IŞIK Kitabın bu bölümü, aydınlatma ve ışık kaynakları konuları için bir altyapı niteliğindedir. Bu bölümde ışık kavramıyla ilgili tanımlara, hesaplamalarda kullanacağımız bazı fotometrik yasalara ve yüzey karakterleri konularına değinilmiştir. İlgili tanımlar 1.1. Işık Dalga teorisine göre ışık, elektromanyetik ışınlanma (radyasyon) enerjisinin gözle görülebilen bir şeklidir. Işık, belli bir yayılma hızına, Frekansa ve Dalga-boyuna sahiptir. İnsanoğlu modern yaşamda elektromanyetik ağ içerisinde olmamasına rağmen bu elektromanyetik dalgalardan sadece dalga boyu 380nm ile 780nm arasında değişen ve renk olarak tanımlanan kısmını görebilmektedir. 1.2. Renk Renk farklı dalga boylarındaki ışınımların insan beyninde yaptığı çağrışımlardır. Bir ışık demetinin rengini tayfsal özellikleri belirler. Şekil 1.1 Renk spektrumu 1
Ultraviyole Mor Mavi Yeşil Sarı Turuncu Kırmızı Kızılötesi 100-380 nm 380-436 nm 436-495 nm 495-566 nm 566-589 nm 589-627 nm 627-780 nm 780-10000 nm 1.3. Görme Görme, göze giren ışığın doğurduğu duyumsal izlerle, dış çevredeki ayrıntıların algılanması olarak tanımlanır. Diğer bir deyişle görme, nesnelerin ışığın bunlardan geçerken ya da bunların yüzeylerinden yansırken uğradığı nicel ve nitel değişikliklerle göze gelmesi sonucu algılanması olarak tanımlanır. Bir cismin görülmesi her şeyden önce o cismin gözün ağ tabakasında meydana getirdiği görüntünün aydınlık şiddetine, dolayısıyla cismin muhtelif noktalarının parıltılarına bağlıdır. Bütün bunların yanında cismin büyüklüğü, şekli ve devamlılığı da önemli rol oynar. Göz görünür bölgedeki bütün ışınlara uyum duyarlılığı göstermez. Gözü en fazla 555nm dalga boyundaki sarımsı yeşil ışık etkiler. 1.4. Gözün eşik değeri Görme olayının gerçekleşmesi için öncelikle ortamda ışığm bulunması ve bunun belli sınırlar içinde olması gerekir. Çünkü gözün uyarılmaya başladığı bir alt sınır ve kamaşmaya başladığı bir üst sınır vardır. Gözün uyarılmaya başladığı en küçük uyarım değeri denilince apostilb (asb) cinsinden görülebilen en küçük ışık uyarımı anlaşılır. Gözdeki ağ tabakada bulunan koni ve çomaklar ışık uyarımlarına aynı derecede duyarlı değillerdir. Tamamen karanlıkta bulunan göz için asb de uyartım başlar ve bu durumda çomaklar çalışmaya başlar. Bu eşik değerini asb ye çıkardığımızda renk duyarlılığı başlar ve bu değerde koniler için alt eşik değeridir. asb ile 10 asb arası değerler için koni ve çomaklar beraber çalışır ve buna karma görme denir. 10 asb'nin üstündeki parıltılarda yalnız koniler çalışır ve gündüz görmesi olarak tanımlanır. Konilerin çalışmasının sona erdiği bir üst sınır yoktur fakat 10 5 de kamaşmanın başlaması nedeniyle bu değer bir nevi üst değer gibi düşünebilir. Bütün bu verileri değerlendirirsek 3 çeşit görme vardır. asb ile asb arası GECE GÖRMESİ asb ile 10 asb arası KARMA GÖRME 10 asb ve üzeri değerlerde GÜNDÜZ GÖRMESİ gerçekleşir. 2
