แสง ระดับความเข้มของแสง และปริมาณแสงที่น่าสนใจ

แสง ในภาษาอังกฤษเรียกว่า light จัดว่าเป็นการแผ่รังสีของแม่เหล็กไฟฟ้าจากบางส่วนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งโดยปกติแล้ว จะเป็นแสงที่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า จึงทำให้เกิดสัมผัสมองเห็นเป็นรูปภาพได้ โดยแสงที่ตามนุษย์สามารถมองเห็นได้นั้นจะมีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 400 – 700 นาโนเมตร ระหว่างอินฟราเรด ซึ่งมีความยาวคลื่นมากกว่านี้ และอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวน้อยกว่านี้ ความยาวคลื่นนี้จะอยู่ในคลื่นความถี่ 430 – 750 เทระเฮิรตซ์

แสงที่ตกกระทบมาบนโลกมีดวงอาทิตย์เป็นแหล่งกำเนิดหลัก ซึ่งแสงอาทิตย์จะมีประโยชน์ต่อการผลิตอาหารของพืชสีเขียว โดยการใช้ผลิตน้ำตาลส่วนใหญ่ที่อยู่รูปของแป้ง ซึ่งจะปลดปล่อยพลังงานแก่สิ่งมีชีวิตที่ย่อยมัน โดยกระบวนการสังเคราะห์แสงนี้ให้พลังงานเกือบทั้งหมดกับสิ่งมีชีวิต และในอดีตนอกจากแสงอาทิตย์แล้ว แหล่งพลังงานแสงอีกรูปแบบหนึ่งก็คือ ไฟ นับตั้งแต่การก่อกองไฟ ไปจนถึงการใช้ตะเกียงเคโรซีนในสมัยใหม่ ตามมาด้วยการพัฒนาหลอดไฟฟ้า และระบบพลังงาน โดยการเปลี่ยนมาผลิตแสงสว่างด้วยไฟฟ้าแทนแสงไฟ ในสัตว์บางชนิดยังสามารถผลิตแสงไฟได้ในตัวเอง ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการเรืองแสงทางชีวภาพ

คุณสมบัติปฐมภูมิของแสงชนิดที่มองเห็นได้ คือ ความเข้ม ทิศทางการแผ่ สเปกตรัมความถี่หรือความยาวคลื่น และโพลาไรเซชั่น ความเร็วของแสงที่อยู่ในสุญญากาศจะอยู่ที่ 299,792,458 เมตรต่อวินาที จัดว่าเป็นค่าคงตัวมูลฐานอย่างหนึ่งของธรรมชาติ

ความหมายในเชิงฟิสิกส์ของแสงคือ การแผ่แม่เหล็กไฟฟ้าในทุกความยาวคลื่น ไม่ว่าจะมองเห็นหรือมองไม่เห็นก็ตาม ซึ่งในความหมายนี้ รังสีแกมมา รังสีเอ็กซ์ รังสีไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ ก็จัดว่าเป็นแสงได้เช่นกัน เหมือนกับแสงทุกชนิด แสงชนิดที่สามารถมองเห็นได้นั้น จะมีการแผ่และดูดซับโฟตอนและแสดงคุณสมบัติของคลื่นและอนุภาค ซึ่งคุณสมบัตินี้เรียกว่า ทวิภาคของคลื่น – อนุภาค การศึกษาในเรื่องของแสงจะเรียกว่า ทัศนศาสตร์ ซึ่งเป็นขอบเขตการวิจัยที่สำคัญในฟิสิกซ์สมัยใหม่

การสะท้อนของแสง

การเดินทางของแสงจากตัวกลางที่โปร่งใสไปสู่ตัวกลางที่โปร่งใส เช่น จากแก้วไปสู่อากาศ ถ้าหากมุมตกกระทบน้อยกว่า 42 องศา จะมีแสงบางส่วนสะท้อนกลับและบางส่วนทะลุอากาศ แต่ถ้ามีมุมตกกระทบที่แก้วเท่ากับ 42 องศา แสงจะสะท้อนกลับสู่แก้วทั้งหมด จะไม่มีแสงออกจากอากาศเลย ซึ่งลักษณะแบบนี้เรียกว่า การสะท้อนกลับหมด หมายความว่า รอยต่อแก้วกับอากาศทำหน้าที่เสมือนการตกกระทบที่ทำให้แสงสะท้อนกลับทั้งหมด โดยจะมีค่าแตกต่างกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของตัวกลางที่แสงจะตกกระทบวัตถุ แสงบางส่วนจะสะท้อนจากวัตถุ ถ้าหากแสงสะท้อนจากวัตถุเข้าสู่นัยน์ตา จะก่อให้เกิดการมองเห็น และรับรู้เกี่ยวกับวัตถุนั้นได้

แหล่งกำเนิดแสง

ความหมายของแหล่งกำเนิด หมายถึง วัตถุหรือสิ่งที่เป็นต้นกำเนิดของแสง ซึ่งสามารถแบ่งออกเป็น 2 ประเภทได้ดังนี้

1. แสงที่เกิดจากธรรมชาติ

แสงที่เกิดขึ้นจากธรรมชาตินั้นได้แก่ แสงดาว แสงอาทิตย์ ฟ้าแลบ และแสงที่เกิดจากสัตว์บางชนิด เช่น หิ่งห้อย เป็นต้น โดยปกติแล้ว แหล่งกำเนิดแสงโดยธรรมชาตินั้นจะเป็นวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาก เช่น ดวงอาทิตย์ ซึ่งโดยส่วนใหญ่ แสงสว่างบนโลกจะได้มาจากแสงอาทิตย์ที่แผ่พลังงานออกมารอบ ๆ เพื่อส่องมายังโลกและดวงดาวอื่น ๆ

