Световые величины и единицы. Световой поток

Для открытой местности и помещения, а также приведем величины светового потока при разных обстоятельствах.

Свеча и прялка

До широко распространенной электрификации источником света были солнце, луна, костер и свеча. Ученые уже в пятнадцатом веке умели создавать систему линз для усиления освещенности, но большинство людей работали и жили при свечах.

Некоторым было жалко тратить деньги на восковые источники света, или этот способ продлить день был просто недоступен. Тогда использовали альтернативные варианты топлива - масло, жир животных, дерево. Например, русские крестьянки средней полосы всю жизнь ткали лен при свете лучины. Читатель может спросить: «Почему это надо было делать ночью?» Ведь коэффициент естественной освещенности днем гораздо выше. Дело в том, что в светлое время суток у крестьянок было множество других забот. Кроме того, процесс ткачества весьма кропотлив и требует спокойствия. Женщинам было важно, чтобы никто не наступал на полотно, чтобы дети не путали нитки, а мужчины не отвлекали.

Но при такой жизни есть одна опасность: световой поток (формулу мы приведем чуть ниже) от лучины очень низкий. Глаза перенапрягались, и женщины быстро теряли зрение.

Освещение и обучение

Когда первоклассники идут в школу первого сентября, они с волнением ожидают чудес. Их захватывают линейка, цветы, красивая форма. Они интересуются, какой будет их учительница, с кем они будут сидеть за одной партой. И эти ощущения человек запоминает на всю жизнь.

Но взрослые, когда отправляют детей в школу, должны подумать о более прозаических вещах, нежели восторг или разочарование. Родителей и учителей заботит удобство парты, размер классной комнаты, качество мела и формула освещенности помещения. Эти показатели имеют нормы для детей всех возрастов. Поэтому школьники должны быть благодарны за то, что люди заранее продумали не только учебную программу, но и материальную сторону вопроса.

Освещение и работа

Недаром в школах проводятся проверки, в которых применяется формула расчета освещенности комнат для занятий. Дети десять или одиннадцать лет только и делают, что читают и пишут. Потом они вечером выполняют домашнее задание, снова не расставаясь с ручками, тетрадками и учебниками. После чего современные подростки еще и утыкаются в разнообразные экраны. В итоге вся жизнь школьника сопряжена с нагрузкой на зрение. Но школа - только начало жизненного пути. Дальше всех этих людей ждет вуз и труд.

Каждый вид работ требует своего светового потока. Формула расчета всегда учитывает, что человек делает по 8 часов в сутки. Например, часовщик или ювелир должен рассматривать мельчайшие детали и оттенки цветов. Поэтому рабочее место людей этой профессии требует больших и ярких ламп. А ботанику, который изучает растения тропического леса, наоборот, необходимо постоянно пребывать в полумраке. Орхидеи и бромелии привыкли к тому, что верхний ярус деревьев отбирает почти весь солнечный свет.

Формула

Подходим непосредственно к формуле освещенности. Ее математическое выражение выглядит так:

E υ = dΦ υ / dσ.

Рассмотрим выражение поближе. Очевидно, что E υ - это и есть освещенность, тогда Φ υ - это световой поток, а σ - малая единица площади, на которую поток падает. Видно, что Е - величина интегральная. Это значит, что рассматриваются очень небольшие отрезки и кусочки. То есть ученые суммируют освещенность всех этих маленьких участков, чтобы получить конечный результат. Единица освещенности - люкс. Физический смысл одного люкса - это такой световой поток, для которого на один квадратный метр приходится один люмен. Люмен, в свою очередь, - это весьма конкретная величина. Она обозначает световой поток, который излучает точечный изотропный источник (следовательно, Сила света этого источника равна одной канделе в телесный угол один стерадиан. Единица освещенности сложная величина, которая включает понятие «кандела». Физический смысл последнего определения таков: сила света в известном направлении от источника, который испускает монохроматическое излучение частотой 540·10 12 Гц (длина волны лежит в видимой области спектра), причем энергетическая сила света равна 1/683 Вт/ср.

Понятия, связанные с освещенностью

Конечно, все эти понятия на первый взгляд похожи на сферического коня в вакууме. Таких источников не существует в природе. И внимательный читатель непременно задаст себе вопрос: «Зачем это нужно?» Но у физиков есть необходимость сравнивать. Следовательно, им приходится вводить некие нормы, на которые надо ориентироваться. Формула освещенности проста, но многое может быть непонятно. Раскроем это подробнее.

