Luce

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Autore: Natale Zanni
Albert Einstein

1. Prima definizione

Rinviando ulteriori precisazioni ai capoversi successivi, possiamo definire la l. come il gruppo di onde elettromagnetiche, la cui lunghezza è compresa tra i 380 e i 700 miliardesimi di metro (nm); esse si propagano nello spazio come le altre onde di natura elettromagnetica; sono filtrate, assorbite e/o riflesse in modo diverso a seconda della materia di cui sono fatti gli oggetti coinvolti. I nostri occhi sono in grado sia di rilevarne la presenza, sia di distinguerle in base alla diversa lunghezza d’onda, interpretandone la diversità attraverso la gamma dei colori, dal rosso intenso (le onde più lunghe) al violetto scuro (le onde più brevi). In questo modo il sistema visivo umano, come un radar estremamente potente, ha un notevole controllo dello spazio e di ciò che in esso c’è o si muove. Per ottenere questo risultato il cervello letteralmente colora la realtà: infatti il colore come tale non esiste distinto dall’atto percettivo; esso è la ‘gamma di sensazioni’ secondo la quale il cervello differenzia le radiazioni che riceve.

2. Natura e propagazione

La natura della l. ha suscitato discussioni fin dai tempi più antichi. Il filosofo greco Pitagora (580-500 a.C.) pensava che i nostri occhi fossero dei ‘fari’ capaci di emanare raggi luminosi che investivano i corpi e quindi, per riflessione, si avesse la visione dell’oggetto osservato. I secoli successivi non portarono molti contributi diversi sull’argomento. Studi più sistematici e conosciuti sulla natura e propagazione della l. si ebbero solo verso il 1700, periodo in cui due teorie derivanti da indagini sperimentali, quella corpuscolare legata a I. Newton (1642-1727) e quella ondulatoria legata a C. Huygens (1629-1695) iniziarono a essere discusse e sperimentate. La prima sosteneva che la l. era un aggregato di corpuscoli emessi dai corpi; mentre per la seconda la l. era dovuta a vibrazioni attraverso l’etere cosmico, come avveniva per il suono, con caratteristiche però diverse. All’inizio del secolo successivo T. Young (1773-1829) e A. Fresnel (1788-1827) dimostrarono la maggiore scientificità della teoria ondulatoria, nei confronti di quella corpuscolare, pur non riuscendo a chiarire ancora alcuni aspetti, ad esempio il fenomeno della polarizzazione. Nella seconda metà del XIX sec. J. C. Maxwell (1831-1879) formulò – con largo anticipo sui tempi – una quadro teorico molto approfondito sulle onde elettromagnetiche, definendo per primo la natura elettromagnetica della l. Sul finire del secolo M. Planck (1858-1947) e, successivamente A. Einstein (1879-1955), diedero un ulteriore contributo con l’interpretazione quantistica delle onde elettromagnetiche, rimettendo così in discussione la teoria ondulatoria che – date le nuove scoperte – non riusciva a spiegare tutti i fenomeni (ad esempio l’effetto fotoelettrico). Alla radiazione elettromagnetica viene attribuita una duplice natura, ondulatoria e corpuscolare, dove le piccole unità che si propagano, i fotoni, sono qualcosa di particolare; essi non possono essere paragonati a dei corpuscoli come affermava la teoria corpuscolare, anche se per molti aspetti si comportano allo stesso modo: sono invece delle quantità indivisibili di energia elettromagnetica (quanto di l., quanto di energia). Questo ‘duplice’ comportamento, descritto da Planck e Einstein, permetteva di spiegare alcuni fenomeni, lasciando comunque delle perplessità sull’interpretazione delle radiazioni elettromagnetiche. Verso il 1930, alcuni fisici e matematici – L.V. De Broglie (1892-1987) e W. Pauli (1900-1958) e altri – cercarono di conciliare il duplice comportamento, sostenendo in sintesi, che la natura delle radiazioni elettromagnetiche è tale da far prevalere il comportamento ondulatorio quando la frequenza è bassa, ossia la lunghezza d’onda è grande e invece il comportamento corpuscolare (con le precisazioni fatte sui fotoni), quando la frequenza è elevata, ossia la lunghezza d’onda è piccola (è comunque abbastanza probabile che gli studi in questo campo riservino ancora notevoli sviluppi in un prossimo futuro).
La l. è dunque una forma di energia che si propaga nello spazio, non in maniera uniforme, ma con una certa discontinuità, in quantità discrete, in ‘pacchetti’, chiamati quanti o fotoni, i quali hanno un valore energetico direttamente proporzionale alla frequenza dell’onda creata dai movimenti oscillatori degli elettroni. La l. infatti è legata al comportamento dell’atomo, le cui mutazioni energetiche provocano delle onde che sono la causa del fenomeno luminoso.
Come è documentato nella tabella allegata, lo spettro delle radiazioni luminose è compreso approssimativamente tra i 400 e i 700 terahertz (1012 Hz): esse sono una parte assai modesta della globalità delle onde magnetiche.

