الهندسة الكهربائية

المعايير الأساسية المستخدمة في الإضاءة: شرح علمي مفصل

المقدمة

تعد الإضاءة من العناصر الأساسية في الهندسة الكهربائية والتصميم المعماري، حيث تؤثر على الراحة البصرية والكفاءة الطاقية والأمان. لفهم أنظمة الإضاءة، يجب الإلمام بمجموعة من المعايير الفيزيائية والهندسية التي تحدد جودة وكمية الضوء. في هذا الشرح، سنتناول أهم هذه المعايير بالتفصيل.

1. التدفق الضوئي (Luminous Flux) – الوحدة: لومن (lm)

هو الكمية الكلية للضوء المنبعث من مصدر ضوئي في جميع الاتجاهات، ويقاس بوحدة اللومن (lm).
الشرح العلمي:

  • يعبر التدفق الضوئي عن الطاقة الضوئية التي يدركها العين البشرية، مع الأخذ في الاعتبار حساسية العين لأطوال موجية مختلفة (حسب منحنى الكفاءة الضوئية).
  • لا يعتمد على اتجاه الإضاءة، بل على إجمالي الضوء الصادر.

مثال:
لمبة LED بقدرة 10 وات قد تنتج تدفقًا ضوئيًا يقارب 800 لومن، بينما لمبة متوهجة تقليدية بقدرة 60 وات تنتج حوالي 800 لومن أيضًا، لكن بكفاءة أقل.

2. الشدة الضوئية (Luminous Intensity) – الوحدة: كانديلا (cd)

هي كمية الضوء المنبعث في اتجاه معين لكل زاوية صلبة (Solid Angle)، وتقاس بوحدة الكانديلا (cd).
الشرح العلمي:

  • تحدد مدى تركيز الضوء في اتجاه محدد.
  • تعتمد على توزيع التدفق الضوئي ضمن زاوية صلبة (1 ستيراديان).

معادلة حسابها:
I = Φ​ / Ω
حيث:

  • ( I ) = الشدة الضوئية (كانديلا).
  • ( Φ ) = التدفق الضوئي (لومن).
  • ( Ω) = الزاوية الصلبة (ستيراديان).

مثال:
مصباح يدوي ذو حزمة ضيقة تكون شدته الضوئية عالية في اتجاه محدد مقارنة بمصباح متوهج يشع في كل الاتجاهات.

3. الإضاءة (Illuminance) – الوحدة: لوكس (lx)

التعريف:
هي كمية التدفق الضوئي الساقط على سطح معين لكل وحدة مساحة، وتقاس بوحدة اللوكس (lx).
الشرح العلمي:

  • تحدد مدى سطوع سطح ما بناءً على الضوء الواصل إليه.
  • 1 لوكس = 1 لومن لكل متر مربع (( \text{lx} = \text{lm/m}^2 )).

معادلة حسابها:
E=Φ​/A
حيث:

  • ( E ) = الإضاءة (لوكس).
  • ( \Phi ) = التدفق الضوئي (لومن).
  • ( A ) = المساحة (م²).

مثال:

  • إضاءة غرفة معيشة عادية تتراوح بين 100–300 لوكس.
  • إضاءة مكتب تحتاج إلى 500 لوكس أو أكثر للراحة البصرية.

4. اللمعان (Luminance) – الوحدة: نيت (nt) أو كانديلا/م² (cd/m²)

هو شدة الضوء المنبعث أو المنعكس من سطح في اتجاه معين، ويقاس بوحدة النيت (nt) أو كانديلا لكل متر مربع.
الشرح العلمي:

  • يحدد سطوع السطح كما تراه العين البشرية.
  • يأخذ في الاعتبار انعكاسية السطح واتجاه المشاهدة.

معادلة حسابها:
L= I​ / A⋅cosθ
حيث:

  • ( L ) = اللمعان (نيت).
  • ( I ) = الشدة الضوئية (كانديلا).
  • ( A ) = مساحة السطح (م²).
  • (θ ) = زاوية المشاهدة.

مثال:

  • شاشة الهاتف الذكي قد تصل لمعانها إلى 500 cd/m².
  • سطح القمر له لمعان يقارب 2500 cd/m² تحت أشعة الشمس.

5. الفعالية الضوئية (Luminous Efficacy) – الوحدة: لومن/واط (lm/W)

هي نسبة التدفق الضوئي إلى استهلاك الطاقة الكهربائية، وتقاس بوحدة لومن لكل واط.
الشرح العلمي:

  • تحدد كفاءة تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء مرئي.
  • كلما ارتفعت القيمة، زادت كفاءة المصباح.

مثال:

  • لمبة LED عالية الكفاءة تصل فعاليتها إلى 100 لومن/واط.
  • اللمبة المتوهجة التقليدية فعاليتها حوالي 15 لومن/واط فقط.

6. درجة حرارة اللون (Color Temperature) – الوحدة: كلفن (K)

هي مقياس لصبغة الضوء المنبعث من المصدر، وتقاس بوحدة الكلفن (K).
الشرح العلمي:

  • تحدد ما إذا كان الضوء دافئًا (أصفر/برتقالي) أو باردًا (أبيض/أزرق).
  • كلما ارتفعت القيمة، زادت زرقة الضوء.

أمثلة:

  • 2700K → ضوء دافئ (مشابه لللمبة المتوهجة).
  • 4000K → ضوء محايد (أبيض ناصع).
  • 6500K → ضوء نهار بارد (مشابه لضوء النهار).

7. مؤشر تجسيد اللون (Color Rendering Index – CRI)

هو مقياس لقدرة المصباح على إظهار الألوان الطبيعية مقارنة بمصدر ضوء مثالي (مثل ضوء النهار).
الشرح العلمي:

  • يتراوح بين 0 و100، حيث 100 هو أفضل تجسيد للألوان.
  • مهم في التطبيقات التي تحتاج دقة ألوان مثل المتاحف والمستشفيات.

مثال:

  • مصابيح LED جيدة يكون CRI لديها >80.
  • مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط لديها CRI ~25 (تظهر الألوان بشكل سيئ).

الخلاصة

فهم هذه المعايير الأساسية يساعد في:

  • اختيار أنظمة الإضاءة المناسبة للتطبيقات المختلفة.
  • تحسين كفاءة الطاقة وجودة الإضاءة.
  • تحقيق الراحة البصرية وتجنب الإجهاد العيني.

يجب مراعاة هذه العوامل عند تصميم أنظمة الإضاءة في المنازل، المكاتب، الشوارع، والمنشآت الصناعية.

الوسوم
زر الذهاب إلى الأعلى