Индекс «υ»

Индекс υ означает, что величина не совсем фотометрическая. И связано это с тем, что человеческие возможности ограничены. Например, глаз воспринимает только видимый спектр электромагнитного излучения. Причем центральную часть этой шкалы (относится к зеленому цвету) люди видят гораздо лучше, чем краевые области (красный и фиолетовый). То есть фактически человек не воспринимает 100% фотонов желтого или голубого цвета. При этом существуют приборы, лишенные такой погрешности. Редуцированные величины, которыми оперирует формула освещенности (световой поток, например) и которые обозначаются греческой буквой «υ», имеют поправку на человеческое зрение.

Генератор монохроматического излучения

В самой основе, как уже было сказано выше, лежит количество фотонов с определенной длиной волны, которые испускаются в определенном направлении за единицу времени. Даже самый монохроматический лазер имеет некоторое распределение по длинам волн. И уж точно он должен на чем-то держаться. Значит, фотоны испускаются не во всех направлениях. Но в формуле фигурирует такое понятие, как «точечный источник света». Это очередная модель, призванная унифицировать некоторую величину. И ни один объект вселенной не может так называться. Итак, точечный источник света - это генератор фотонов, который излучает равное количество квантов электромагнитного поля во всех направлениях, его размер равен математической точке. Однако есть одна хитрость, она может сделать реальный объект точечным источником: если расстояние, на которое долетают фотоны, очень велико по сравнению с размерами генератора. Таким образом, наша центральна звезда Солнце - это диск, а вот далекие звезды - это точки.

Беседка, колодец, парк

Наверняка внимательный читатель замечал следующее: в яркий солнечный день открытая местность кажется освещенной гораздо сильнее, чем закрытая с одной стороны поляна или лужайка. Поэтому берег моря так манит: там всегда солнечно и тепло. А вот даже большая поляна в лесу - более темная и холодная. И неглубокий колодец освещен плохо в самый яркий день. Это потому, что если человек видит только часть небосвода, до его глаза долетает меньше фотонов. Коэффициент естественной освещенности так и вычисляется, как соотношение потока света от всего небосвода к видимому участку.

Круг, овал, угол

Все эти понятия имеют отношение к геометрии. Но сейчас речь пойдет о явлении, которое непосредственно относится к формуле освещенности и, следовательно, к физике. До этого момента предполагалось, что свет падает на поверхность перпендикулярно, строго вниз. Это, конечно же, тоже приближение. При соблюдении данного условия удаление от источника света означает падение освещенности пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, звезды, которые человек видит невооруженным глазом на небе, либо расположены не так далеко от нас (все они относятся к галактике Млечный Путь), либо очень яркие. Но если свет падает на поверхность под углом, все иначе.

Представьте себе фонарик. Он дает круглое пятно света, когда направлен строго перпендикулярно стене. Если его наклонить, то пятно изменит форму на овал. Как известно из геометрии, у овала площадь больше. А раз фонарик все тот же, значит, и сила света та же, но она как бы «размазана» на большую площадь. Сила света зависит от по закону косинуса.

Весна, зима, осень

Заголовок звучит как название красивого фильма. Но наличие сезонов напрямую зависит от угла, под которым падает свет в своей наивысшей точке на поверхность планеты. И в данный момент речь идет не только о Земле. Сезоны существует на любом объекте солнечной системы, ось вращения которого наклонена по отношению к эклиптике (например, на Марсе). Читатель, наверное, уже догадался: чем больше угол наклона, тем меньше фотонов приходится на квадратный километр поверхности в секунду. Значит, тем холоднее будет сезон. В момент наибольшего отклонения планеты в полушарии царит зима, в момент наименьшего - лето.

Цифры и факты

Чтобы не быть голословными, приведем некоторые данные. Предупреждаем: все они усреднены и для решения конкретных задач не годятся. Кроме того, существуют справочники освещенностей поверхностей разными типами источников. Лучше обращаться к ним при проведении расчетов.