3. Velocità della l.

Come tutti i moti ondulatori (Onda) anche le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dalla frequenza (f), dalla lunghezza d’onda (l), da una determinata velocità di propagazione (C). Il legame tra le tre grandezze viene dato da una relazione matematica, C = l x f: in altre parole, la velocità di propagazione è pari al prodotto della lunghezza d’onda per la frequenza.
Per quanto riguarda la velocità di propagazione della l., essa è pari a 300.000 km/sec, se avviene nel vuoto. Nel caso di mezzi diversi dal vuoto tale velocità è inferiore di una quantità che dipende dal mezzo e dal suo indice di rifrazione. Per l’acqua, ad esempio, tale indice è 1,34; ciò significa che la velocità della l. nell’acqua è pari a 224.000 km/sec (300.000/1,34).

4. Il colore

Nello spettro visivo le diverse frequenze sono caratterizzate dalla sensazione di colore che determinano nel cervello umano (l’occhio va considerato come una vera estensione del cervello). La sensazione cromatica è più o meno condizionata da un insieme di fattori chimico-fisici, psicologici ed elementi percettivi tipici della singola persona umana. Passando da un colore all’altro con una variazione di frequenza graduale si possono notare delle sfumature, dei colori intermedi che non sempre sono uguali per tutti. L’occhio umano infatti ha un comportamento alquanto soggettivo nei confronti di determinate radiazioni luminose. Ci sono poi difetti, come il daltonismo, che impediscono di vedere alcuni o tutti i colori. Inoltre la soglia di sensibilità visiva, varia nelle diverse persone.
Se tralasciamo però casi particolari di sensibilità soggettiva, l’insieme di tutte le frequenze presenti nello spettro visivo provocano nell’occhio umano la sensazione del colore bianco, interpretato come assenza di colore. La l. naturale del sole ha una colorazione bianca appunto perché emette contemporaneamente tutte le frequenze visibili. Se invece si ha la prevalenza di qualche radiazione o la mancanza di una di esse, si avranno effetti particolari e l’occhio percepirà dei colori, diversi caso per caso.

4.1. Il colore bianco.
COLORE LUNGHEZZA D’ONDA   λ

misurata in nanometri
(nm = 10-9m)

FREQUENZA   f

espressa in teraherz
(THz = 1012 Hz)

Violetto 425 - 380 706
Indaco 455 - 425 659 - 706
Azzuro 490 - 455 612 - 659
Verde 575 - 490 522 - 612
Giallo 585 - 575 513 - 522
Arancione 645 - 585 465 - 513
Rosso 700 - 645 < 465
Nella l. bianca è dunque presente tutto l’insieme delle frequenze visibili. Se si scompone tale insieme (Newton lo fece interponendo a un raggio di l. solare un prisma di cristallo a base triangolare), si ottiene l’intero spettro dei colori. Entro questo spettro la tradizione occidentale ha voluto distinguere sette colori diversi (che il sette abbia qui un valore simbolico, è più che evidente), di ciascuno dei quali è stata indicata la lunghezza d’onda di riferimento (vedi tavola 1).
La colorazione di un corpo è percepita dall’occhio umano come presenza/assenza di alcune radiazioni visive. Quando un corpo è illuminato da l. bianca e tutte le frequenze sono assorbite, il corpo è nero; viceversa, se nessuna frequenza è assorbita e quindi tutta la gamma delle frequenze visive viene riflessa, il corpo appare di colore bianco; è rosso se assorbe le altre frequenze e all’osservatore invia soltanto la frequenza corrispondente alla sensazione del rosso, ecc.

