belysning

Belysningens farge kjenner vi dels fra vårt synsbilde av lyskilden, dels fra hvite overflater som reflekterer lyset fullstendig og diffust. Slike overflater er for eksempel tørr nysnø eller finpulveriserte hvite pigmenter (sinkoksid, bariumsulfat o.l.). Presset magnesiumoksid som reflekterer 98 % av alt innfallende lys er en vanlig hvitstandard.

Belysningens farge er i første rekke bestemt av tre faktorer:

1. Fordelingen av elektromagnetisk strålingsenergi innenfor det synlige spektrum, dvs. bølgelengdeområdet ca. 380–760 nanometer (nm). Vår viktigste lyskilde, Solen, har et sammenhengende spektrum med høyest intensitet i den midtre (grønne) delen (ca. 480 nm). Glødelampen har sitt intensitetsmaksimum i den langbølgete (infrarøde) delen av spekteret.
2. Øyets følsomhetsspektrum, dvs. dets relative følsomhet for de enkelte bølgelengdenes strålingsenergi. Lys fra den langbølgete delen av spekteret oppfattes som rødt. Med synkende bølgelengde går fargetonen suksessivt gjennom oransje, gult, grønt, blått og fiolett. En belysning bestående av en blanding av lys fra spekterets to endepunkter (rødt og fiolett) har en fargetone, purpur (magenta), som ikke finnes blant spektralfargene. Et normalt øye har om dagen (dagsyn) sin maksimale følsomhet ved 555 nanometer (gulgrønt), om natten (nattsyn) ved 505 nanometer, men da er samtidig kulørfornemmelsen opphevet (purkinjeskift, Purkyně).
3. Øyets tilpasning (adaptasjon) til den rådende belysning. Øyet vil etter en tid tilpasse seg lyskilden og oppfatte den som hvit. Utendørs glødelampelys blir i dagslys oppfattet som gulaktig, om natten som hvitt.

I en gitt belysning er fargen til en belyst overflate i første rekke bestemt av overflatens reflektans, dvs. refleksjonsfaktoren for belysningens forskjellige bølgelengder. Normaltseende vet av erfaring at blå stoffer viser seg relativt mørkere når de føres fra dagslys til et mer gulaktig lampelys, fordi dette har langt mindre blått lys i sitt spektrum.

Men også slike fargeendringer blir til en viss grad utlignet gjennom øyets tilpasning til belysningen. Til tross for at glødelampens lys er gulere enn sollyset, oppfatter vi interiørets farger som de samme om kvelden som om dagen (fargekonstans).

Om en overflate oppfattes som mørk eller lys avhenger først og fremst av forholdet mellom styrken av det lys som reflekteres fra overflaten og det som reflekteres fra dens omgivelser. Øyet innstiller seg etter en tid til den rådende belysning og bedømmer lyshetsgraden av de enkelte overflatene ut fra denne (se adaptasjon). I vanlig belysning vil da en flate som kaster tilbake 10 ganger sterkere lys enn gjennomsnittet for omgivelsene, oppfattes som hvit, mens en som kaster tilbake mindre enn ¹/₁₀ av gjennomsnittet, oppfattes som svart. En overflate som er malt med et sterkt lysabsorberende pigment, vil i en midlere belysning vise seg svart ved siden av flater som er malt med lysere farger, men hvis den samme overflaten er den eneste som blir belyst, oppfatter vi den som hvit. Det er denne virkningen som gjør det mulig å vise lysbilder av svarte gjenstander på et hvitt lerret.

Styrken av det reflekterte lyset fra en overflate er imidlertid i like høy grad bestemt av overflatens helningsvinkel i forhold til retningen av det innfallende lyset. Dette forholdet ble bevisst utnyttet ved utformingen av den doriske søyle, hvis skarpkantede kannelyrer skaper en veksling av lys og skygge som fremhever søylen som romlig form, og som dessuten gjenspeiler det skiftende himmellyset.