FOTOMETRİK BÜYÜKLÜKLER 1.5. Uzay açı İçerisinden belirli bir ışık akısı geçen koni veya piramit şeklindeki uzay parçasına uzay açı denir ve Ω ile temsil edilir. Uzay açı yüzeyin büyüklüğüyle doğru, uzaklığın karesiyle ters orantılıdır. 1 'lik düzlemi gören uzay açının değeri bir steradyan (str) olarak tanımlanır. Örnek olarak çeyrek küre yüzeyini gören uzay açıyı hesaplayalım. Çeyrek küre yüzeyi ise, str olur. Düzlemsel açı birim dairede yay olarak ölçülürken, uzay açı birim kürede yüzeyi temsil eder. Uzay açı ile düzlem açı arasındaki bağıntı aşağıdaki şekilden çıkarılır. Şekil 1.2 Şekli incelersek: S= 2πRh h= R x x= Rcosθ h= R Rcosθ h=r(1 cosθ) h değerini S denkleminde yerine koyarsak; 3
S= 2πR.(1 cosθ) olur. Bu yüzeyi gören uzay açının değeri ise [küre takkesi] ( )( ) 2 1 cos şeklinde bulunur. Örnek 1 ( ) π str ise düzlem açı nedir? Bilindiği üzere uzay açı ile düzlem açı arasındaki bağıntı = 2π(l - cos θ) şeklindeydi. ( ) π ifadesi bağıntıda yerine koyulduğu zaman ( ) ( θ) θ θ θ θ olacaktır. Örnek 2 Bir çemberin çevresinin %35'ini gören düzlem açının meydana getirdiği katı açının değeri nedir? - Bir çemberin çevresinin % 35'ini gören düzlem açının değeri θ=126 derecedir. π( θ) π( ) π( ) π 4
1.6. Işık akısı Işık kaynağı herhangi bir enerjinin ışık akısına dönüştüğü yerdir. Günümüzde aydınlatmada kullanılan ışık kaynaklarının hepsinde elektrik gücü verilir ve radyasyon salınır. Elbetteki kaynağa verilen enerjinin tamamı ışıyan enerjiye dönüşmez. Kullanılan teknolojiye bağlı olmakla birlikte kaynağa verilen enerjinin bir kısmı ısı enerjisine dönüşürken diğer bir kısmı da absorpsiyon vb nedenler nedeniyle kayba uğrar. Bütün bunlardan sonra geriye kalan enerji ışıyan akıya dönüşür. Fakat bu ışıyan akınların sadece 380nm 780nm dalga-boyu değerleri arasında yer alan kısmı ışığı meydana getirir. (Işıyan akının göze etkiyen kısmına ışık akısı denir ve Φ ile gösterilir. Birimi lümendir lm) ve ışınımın parlaklık duyusu uyandırma yeteneğini temsil eder. Toplam ışık akısı ise bir kaynaktan çıkan ve uzayın muhtelif kısımlarına yayılan ışık akılarının toplamı olarak tanımlanır. Şekil 1.3 Elektromanyetik enerjinin görünen kısmı 1.7. Işık miktarı Işık miktarı belirli bir etki süresi için bir kaynaktan çıkan toplam ışık akısı olarak tanımlanabilir. Işık miktarı Q ile gösterilir ve birimi lumen-saniye veya lumen-saattir. 1 Lümen-saat=1Lmh dq = Φ(t).dt Φ ( ) Yukarıdaki formül dizisinden anlaşılacağı gibi, bir ışık kaynağının yayımladığı ışık miktarı, ışık akısı ve bu akının etki süresi ile alakalıdır. Eğer ışık akısı zamanla değişmiyorsa bu ifade Q = Φ.t şeklini alacaktır. 5