2. แสงที่มนุษย์ประดิษฐ์ขึ้น

แสงที่เกิดจากการประดิษฐ์ของมนุษย์ก็นับว่ามีมากมาย ซึ่งได้แก่ ไฟฉาย ตะเกียง เทียนไข หรือเกิดจากการเผาไหม้สิ่งต่าง ๆ เช่น การก่อกองไฟ เป็นการประดิษฐ์แหล่งกำเนิดแสงขึ้นมาเพื่อให้มีแสงใช้ในเวลากลางคืน เช่น เทียนไข คบเพลิง แต่แสงเหล่านี้ล้วนเกิดจากการเผาไหม้ จึงทำให้เกิดมลพิษทางอากาศ จนมีนักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันที่ชื่อว่า ทอมัส แอลวา เอดิสัน ได้ทำการประดิษฐ์หลอดไฟขึ้นมา ซึ่งในยุคแรก ๆ จะเป็นการประดิษฐ์หลอดไฟแบบมีไส้ แต่โดยส่วนใหญ่แล้ว พลังงานจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนไปหมดมากกว่าที่จะถูกเปลี่ยนมาเป็นแสงสว่าง

ความเข้มของแสง

การวัดค่าความเข้มของแสง จะมีการใช้ค่าหลายค่าในการวัด เช่น ค่าแรงเทียน, lumen, lux

แรงเทียน: เรียกเป็นภาษาอังกฤษว่า candle power มีหน่วยวัดเป็น cd หรือ candle 1 cd มีความหมายว่า เมื่อนำเอาแหล่งกำเนิดแสง มาวางไว้ที่วัตถุทรงกลม มีรัศมี 1 ฟุต ในพื้นที่ 1 ตารางฟุต จะวัดความสว่างได้เท่ากับ 1 ฟุต-แคนเดิล (1 fc หรือเท่ากับ 1 lumen/ft2) ซึ่งหมายความว่า ในพื้นที่ทรงกลม 1 ตารางฟุต จะมีแสงมาตก 1 เส้น หรือ 1 lumen

Lumen: เป็นค่าที่ใช้ในการวัด flux ซึ่งเป็นค่าของพลังงานที่เกิดมาจากแหล่งกำเนิดแสงนั้น ๆ เท่าไหร่ ในเวลาหนึ่ง ๆ โดยการวัดจะวัดเฉพาะแสงที่สายตามนุษย์สามารถมองเห็นได้ ไม่ได้วัดค่าพลังงานทั้งหมด

Lux: เป็นการวัดค่า ความส่องสว่างที่เรียกว่า illumination ซึ่งมีความแตกต่างจาก flux เพราะเป็นค่าพลังงานที่ออกมาจากจุดกำเนิด แต่ illumination เป็นพลังงานแสงที่ตกกระทบพื้นผิว

การแปลงหน่วยนั้นสามารถทำได้ง่าย ๆ ดังนี้

• 1fc (foot candle) = 1 lumen / ft2
• 1fc = 1/10.76 lumen / m2 หรือ lux
• 1fc = 0.09 lux
• 1lux = 10.79 fc = 10.76 lm/ft2

Power consumtion จะถูกวัดออกมาเป็นค่า Wattage หรือ watt ซึ่งมีความหมายว่า ค่าใช้จ่ายที่จะต้องเสียมักจะสัมพันธ์กับความส่องสว่างของหลอดไฟ ยิ่งวัตต์มาก แสงก็จะยิ่งเข้มกว่าวัตต์น้อย หากแต่ก็ไม่ได้คงค่านี้เสมอไปเช่นกัน

ปริมาณแสง

การวัดปริมาณแสงที่นิยมใช้ในวิศวกรรมคือ การวัดในรูปของเส้นแรงของแสง ซึ่งมีหน่วยการวัดเป็น Lumen และหน่วยที่แสดงการส่องสว่าง หรือถ้าวัดความสว่างจะใช้เป็นหน่วย ลักซ์ (Lux) ซึ่งเป็นค่าแรงของแสงที่ตกกระทบพื้นที่ 1 ตารางเมตร ซึ่งมีสูตรการคำนวณดังนี้  Lux = Lumen/m2 = lm/m2

สำหรับการบอกค่าปริมาณแสงของหลอดใด ๆ ก็ตาม มักจะบอกออกมาในรูปของค่าลูเมน อย่างเช่น หลอดฟลูออเรสเซนต์สี Cool White 36 W. 1 หลอด จะมีค่า Lumen Output อยู่ที่ประมาณ 3,000 ลูเมน โดยประสิทธิภาพจากหลอดไฟนั้น สามารถพิจารณาขึ้นได้จากเส้นแรงของแสงที่ถ่ายพลังงานออกมาจากหลอดต่อกำลังวัตต์ของหลอดไฟนั้นๆ ทั้งนี้ในบางครั้งก็จะเรียกกันว่า Efficacy โดยมีหน่วยเป็น Lumen/Watt อย่างเช่น หลอดไส้ ซึ่งจะมีประสิทธิภาพทางแสงอยู่ที่ประมาณ 15 Lumen/W. ฯลฯ