Øyets evne til å se detaljer, dvs. dets evne til å skjelne mellom områder med forskjellig lyshetsgrad eller forskjellige fargenyanser, er avhengig av at den objektive belysningsstyrken holdes på et passende nivå; ved for sterk belysning vil lyse områder virke skinnende eller blendende, og er belysningen svak, blir synbarheten dårlig og detaljer blir borte (se kontrast). Fargede overflater vil i sin alminnelighet, men i ulik grad, vise seg hvitere når belysningsstyrken øker. Blå farger svekkes raskere enn gule. Ved god allmennbelysning i et rom bør den objektive belysningsstyrken ikke variere med mer enn en faktor på 3 over og under den gjennomsnittlige belysningen.

Ved valg av belysningsnivå må det ellers tas hensyn til både personenes synsevne og til belysningen i omgivelsene. Synsevnen svekkes med alderen – i gjennomsnitt regner man med at en 40-åring vil trenge dobbelt så sterk belysning som en 20-åring, og at en 60-åring vil trenge seks ganger så sterk belysning.

Teorien for måling av strålingsenergi kalles radiometri og bygger på fysiske størrelser (energi, effekt o.a.). Teorien for måling av synlig lys kalles fotometri og bygger på de samme størrelsene, men måleenhetene er her tilpasset øyets følsomhetsskala. Denne tilpasningen skjer gjennom en beregnet størrelse som kalles lysutbyttet, og som utledes slik: Den lysmengden en lyskilde avgir pr. tidsenhet, kalles lysfluksen (eller lysstrømmen) fra kilden. Den måles i lumen (lm). Forholdet mellom lysfluksen fra en kilde og kildens energiforbruk, kalles lysutbyttet, og måles i lumen per watt (lm/W). For en lyskilde med bølgelengde 555 nm, der øyets følsomhet er størst, er lysutbyttet 680 lm/W.

Ingen lyskilde kan ha et lysutbytte større enn 680 lm/W, og for de fleste lyskilder er det vesentlig mindre. For sollys er lysutbyttet 90 lm/W, for lysrør 50–80 lm/W og for glødelamper (vanlige lyspærer) 12–15 lm/W.

Innfallende lysfluks per flateenhet av den belyste flaten, kalles belysningsstyrke, og måles i lux (1 lux = 1 lumen/m²). Hvis lysfluksen er jevnt fordelt i alle retninger, er belysningsstyrken i avstanden r fra lyskilden lik lysfluksen dividert med 4πr². Ved hjelp av reflekterende skjermer kan man samle lyset i bestemte retninger og oppnå høyere belysningsstyrke der man har bruk for det. For eksempel vil en 60 W lyspære gi omkring 60 lux i 1 m avstand. Som leselampe med en god reflektor kan samme lyspære gi ca. 200 lux i 1 m avstand eller ca. 400 lux i 70 cm avstand fra lampen.

Siden de romgeometriske forhold (avstand og helningsvinkel) spiller en avgjørende rolle for belysningen av en overflate, kan det ikke settes opp enkle regler for hvor sterke lamper som trenges for å gi en bestemt belysning, men man kan for bestemte armaturer og lyspærer få opplysning om belysningsstyrken i en bestemt avstand. Man må da være oppmerksom på at styrken hos de fleste elektriske lamper avtar merkbart med tiden.

Glødelys (som i en vanlig lyspære) oppstår når et legeme, glødetråden, oppvarmes til en temperatur på over 500 °C. Ved denne temperaturen begynner legemet å lyse med en dyp rødfarge. Økes temperaturen, lyser legemet sterkere, og fargen skifter mot oransje, gul og hvitt. Lyset fra solen svarer omtrent til glødelyset fra et legeme med en temperatur på 5000 °C. Kunstige glødelys har som regel vesentlig lavere temperatur og derfor et gulfarget lys. Glødelys skyldes termiske bevegelser i glødetrådens atomer og molekyler og har et sammenhengende energispektrum.

