 585 – 620 oranžová 620 – 770 červená

12 MONOCHROMATICKÉ ZÁŘENÍ
Ve viditelné oblasti spektra budí každé monofrekvenční záření zcela určitý barevný počitek  monochromatické záření Ilustrativní rozložení barevných tónů ve spektrální oblasti viditelného záření

13 Diagram chromatičnosti v soustavě XYZ
1 křivka spektrálních barev (locus) 2 čára teplotních zářičů 3 přímka purpurů K K x

14 Poměrná spektrální citlivost zraku pozorovatele Poměrná spektrální světelná účinnost záření
ve fotopické, mezopické a skotopické oblasti vidění Pro ilustraci se v mezopické oblasti uvažují dva vybrané průběhy poměrných citlivostí, a to pro adaptační jasy 1 cd·m-2 a 0,1 cd·m-2

15 1 kandela (cd) – základní jednotka SI
Jednotka svítivosti 1 kandela (cd) – základní jednotka SI 1 cd = svítivost zdroje, který vyzařuje v určitém směru monochromatické záření o frekvenci Hz , při čemž zářivost zdroje v tomto směru je 1/683 W. sr-1 . Ve standardním prostředí [20 °C; 50% relat. vlhkost; tlak 1,013 MPa; N = 1, ] n = 540·1012 Hz odpovídá vlnové délce l = 555 nm SVÍTIVOST I (cd) ZÁŘIVOST Ie (W.sr-1) I(l) = K(l) · Ie(l) = Kmax · V(l) · Ie(l) = 683 · V(l) · Ie(l)

16 Průběhy absolutních hodnot světelných účinků záření pro vidění fotopické, mezopické a skotopické
Při základní vlnové délce m = 555 nm je spektrální citlivost lidského zraku pro fotopické i skotopické vidění shodná a rovná 683 lm·W-1

17 SVĚTLO - činitel tvorby životního prostředí
např. fotosyntéza [zabezpečuje základní koloběh látek na Zemi; bez ní by neexistoval život] zrakové vnímání „světlo“ ovlivňuje celkovou duševní pohodu zrakem člověk získává 80 až 90 % informací spotřebuje na to až 25 % přijaté energie Cíl : dobrým osvětlením vytvořit zrakovou pohodu ZRAKOVÁ POHODA  zrak pracuje optimálně – dobré vidění a rozlišování  člověk se cítí psychicky dobře, prostředí příjemné

18 Světlo - důležitý činitel tvorby prostředí
SVĚTLO - prostředek k přenosu a získání zrakových informací o obklopujícím prostředí zrakový výkon obtížnost úkolu příjemné prostředí subjektivní pocity psychologické aspekty Dobré osvětlení pro zrakovou pohodu bezpečnost osob úrazy, pocit bezpečí únava zraku pálení očí, bolest hlavy Nesprávné osvětlení signalizace přetížení celková únava organismu Časté příčiny chyb oslnění úrazy, havárie nesprávná chromatičnost světla zdrojů nesoulad s hladinou osvětlení chybné rozlišení barev

19 OSVĚTLENÍ DOBRÉ - vyšší produktivita - roste i jakost výroby
- vyšší bezpečnost - únava roste pomaleji - snazší regenerace NEVHODNÉ - růst počtu chyb - pokles kvality výroby - růst počtu úrazů - vyšší únava zraku - roste celková únava Další možné důsledky nedostatečného osvětlení :  zhoršení schopnosti soustředění, snazší vznik stresu  snížení obranyschopnosti, zvýšení hladiny cholesterolu  snížení tvorby vitaminů A a D – zhoršení funkcí zraku, horší absorpce Ca  urychluje celkové stárnutí organismu  podporuje vznik sezónních depresí, výkyvy nálad, úbytku energie

20 Světlo řídí naše biologické pochody
Mnohé probíhají v cca 24 h (tzv. cirkadiánních) cyklech v závislosti na otáčení Země kolem Slunce aktivní fáze ve dne – klidová fáze v noci Např tělesná teplota, krevní tlak, tepová frekvence, látkový metabolismus, imunitní funkce, sexuální funkce, fyzická a duševní aktivita Světlo řídí naše vnitřní hodiny – čidlem: třetí typ fotoreceptorů „C“ Poměrná spektrální citlivost „C“ - cirkadiánního čidla V - zraku při denním vidění (převažují čípky) V´ - zraku při nočním vidění (převažují tyčinky)

21 Důsledky narušení biorytmů
- pocit nepohody - poruchy spánku - až závažná onemocnění Příklady příčin rychlé přesuny mezi časovými pásmy práce ve střídavých či nočních směnách dlouhodobý pobyt v prostředí s velmi nízkými hladinami osvětlenosti Někteří obyvatelé velkoměst trpí [zejména v zimním období] (např. až 10% obyvatel New Yorku) syndromem sezónní deprese (SAD – seasonal affective disonder) Důsledky : - snižování aktivity pracovní, společenské i sexuální - pocity ospalosti během dne - změny v jednání jedince ve skupinách - zvyšování tělesné hmotnosti - pochody připomínající jevy při zimním spánku některých živočichů - u vyvíjejících se organismů až potlačení vývoje některých orgánů Zlepšení : opakované osvětlování hladinami lx 2 h denně lx 0,5 h denně