4.2. Colori primari e secondari.
È interessante notare che qualunque gradazione di colore può essere ottenuta facendo interagire nei dovuti modi soltanto tre colori, i colori primari. Il primo a studiare a fondo questo fenomeno è stato lo scienziato inglese J. C. Maxwell, il quale nel 1861 riuscì per questa via a produrre la prima fotografia a colori. Si tratta di una scoperta fondamentale: lo dimostra il fatto che tutte le immagini a colori, che siano stampe, fotografie o immagini su schermo, sono ottenute nello stesso modo. Due sono i procedimenti, per addizione e per sottrazione.
– Per addizione: se si dispone di tre sorgenti di l. colorata – rosso, verde e blu, colori detti primari – e le si orienta verso uno schermo, facendo in modo che le tre zone illuminate si sovrappongano in parte, si nota che la zona che riceve tutti e tre i colori appare bianca, mentre nelle altre tre zone, ciascuna illuminata soltanto da due colori, appariranno i colori complementari: cyan (verde + blu), magenta (blu + rosso) e giallo (rosso + verde). In modo analogo, mescolando variamente i tre colori primari si ottengono tutte le sfumature di colore.
– Per sottrazione: nel caso invece che si disponga di un fascio di l. bianca, se tra sorgente e schermo si interpongono tre filtri con i colori complementari – cyan, giallo, magenta – si noterà che, in corrispondenza del punto in cui tutti e tre i filtri sono sovrapposti, sullo schermo ci sarà una macchia nera; mentre le altre sovrapposizioni, di due filtri soltanto, danno i tre colori primari: cyan + giallo = verde; giallo + magenta = rosso; magenta + cyan = blu. Anche in questo caso, graduando opportunamente i filtri, si ottengono tutte le sfumature.
In campo grafico, fotografico, televisivo, in tutte le scenografie dove il principale elemento espressivo è la l., si ottiene l’intera gamma dei colori partendo dai colori primari (blu, rosso e verde) o dai complementari (cyan, magenta e giallo). Nel caso della stampa si aggiunge anche il nero.

4.3. Temperatura del colore.
La sensazione del colore – come si è visto – dipende da diversi elementi, alcuni dei quali soggettivi. Per riuscire a valutare meglio le caratteristiche della l. è necessario considerare alcuni parametri oggettivi, utili per classificare poi le sorgenti luminose nella realtà pratica.
Un primo parametro riguarda la temperatura del colore, espressione con la quale si indica una misura oggettiva del tipo di l. disponibile. Il nostro occhio infatti non valuta i colori in assoluto, ma sulla base di un confronto: la l. di un faro ci appare bianca, fino a quando non possiamo confrontarla con un raggio di l. solare, e allora constatiamo che ha una dominante rosso-arancione. Prestano particolare attenzione a questo parametro i fotografi e i direttori di fotografia, sia per le riprese cinematografiche che per quelle televisive.

4.4. Resa dei colori.
Un secondo parametro è la resa del colore o resa cromatica che indica la capacità di una sorgente di restituire fedelmente il colore dell’oggetto o della superficie illuminata. È espressa mediante un ‘indice generale di resa cromatica’ (Ra) che assume 100 come massimo. È calcolato paragonando gli effetti di una sorgente con quelli della sorgente campione. Un metodo più generale per esprimere il colore di una sorgente è quello suggerito dalla Commission Internationale d’Éclairage (CIE) basato sul fatto che miscelando opportunamente i tre colori fondamentali si possono ottenere e definire tutti gli altri. Un colore (c) sarà dato dalla somma di una certa percentuale dei tre colori fondamentali (un certo colore sarà = rosso + verde + blu in opportune percentuali; in formula: c = r + v + b). La curva che risulta per valori continui di tali variabili è chiamata triangolo dei colori CIE. Esso permette di determinare la lunghezza d’onda e la tonalità di un colore. Veniva utilizzato in passato soprattutto in campo grafico; oggi il computer e opportuni software lo hanno praticamente sostituito.

5. Sorgenti di l. artificiali

Per quanto riguarda le sorgenti di l. artificiali, è importante disporre di alcuni criteri per farne una valutazione. Oltre la resa cromatica e la temperatura del colore, di cui si è già parlato, si possono utilizzare alcuni altri parametri che evidenziano le caratteristiche principali di una sorgente luminosa.

5.1. Parametri oggettivi e soggettivi.
Un primo parametro è l’intensità luminosa (I) che considera la quantità energetica delle onde elettromagnetiche. Essa esprime la potenza luminosa irradiata in una certa direzione, nell’angolo solido unitario, cioè la quantità di flusso emesso in una sola e ben definita direzione.
Sovente è utile conoscere la potenza luminosa totale, emessa dalla sorgente, supponendo che essa sia costante in tutte le direzioni. Il parametro che permette di considerare la totalità della potenza irradiata è denominato flusso luminoso (F, phi).
Un terzo parametro riguarda l’illuminamento (E), definito come il rapporto tra il flusso luminoso che investe una determinata superficie e l’area della superficie stessa. Indica la quantità di flusso per unità di superficie.
Un quarto parametro utile è la luminanza, direttamente legata all’illuminamento. Essa indica la sensazione luminosa percepita da un osservatore quando guarda un oggetto o una superficie piana (Va notato che in ambito televisivo per luminanza si intende altra cosa.)
Infine un quinto parametro riguarda l’efficienza luminosa, che indica il rapporto tra il flusso luminoso emesso dalla lampada e la potenza elettrica da essa assorbita (Lumen prodotti per ogni Watt di potenza elettrica consumato).
Tutte queste diverse grandezze sono interdipendenti e quindi matematicamente calcolabili.
I parametri visti sono in un certo modo oggettivi. Ci sono però anche parametri più soggettivi come la prestazione visiva, il comfort visivo, il contrasto, l’abbagliamento, che pur essendo importanti nell’illuminazione degli ambienti sono molto legati alle persone e quindi meno utili nel definire le caratteristiche oggettive delle sorgenti luminose.