1. На расстоянии от Солнца до любой точки пространства, которая примерно равна расстоянию до Земли, освещенность составляет сто тридцать пять тысяч люкс.
2. Наша планета обладает атмосферой, которая поглощает часть излучения. Поэтому поверхность земли освещена максимально на сто тысяч люкс.
3. Летом средние широты в полдень освещены на семнадцать тысяч люкс в ясную погоду и на пятнадцать тысяч люкс - в пасмурную.
4. Ночью в полнолуние освещенность составляет две десятые люкс. Свет звезд в безлунную ночь дарит всего лишь одну-две тысячные люкса.
5. Для чтения книги необходима освещенность минимум в тридцать-пятьдесят люкс.
6. Когда человек смотрит фильм в кинотеатре, световой поток составляет около ста люкс. Самые темные сцены будут иметь показатель в восемьдесят люкс, а изображение яркого солнечного дня «потянет» на сто двадцать.
7. Закат или восход Солнца над морем даст освещенность примерно в одну тысячу люкс. При этом на глубине пятидесяти метров освещенность будет составлять около 20 люкс. Вода очень хорошо поглощает солнечный свет.

Свет представляет собой форму энергии, которая распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн с частотами, воспринимаемыми человеческими глазами. Фотометрия – это методы измерения световой энергии оптического диапазона. Световым потоком называют протекающую через некоторую поверхность единицу времени световую энергию, оцениваемую по зрительному ощущению, т.е. световой поток – это мощность светового излучения. Зрительное ощущение меняется зрительно и качественно. Источник света наз. Точечным если его размеры пренибрижительно малы по сравнению расстоянием, на котором оценивается его действие. Для описания светового потока испускаемого источником света по разным направлениям используют понятие телесного угла , т.е. области пространства представляющей собой форму конуса. Ω=S/R 2 – телесный угол. Ω=4П – телесный угол сферы. Силой света называют световой поток созданный источником света в единичном телесном угле. I c =Ф с /Ω – Сила света (кд(канделах)) I c =Ф с /4П – сила света вокруг точечного источника (сферы) Ф с =I c * Ω – световой поток. Источник света почти всегда освещает световую поверхность неравномерно. Освещенностью называют отношение светового тока падающего на некоторый участок поверхности к площади этой поверхности. Е=Ф с /S=I c /R 2 – Освещенность (ЛК(люкс)). Первый закон освещённости : Освещенность прямо пропорциональна силе света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.Е 0 =I c /h 2 – освещенность под источником света. Второй закон освещенности : Освещенность поверхности создаваемая параллельными лучами пропорциональна косинусу угла падения луча. E=E 0* cosα=I c /R 2 * cosα

53. линзы. Оптическая сила. Формула тонкой линзы.

Линза – это прозрачное тело ограниченная двумя сферическими поверхностями. Если середина Лизы тоньше чем её края, то она называется рассеивающей, а сама она вогнутая. Если середина у линзы тоньше чем края, то она называется собирающей. |O 1 O 2 | - главная оптическая ось. Любая прямая проходящая через центр линзы называется побочной осью. Точка, в которой пересекается все лучи после преломления в собирающей линзе, падающей параллельно главной оптической оси называется главным фокусом линзы . У линзы 2 главных фокуса. Линия, на которой лежат фокусы Лизы, называется фокальной плоскостью . Собирательная линза даёт действительное изображение, а рассеивающие мнимое изображение. Величину равную обратному фокусному расстоянию называют силой оптической линзы . Д=1/F – оптическая сила линзы (диоптрия). F – Фокус. 1/F=1/f+1/d – формула тонкой линзы (для собир.) 1/f=1/F+1/d - формула тонкой линзы (для рассеивающей). Г=H/h=f/d – увеличение линзы.

Количество света можно оценивать как чисто физическим способом в единицах энергии, так и по тому или иному действию, которое это количество света может произвести, например по его воздействию на глаз.

Относительная видность излучений, характеризующих спектральную чувствительность глаза, положена в основу системы световых величин и единиц. Основные световые понятия созданы с учетом относительной видности излучений.

Световой поток

Видимую область спектра удобнее всего оценивать по производимому ею ощущению света. Световой поток F — мощность лучистой энер^ гии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит:

где: V — относительная видность, а Ф — монохроматический поток. В качестве единицы светового потока в соответствии с международным соглашением принят люмен (лм). В качестве государственного эталона люмена принят световой поток, излучаемый абсолютно черным телом с площадью выходного отверстия 0,5305 мм 2 при температуре затвердевания платины 2,046 К.