1.8. Işık şiddeti Noktasal bir ışık kaynağının herhangi bir α doğrultusundaki ışık şiddeti, bu doğrultuyu içine alan bir uzay açısından çıkan Φ ışık akısının, uzay açısına bölümü olarak tanımlanır. Işık şiddetinin birimi Candela'dır ve 'cd' ile temsil edilir. Iα = Φ Φ Şekil 1.4 Işık şiddeti 1 lümenlik ışık akısının bir steradyan'lık uzay açısından çıkması durumunda ışık şiddeti; 1 Lm 1str 1cd (kandela) olarak elde edilir Eğer ortamın yutması yoksa ortalama ışık değeri 1.8.1. Işık dağılım yüzeyi Φ şeklinde olacaktır. Noktasal bir ışık kaynağının muhtelif doğrultulardaki ışık şiddetlerinin uç noktalarının oluşturduğu yüzeye ışık dağılım yüzeyi veya polar fotometrik yüzey denir. Bir ışık kaynağının ışık dağılım yüzeyi, gerek kaynağın ışık dağılımının incelenmesi, gerekse kaynakların konumlandırılması konusunda yararlanabileceğimiz bir özelliktir. Işık kaynaklarının armatürlerle birlikte kullanılması durumunda ışık dağılım eğrileri, armatürün geometrik yapısına bağlı olarak değişimler gösterir. Şekil 1.5 Dolaysız aydınlatma yapan bir armatürün ışık dağılım eğrisi 6
1.9. Aydınlık şiddeti Birim yüzeye düşen toplam ışık akısı o yüzeyin aydınlık şiddeti olarak tanımlanır. Bir yüzeyin aydınlık şiddeti lüxmetre denilen cihazla ölçülür. Şekil 1.6 Bir yüzeye dik olarak gelen ışık akısı Φ Aydınlık şiddeti S yüzeyinin her noktasında aynı ise; Φ ifadesi bize ortalama aydınlık seviyesini verecektir. Φ=lümen, S= olarak alınırsa E= ü ifadesinden Lx birimi ortaya çıkar. Formül incelendiğinde, yüzeyi sabit kabul edersek, aydınlık şiddetinin yüzeye gelen ışık akısı yoğunluğuyla doğru orantılı olduğu görülmektedir. Φ Mekan Tipi Aydınlık Şiddeti (Lux) Sınıflar 500 Yatak Odaları 50 Oturma Odaları 100 Merdivenler 100 Mutfaklar 300 Kütüphaneler 500 Laboratuarlar 500 Banyolar 100 Mağazalar 300 Süper marketler 750 Bekleme Salonları 200 Tekstil Atölyeleri 750 Genel Ofisler 500 Tablo 1.1 Bazı mekanlar için ortalama aydınlık şiddeti değerleri 1.10. Parıltı (lüminans) Işık yayan bir yüzeyin herhangi bir x noktasının bu yüzeyin normali ile α açısı yapan doğrultudaki parıltısı, x noktasını içine alan S yüzey elemanının bu doğrultuda doğurduğu lα ışık şiddetinin, S'in bu doğrultuya dik düzlemdeki Sn görünen alanına oranıdır. Bunu ifade edecek olursak: 7
dir. S yüzeyinin her noktasında parıltı değeri aynı ise, bu ifade; şeklini alır. Parıltının birimi nit'tir. Nit, nesnelerin parlaklığını temsil etmek için uygun olmasına karşın ışık kaynakları için stilb birimi kullanılır. Şekil 1.7 Bir yüzeyin normali ile açı yapan ışık şiddeti 1asb= 1 nit [apostilb] 1.11. Yüzey karakterleri 1.11.1. Yansıtma faktörü ( ) Yansıma bir cisme herhangi bir doğrultuda gelen ışık akısının yüzeyin fiziksel özellikleri nedeniyle bir kısmının ya da tamamının çevreye saçılmasıdır. Yansıma faktörü ise bir cisimden yansıyan ışık akısının bu cisme gelen ışık akısına oranıdır. Yansıma olayı cisim ve nesnelerin fiziksel özelliklerine göre şekillenir ve düzgün yansıma yayınık yansıma karışık yansıma geri yansıma olmak üzere 4 genel şekilde gerçekleşir. 8