22 Onemocnění „Body Blues“
Projevy : - vegetativní depresivní symptomy - potíže s koncentrací - pocit nedostatku energie - pocit mírné úzkosti až deprese - nechuť k sexu - problémy se spaním (ale ospalost i ve dne) - podrážděnost, větší citlivost na kritiku Hl. příčina: nízká hladina tkáňového hormonu serotoninu (hormon „štěstí“) [podílí se v mozku na procesech souvisejících se vznikem určité nálady] Úleva: sacharidy - po 1 h však nálada prudce klesá nemocní se přejídají sladkostmi a přibývají na hmotnosti Nemoc u žen 3 x častější – serotonin reprodukují mnohem pomaleji než muži odborný odhad: na světě nemocí trpí asi 1 milion žen Terapie: - minerály, vitamíny B1, B2, B6, D, selen, kyselina listová - pobyt v příjemném prostředí s vyšší hladinou osvětlenosti Poznámka ► Vhodným intenzivním osvětlením se často kompenzuje nedostatek světla i při chovu užitkových zvířat (např. ve stájích), aby se zajistil normální růst vyvíjejících se organismů mláďat

23 Výzkum reakce mozkových center
na vnější světelné podněty přijaté zrakem Působením světla určité barvy a vhodným kmitočtem jeho blikání lze stimulovat určitá mozková centra Využití : prevence a léčení některých onemocnění i psychického charakteru Vyrobeny přístroje, propracovány procedury a návody – pacient pozoruje (cca 20 min) vymezené zorné pole, v něm se po zvolenou dobu (3, 5, 10 minut) v určitém rytmu ( f = 8, 10, 12 Hz) míhá světlo určitého jasu a barevného tónu – při jedné proceduře se aplikují např. 3 alternativy – každá procedura se předem naprogramuje podle předpisu lékaře Výzkum pokračuje i v rámci Mezinárodní komise pro osvětlování „Vlivy dynamických a stereovizuálních zobrazení na lidské zdraví“

24 DĚKUJI VÁM ZA POZORNOST

25 ULTRAFIALOVÉ ZÁŘENÍ (UV)
UV-A 315 až 400 nm UV-B 280 až 315 nm Zdroje UV : Slunce, umělé zdroje (zvl. Hg výbojky) UV paprsky dobře procházejí vodou, křemenem, některými skly (např. fosfátovými draselnými), organickým sklem i vzduchem UV paprsky nepropustí i jen tenké vrstvy kovů a obyčejné sklo (zvl. olovnaté), [baňky výbojek pro všeobec. osvětlení propustí UV jen min.] UV-C 100 až 280 nm Není-li výrazně narušena ozonová vrstva, pak vysoká vrstva vzduchu v atmosféře záření UV ze Slunce prakticky pohltí. V našem klimatickém pásmu se složky UV dostanou na povrch země jen za slunného dne na vysokých horách. Některé materiály (tkaniny, tiskoviny, obrazy aj.) po ozáření vyššími dávkami UV rychleji stárnou, ztrácejí barvu, může být narušena jejich struktura i mechanická pevnost. Pigmentační účinky (ochranné zhnědnutí) – 297 nm, 340 nm. Při vyšších dávkách rozšíření cév, krátkodobé zánětlivé zčervenání pokožky (erytéma). Erytemální účinky zvl. nebezpečné hl. pro sliznice. Intenzivní ozařování kůže UV paprsky může způsobit vážná onemocnění až rakovinu. UV záření vybuzuje luminiscenci luminoforů – využití u zářivek, k fluorescenční analýze aj. UV okolo 283 nm podporuje tvorbu vitaminu D – urychluje ukládání vápníku v kostech léčení řady nemocí (křivice, záněty dutin, poruchy látkové výměny, TBC kůže aj.) zdroj: vtl. Hg výbojky – horská slunce. Germicidní účinky (265, 254 nm) – ničení virů bakterií atd., sterilizace vzduchu, kapalin i pevných látek. Speciální germicid. výbojky. Široké využití ve zdravotnictví, v průmyslu i v zemědělství (např. proti plísním).

26 INFRAČERVENÉ ZÁŘENÍ (IR)
IR-A 780 až 1400 nm IR – nosič sálavého tepla Užití : vytápění, ohřívání, sušení IR-B až 3000 nm IR-C až 106 nm Zdroje IR : Slunce, teplá tělesa, infražárovky aj. IR prostupuje snadno vzduchem, mlhou, tenkými vrstvami kovů apod. velmi málo sklem (zvl. s obsahem oxidů Fe), vodou, tepelnými izolanty IR-A proniká pokožkou, rozšiřuje cévy, zlepšuje tak průtok krve, urychluje hojení, tiší bolest - využití k léčení různých onemocnění (včetně revmatických potíží) - diathermie infrafotografie infradalekohledy (pozorování v noci – převedením na viditelné záření) Další využití IR :