Сила света

Световой поток, излучаемый источником света, обычно распределяется в пространстве неравномерно. Поэтому более полно охарактеризовать источник света только величиной светового потока недостаточно. Необходимо знать и распределение плотности светового потока в пространстве, т. е. силу света светового потока по различным направлениям Сила света I — пространственная плотность светового потока в данном направлении. Сила света численно равна отношению светового

потока F к величине телесного угла w, в котором он распространяется I = F/w . Единицей силы света служит новая свеча (наименование новая свеча дано в отличие от ранее применявшейся международной свечи. 1 международная свеча = 1,005 новой свечи. В соответствии с новым ГОСТ 7932-56 свеча принята основной световой единицей.)

Освещенность

Для того чтобы иметь возможность оценивать качество осветительных установок в условиях эксплуатации, а также для других целей, в светотехнике применяют ряд производных световых величин. Одной из таковых является освещенность, характеризующая распределение светового потока по той поверхности, на какую он падает. Освещенность Е — плотность светового потока на освещаемой поверхности. Освещенность Е численно равна отношению светового потока F к площади поверхности S, на которую он падает и по которой равномерно распределяется.

Единицей освещенности служит люкс. Люкс равен освещенности поверхности, плотность светового потока на которой равна 1 лм на 1 м 2 .

Яркость

Яркость является единственной из световых величин, которую непосредственно воспринимает глаз. Уровень светового ощущения определяется величиной освещенности на сетчатке глаза.

Яркость численно равна отношению силы света I, излучаемого этим участком поверхности S в заданном направлении, к площади его проекции S на плоскость, перпендикулярную этому направлению

За единицу яркости, численно равную 1 свече с 1 м 2 проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную заданному направлению, принят нит (нт).

Световые измерения

Фотометрические измерения принято разделять на объективные (при помощи приборов, измеряющих количество света без прямого участия глаза) и субъективные, или визуальные, при которых измерения производятся непосредственно глазом. За последнее десятилетие объективные фотометры получили широкое распространение и почти вытеснили визуальные приборы. Наибольшее распространение имеют приборы, состоящие из фотоэлемента и измерительного прибора, включенных в замкнутую цепь. Падающий на фотоэлемент свет обусловливает появление в цепи фотоэлектродвижущей силы и в результате этого наличие электрического тока, тем более сильного, чем больше количество падающего света. Шкала соединенного с фотоэлементом измерительного прибора градуируется.

Принцип визуальной фотометрии совершенно иной. В поле зрения прибора видны две соприкасающиеся поверхности; яркость одной из них пропорциональна количеству измеряемого света, а известная яркость другой из них, служащей для сравнения, создается специальным источником света. На уравнении двух яркостей основаны все визуальные световые измерения. Производящий измерение должен, пользуясь своим зрением, сделать яркость поверхности, освещенной неизвестным измеряемым светом, равной яркости поверхности, освещенной известным светом.

В настоящее время завод «Вибратор» выпускает новый объективный люксметр — Ю-16 (1956). Он является переносным, портативным прибором, обеспечивающим непосредственный отсчет освещенностей по шкалам измерителя.

Люксметр Ю-16 не имеет корригирующего светофильтра, поэтому при измерении освещенностей от люминесцентных ламп нужно пользоваться следующими поправочными коэффициентами: для ламп дневного света ДС—0,9, для ламп белого света БС — 1,1. При измерении естественной освещенности поправочный коэффициент приближенно равен 0,8.

Любой кто начинает изучать характеристики светильников и отдельных видов ламп, обязательно сталкивается с такими понятиями как освещенность, световой поток и сила света. Что они означают и чем отличаются друг от друга?

Давайте попробуем простыми, понятными для всех словами, разобраться в этих величинах. Как они связаны между собой, их единицы измерения и каким образом все это дело можно замерить без специальных приборов.

Что такое световой поток

В старые добрые времена, основным параметром по которому выбирали лампочку в прихожую, на кухню, в зал, была ее мощность. Никто никогда и не задумывался спрашивать в магазине про какие-то люмены или канделы.

Сегодня с бурным развитием светодиодов и других видов ламп, поход в магазин за новыми экземплярами сопровождается кучей вопросов не только по цене, но и по их характеристикам. Одним из наиболее важных параметров является световой поток.

Говоря простыми словами, световой поток – это количество света, которое дает светильник.

Однако не путайте световой поток светодиодов по отдельности, со световым потоком светильников в сборе. Они могут существенно отличаться.