Şekil 1.8 Yansıma şekilleri Ayna gibi parlak yüzeylerde düzgün yansıma gerçekleşir. Yayınık yansıma, ipeksi parlaklığı olan yüzeylerde oluşurken, karışık yansıma ise tozlu, kirli, az buğulanmış parlak yüzeylerle, üstü parlak veya saydam bir nesne ile kaplanmış mat ya da ipeksi parlaklıktaki yüzeylerde gerçekleşir. YÜZEY TİPİ % Çıplak Tuğla Duvar Yüzeyi 5-30 Beyaz Kireç Badana 60-80 Beyaz Yağlı Boya 75-80 Beyaz Kağıt 60-80 Siyah Kadife 0,5-1 Su Mermeri 45-70 Beyaz Fayans 70 Beyaz Buzlu Cam (3mm) 15 Renksiz Saydam Cam (3mm) 7 Renksiz Saydam Cam (4mm) 8 Ayna 90 Parlak Gümüş 88-93 Parlak Alüminyum 65-75 Mat Alüminyum 55-60 Beyaz 80 Siyah 4 Tablo 1.2 Bazı yüzeylerin yansıtma faktörleri 1.11.2. Geçirme faktörü( ) Bir cisimden geçen ışık akısının, cisme gelen ışık akısına oranı, geçirme faktörü olarak tanımlanır. Bir ortamdan geçen ışık, geçtiği ortamın fiziksel özelliklerine bağlı olarak Düzgün Yayınık ve Karışık geçme özelliği gösterir. geçen gelen 9
1.11.3. Yutma faktörü (α) Bir cisim tarafından yutulan ışık akısının cisme gelen ışık akısına oranına yutma faktörü (α) denir. Bir yüzeyin yutma faktörü, yüzeyin rengi ile doğrudan alakalıdır. yutulan gelen Bu konuyu özetleyecek olursak, bir yüzeye gelen ışık yüzey tarafından yansır, yutulur ya da geçirilir. Bu durumların yoğunluğu yüzeyin rengi ve fiziksel özellikleriyle alakalıdır. Şekil 1.9 Bir yüzeye gelen, yutulan, geçen ve yansıyan ışık akıları Nesnelerin renklilik ve tonlarının yansıtma ve yutma karakterleri üzerine etkileri: Renkli yüzeylerin yansıma çarpanları, üzerlerine gelen ışınların dalga-boyuna bağlı olarak farklılık gösterir. Her renk farklı dalga-boyları için farklı davranış gösterir. Örnek olarak yeşil bir yüzeyi düşünelim. Eğer bu yüzeyi aydınlatmak için içerisinde yeşil ışın bulunmayan bir ışık demeti kullanırsak, o yüzey bize yeşilden daha farklı bir renkte gözükecektir. Normal şartlarda bu yüzeyi içinde bütün renkleri içeren beyaz ışıkla aydınlatırsak, yüzey kendi rengine karşılık gelen dalga boyundaki ışığı yansıtıp diğer dalga-boylarındakileri yutacak ve cisim bize yeşil renkte gözükecektir. Tüm renkler üzerlerine gelen ışık demetinin sadece kendi dalga boyundaki ışınları yansıtır. Beyaz ve gri yüzeyler ise, üzerlerine gelen ışık demetinin bütün dalga boylarını eşit oranda yansıtır. Yüzeyin tonu koyulaştıkça yansıtıcılığı ve geçirgenliği azalırken, yutuculuğu artış gösterir. Tanım olarak da bir yüzey, üzerine gelen ışığın büyük bir bölümünü yutuyor ve küçük bir kısmını yansıtıyorsa koyu yüzey olarak tanımlanır. Açık renkler için ise bu tanımın tersi geçerlidir. Yansıtma çarpanlarına bağlı olarak bu verileri değerlendirecek olursak karşımıza aşağıdaki tablo çıkacaktır. Yansıtma çarpanı %70 Yansıtma çarpanı %50 Beyaz ya da çok açık renkli Açık renkli 10