Luminescenslys (som lysrør) er karakterisert ved at energispekteret ikke er kontinuerlig, men består av spektrallinjer og -bånd. Lyset skyldes energioverganger (kvantesprang) i lyskildens atomer eller molekyler (se atom (atomteori)). Som oftest er luminescenslys farget, og ved å kombinere flere luminescerende stoffer kan man til en viss grad tilpasse lysets farge etter behov (kunstig dagslys, innelys). Praktisk betydning har særlig termoluminescens, hvor energi fra den termiske bevegelse absorberes av atomene og stråler ut igjen med stoffets karakteristiske spektrum, og luminescens ved elektriske utladninger gjennom gasser. Fotoluminescens, hvor stoffet absorberer kortbølget stråling, ofte ultrafiolett, og stråler ut igjen synlig lys med større bølgelengde, er av stor betydning for både utbytte og kvalitet av lyset fra en luminescerende kilde. (Se også luminescens.)

Edison og Wans glødelampe gav et temmelig gult lys, og kulltråden, som var opphengt i vakuum, fordampet etter hvert og satte av et svart belegg på veggene. Dessuten hadde tråden lett for å briste etter en tids bruk. Tekniske forbedringer av glødelampen har bestått i at kulltråden er erstattet med wolframtråd (1910), bruk av gassfylte lamper, spiralvikling av glødetråden (1913) og senere dobbelt spiralvikling (1934). Lysutbyttet er kommet opp i 20 lm/W for store lamper (1000 watts) med en normal levetid på 1000 timer. Glødetråden har da en temperatur nær 2500 °C. Heves temperaturen til 2600 °C, øker lysutbyttet til ca. 30 lm/W, men levetiden synker til under 100 timer. Omvendt kan levetiden ved en temperatur på 2400 °C bli nær 10 000 timer, mens lysutbyttet blir under 1 lm/W.

Vanlige lyspærer har som regel enten høyt lysutbytte med en gjennomsnittlig levetid på 1000 timer, eller lang levetid (2500 timer), men redusert lysutbytte. Dette gjelder under forutsetning av at man nytter den oppgitte spenning. En økning av spenningen med 5 % i forhold til den oppgitte, kan medføre at levetiden reduseres med ca. 50 %. Lysutbyttet avhenger, foruten av spenningen og temperaturen på glødetråden, også av lampens størrelse. I en liten lampe har man relativt stort varmetap og derfor mindre lysutbytte enn i en stor. En 100 watts lampe har således 50 % høyere lysutbytte enn en tilsvarende 25 watts og gir altså 6 ganger så mye lys. Det svarer seg derfor å bruke én stor lampe fremfor flere små. På den annen side vil flere små lamper gi en jevnere og ofte mer hensiktsmessig belysning. Hvorvidt det lønner seg å bruke lamper med høyt lysutbytte eller med lang levetid avhenger av anskaffelsesverdien i forhold til strømprisen. Med stigende strømpriser vil lamper med høyt lysutbytte være å foretrekke.

I halogenlampen, som drives med lavere spenning, er lampegassen tilsatt jod eller brom slik at metallet ikke fordamper like raskt. Dette reduserer sverting av lampeglasset. Halogenlamper kan videre ha høyere temperatur i glødetråden, hvilket gir et hvitere lys og høyere lysutbytte.

Lysrør (gassutladningsrør) har vært kjent siden slutten av 1800-tallet. De første rørene var fylt med edelgass. De gav sterke farger, men forholdsvis lite lysutbytte og ble mest brukt i dekorativ hensikt (neonlys). Lysrør fylt med metalldamp gir vesentlig bedre utbytte. Man trenger da metaller som lett fordamper. Mest brukt har derfor natrium og kvikksølv vært. For å få utladningen i gang må metallet varmes opp og fordampe. Dette oppnås enten ved en ekstra glødespiral eller ved at lampene også inneholder nok edelgass til å starte utladningen og derved få varmet opp metallet. De såkalte sparepærer er i prinsippet små lysrør utstyrt med standard lampesokkel. Se kompaktlampe.