5.2. Corpi illuminanti.
L’illuminazione artificiale è fornita da sorgenti capaci di convertire altre forme di energia in energia raggiante. Oggi, nella maggioranza dei Paesi, si usa l’energia elettrica per produrre energia luminosa. In questa trasformazione solo una parte di energia elettrica è utilizzata nella produzione di radiazioni luminose. Il rendimento non è dunque molto elevato. Si pensi al calore prodotto da una lampada a incandescenza, quando è accesa.
Le ricerche per aumentare il rendimento luminoso, a parità di consumo elettrico, si sono molto sviluppate e tutto fa prevedere che continuino per i grossi vantaggi che possono portare ai consumatori e in genere alla semplificazione degli impianti di illuminazione elettrica.
Normalmente le sorgenti luminose artificiali hanno uno spettro di emissione discretamente ampio, anche se non del tutto completo. Esistono poi sorgenti luminose che producono solo alcune frequenze dello spettro visivo e quindi non permettono di vedere tutti i colori. Tali sorgenti vengono chiamate monocromatiche. La convenienza di utilizzare queste luci sta nel fatto che l’occhio umano percepisce alcune frequenze meglio di altre e può distinguere più facilmente gli oggetti, anche in situazione di scarsa luminosità, come ad esempio nella nebbia (a danno naturalmente del colore che risulta falsato).
In commercio esistono diverse tipi di sorgenti luminose. L’evoluzione tecnologica e le esigenze di mercato rendono tale settore soggetto a cambi continui ed è quindi quasi impossibile – se non inutile – una classificazione puntuale e particolareggiata. Può servire, invece, una distinzione più generale, legata al principio di funzionamento. Oggi sul mercato si trovano sorgenti luminose che producono le radiazioni luminose utilizzando:
il riscaldamento di un filamento (lampade a incandescenza): emettono l. grazie all’alta temperatura raggiunta dal filamento interno in seguito al passaggio della corrente elettrica. Hanno dimensioni contenute, accensione immediata, ottima resa del colore e prezzo contenuto. Sono di breve durata e forte è la produzione di calore;
la scarica di un gas tra due elettrodi: l’urto degli elettroni eccitati dalla scarica elettrica produce energia luminosa. Si presentano con una efficienza e durata maggiori. Hanno però costi più elevati, minor semplicità di installazione e una resa cromatica problematica. Oggi si utilizzano gas diversi con rese cromatiche e rendimenti particolari;
la scarica di gas provocata per induzione: funzionano come le precedenti, solo che la scarica elettrica non è più provocata da elettrodi interni ma da correnti indotte generate da campi magnetici esterni.
L’evoluzione delle nuove tecnologie ha consentito di sviluppare una notevole gamma di sorgenti luminose basate sullo stesso principio di funzionamento. Ci sono lampade a incandescenza normale o a incandescenza con allogeni; lampade fluorescenti a scarica di gas normali, a catodo freddo, preriscaldato, ad alta emissione e resa cromatica; lampade a vapori metallici, a vapore di mercurio, di sodio (a bassa e ad alta pressione), lampade ad alogenuri e a l. miscelata. A ogni principio di funzionamento corrisponde un certo numero di modelli.

5.3. Esigenze progettuali.
Ogni sorgente luminosa è caratterizzata da un insieme di indicazioni: alcune più tecniche, altre semplicemente commerciali. Le caratteristiche tecniche vanno prese nella dovuta considerazione in fase di progettazione di ambienti speciali come sono quelli scolastici e gli ambienti aperti al pubblico o di lavoro, anche perché in questo campo la maggioranza degli Stati ha ormai fissato per legge i valori massimi e minimi di luminosità e, in parte, anche il tipo di apparecchi di illuminazione da impiegare.
Per ottenere una maggiore resa e una diffusione della l. più uniforme e confortevole è importante sia il tipo di supporto utilizzato per far funzionare la sorgente luminosa, cioè gli apparecchi di illuminazione, sia il loro posizionamento nell’ambiente.

Bibliografia

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  • FORCOLINI Gianni, Illuminazione interni, Hoepli, Milano 1994.
  • IHRIG Sybil - IHRIG Emil, Immagini digitali. Trattamento e stampa, McGraw Hill, Milano 1999.
  • RE Vittorio, Illuminazione interna, Delfino, Milano 1975.

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Note

Come citare questa voce
Zanni Natale , Luce, in Franco LEVER - Pier Cesare RIVOLTELLA - Adriano ZANACCHI (edd.), La comunicazione. Dizionario di scienze e tecniche, www.lacomunicazione.it (19/11/2019).
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