Yansıtma çarpanı %30 Yansıtma çarpanı %10 Orta renkli Koyu renkli Saydam cisimler: Kırılma yasasına uygun geçirme yaparak üzerlerine gelen ışığın büyük bir kısmını geçiren cisimlere saydam cisimler denir. Saydam cisimlerde meydana gelen kayıplar cismin kalınlığıyla doğru orantılı olarak artış gösterir. Saydam cisimlere örnek olarak Plexiglaslar ve saydam camlar gösterilebilir. Yarı saydam cisimler: Karışık geçirme özelliğine sahip olan cisimlere yarı saydam gereçler denir. İpekli kumaşlar ve buzlu camlar bu karaktere sahip cisimlere örnek gösterilebilir. Saydam olmayan cisimler: Işığı geçirmeyen fakat fiziksel özelliklerine bağlı olarak gelen ışığı belli oranda yutan ve yansıtan cisimlere saydam olmayan cisimler denir. 1.12. Bazı fotometrik yasalar 1.12.1. Kosinüs yasası Paralel ışınlardan oluşan ışık demetine maruz kalan bir S yüzeyinin aydınlık şiddeti, ışık akısının yüzeye geliş açısı olan α değerine bağlı olarak değişim gösterir. Şekil 1.10 Bir yüzeye eğik olarak gelen ışık akısı n: S yüzeyinin normali S: herhangi bir yüzey Sn: S yüzeyinin gelen ışık akısına dik düzlem üzerindeki iz düşümü : ışık akısı S yüzeyini ve Sn yüzeyini aydınlatmaktadır Her iki yüzeydeki aydınlatma şiddeti yazılırsa Bu iki ifade taraf tarafa oranlanır a E = S E n S n 11
E E n S n olur. S Cos S S. dır. n E En S. Cos S E=. Cos elde edilir. En Sn = Scosα α Işık akısını sabit kabul edersek yüzeydeki aydınlık şiddetinin değişimi tamamen akı ile yüzey arasındaki açıyla alakalı olacaktır. Kısacası ışık akısı yüzeye ne kadar dik gelirse yüzeyin aydınlık şiddeti o kadar yüksek olacaktır. Işık kaynaklarının verimli kullanılması konusunda ışık kaynağından çıkan ışığın yüzeye geliş acısı önemli rol oynamaktadır. 1.12.2. Uzaklıkların karesiyle ters orantı yasası Işık kaynağını noktasal olarak düşünürsek, kaynaktan herhangi bir α doğrultusuna dik düzlemlerdeki aydınlık şiddetleri, düzlemlerin kaynağa olan uzaklıklarının karesiyle ters orantılıdır. Şekil 1.11 Bir ışık kaynağına değişik uzaklıklarda olan yüzeylerin aydınlanması 12
Aydınlık şiddeti tanımında yazılır ( doğrultusu dik düzlemlerdeki aydınlık şiddetleri) Uzay açı tanımından S n 2 d S n ' d 2 ' yazılır. Buradan elde edilen, ( ) değerleri yukarıdaki ifadede yerine yazılır ve ( ) elde edilir. Herhangi bir ışık kaynağından d kadar uzaklıktaki yatay düzlemin aydınlık şiddeti, düzlemin kaynağa olan uzaklığına ve ışık akısının yüzeye geliş açısına bağlıdır. ( ) ( ) Bunu yukarıdaki ifadede yerine koyarsak: 1.12.3. Lambert yasası elde edilir buna noktasal aydınlık şiddeti formülü denir. Işık yayan bir yüzeyin, her doğrultudaki parıltısı sabit ise bu yüzeye, ideal dağıtıcı yüzey denir veya Lambert yasasına göre ışık yayan yüzey denir. Bir yüzey Lambert yasasına göre ışık yayıyorsa mat görünür 13
L L 0 L st dir. Şekil 1.12 Lambert yasasına göre ışık yayan yüzey 1.13. Farklı geometrideki ışık kaynaklarının ışık dağılımlarının incelenmesi Herhangi bir yüzey veya cisim Lambert Yasasına göre ışık yayıyorsa bu yüzeyin yaydığı toplam ışık akısı LS dir. : lm cinsinden yüzeyin yaydığı toplam ışık akısını, L: cd/m2 cinsinden yüzeyin sabit olan parıltısı, S: m2 cinsinden yüzeyin toplam alanını gösterir. Lambert Yasasına uygun olarak ışık yayan yüzeyler mat görünüşlü olup, opal camlar, konutlarda kullanılan iç yüzey, siyah cisim örnek olarak verilebilir. 14