Natrium-lavtrykkslamper gir et gult lys med bølgelengde 580 nanometer (monokromatisk lys), og har et lysutbytte på opptil 183 lm/W. Det egner seg også som tåkelys på biler og brukes bl.a. på motorveier og andre hovedveier, hvor man ikke legger altfor stor vekt på lysets farge. For sportshaller, industrianlegg, fasadebelysning o.l. er høytrykks-natriumlamper bedre egnet da de har et sammenhengende spektrum og dermed hvitere lys.

Kvikksølvlampen har sin karakteristiske stråling i den ultrafiolette delen av spekteret og sender ut relativt lite synlig lys. For belysning forsynes kvikksølvlamper med et fotoluminescerende belegg (lysstoff, derav den eldre betegnelsen lysstoffrør; i dag lysrør). Ved å kombinere forskjellige stoffer (såkalte fosforer) i dette belegget kan man tilpasse lysets farge bruksbehovet (dagslys, innelys). Rørformen tjener en maksimal utnyttelse av elektronstrømmen mellom elektrodene. Til belysning har lysrør vært i bruk siden slutten av 1930-årene. De gir vesentlig større lysutbytte enn glødelampene, 50–80 lm/W og blir derfor billigere i drift. Lysrør blir ikke varme, ettersom de ikke avgir infrarød stråling. At anskaffelsesprisen er høyere, kompenseres ved at levetiden er tilsvarende lengre, 6000–10 000 timer. Når lysrøret likevel ikke har erstattet glødelampen fullt ut, kommer det dels av at det tidligere bare kunne brukes i en spesiell armatur, dels av at lyset har en annen fargegjengivelse enn dagslys og glødelampelys.

I de senere årenes energisparende lysrør er lyset konsentrert i smale spektralområder på en slik måte at man likevel oppnår lysfarger som er tilpasset det enkelte lysrørets spesifikke bruksområde. Lysrøret kan i dag også gis en kompakt form som er tilpasset vanlige armaturer. Et kritisk punkt ved beregningen og konstruksjonen av slike lamper er deres fargegjengivelse. Selv om lysfargen er tilnærmet lik for eksempel glødelampens lysfarge, vil fargede overflater kunne reagere noe annerledes på dette lyset enn på glødelampelyset. Et visst mål for dette avviket kan beregnes og følger i dag lampen som en del av dens spesifikasjon (R _a -indeks).

Ved å øke trykket i kvikksølvlampene og samtidig redusere dimensjonene oppnår man en meget intens lyskilde hvor strålingen dels skyldes luminescens fra kvikksølvet, dels termisk stråling fra kvikksølvdampen. Spekteret fra en slik lampe er sammenhengende, men svært rikt på ultrafiolett lys. I lamper av vanlig glass blir det ultrafiolette lyset absorbert, men det slipper igjennom kvartsglass. Lys som er rikt på ultrafiolett stråling har særlig betydning på grunn av dets biologiske virkning. Det brukes som kunstig høyfjellssol, som belysning i veksthus og til sterilisering av bakterier. Ved belysning med ultrafiolett lys vil mange stoffer luminescere; de lyser da farget i et ellers mørkt rom.

Også faste stoffer kan brukes som luminescerende lyskilder. Enkelte stoffer med halvlederegenskaper vil ved påvirkning av et svakt vekselspenningsfelt gi sterk lysutsendelse (elektroluminescens), se lysdiode.

I takt med samfunnets bevissthet på energiøkonomisering har vi fått en ny generasjon lyskilder, LED-lys, basert på prinsippet for lysdioden. Dette er lyskilder med svært god energieffektivitet og lang levetid. Se LED-lampe