Надо понимать, что световой поток это всего лишь одна из множества характеристик источника света. Причем его величина зависит:

• от мощности источника

Вот таблица этой зависимости для светодиодных светильников:

А это таблицы их сравнения с другими видами ламп накаливания, люминесцентных, ДРЛ, ДНаТ:

Лампочка накаливания Люминесцентная лампа Галогенная ДНаТ ДРЛ

Однако есть здесь и нюансы. Светодиодные технологии до сих пор еще развиваются и вполне возможен вариант, когда светодиодные лампочки одинаковой мощности, но разных производителей, будут иметь абсолютно разные световые потоки.

Просто некоторые из них ушли более вперед, и научились снимать с одного ватта больше люмен, чем другие.

Кто-то спросит, для чего нужны все эти таблицы? Для того, чтобы вас тупо не обманывали продавцы и производители.

На коробочке красиво напишут:

• мощность 9Вт

• светопоток 1000Лм

• аналог лампы накаливания 100Вт

На что вы будете смотреть в первую очередь? Правильно, на то что более знакомо и понятно - показатели аналога лампы накаливания.

Но с такой мощностью вам и близко не будет хватать прежнего света. Начнете ругаться на светодиоды и технологии их несовершенства. А дело то оказывается в недобросовестном производителе и его товаре.

• от эффективности

То есть, насколько эффективно тот или иной источник преобразует электрическую энергию в световую. Например, обычная лампа накаливания имеет отдачу 15 Лм/Вт, а натриевая лампа высокого давления уже 150 Лм/Вт.

Получается, что это в 10 раз более эффективный источник, чем простая лампочка. При одной и той же мощности, вы имеете в 10 раз больше света!

Измеряется световой поток в Люменах – Лм.

Что такое 1 Люмен? Днем при нормальном свете, наши глаза больше всего чувствительны к зеленному цвету. К примеру, если взять два светильника с одинаковой мощностью синего и зеленого цвета, то для всех нас более ярким покажется именно зеленый.

Длина волны зеленого цвета равна 555 Нм. Такое излучение называется монохроматическим, потому что содержит в себе очень узкий диапазон.

Конечно, в реалии зеленый дополняется и другими цветами, чтобы в итоге можно было получить белый.

Но так как чувствительность человеческого глаза максимальна именно к зелени, то и люмены привязали к нему.

Так вот, световой поток в один люмен, как раз таки и соответствует источнику, который излучает свет с длиной волны 555 Нм. При этом мощность такого источника равняется 1/683 Вт.

Почему именно 1/683, а не 1 Вт для ровного счета? Величина 1/683 Вт возникла исторически. Изначально, основным источником света была обычная свечка, и излучение всех новых ламп и светильников как раз таки и сравнивались со светом от свечи.

В настоящее время эта величина 1/683 узаконена многими международными соглашениями и принята повсеместно.

Для чего нам нужна такая величина как световой поток? С ее помощью можно легко произвести расчет освещенности помещения.

Это напрямую влияет на зрение человека.

Отличие освещенности от светового потока

При этом многие путают единицы измерения Люмены с Люксами. Запомните, в люксах измеряется именно освещенность.

Как наглядно объяснить их разницу? Представьте себе давление и силу. С помощью всего лишь маленькой иголки и небольшой силы, можно создать высокое удельное давление в отдельно взятой точке.

Также и с помощью слабого светового потока, можно создать высокую освещенность в отдельно взятом участке поверхности.

1 Люкс – это когда 1 Люмен попадает на 1м2 освещаемой площади.

Допустим, у вас есть некая лампа со световым потоком в 1000 Лм. Внизу этой лампы стоит стол.

На поверхности этого стола должна быть определенная норма освещенности, чтобы вы могли комфортно работать. Первоисточником для норм освещенности служат требования сводов правил СП 52.13330

Для обычного рабочего места это 350 Люкс. Для места, где производятся точные мелкие работы – 500 Лк.

Данная освещенность будет зависеть от множества параметров. К примеру, от расстояния до источника света.

От посторонних предметов рядом. Если стол находится около белой стены, то и люксов соответственно будет больше, чем от темной. Отражение обязательно скажется на общем итоге.

Любую освещенность можно замерить. Если у вас нет специальных люксометров, воспользуйтесь программами в современных смартфонах.

Правда заранее приготовьтесь к погрешностям. Но для того, чтобы сделать навскидку первоначальный анализ, телефон вполне сгодится.

Расчет светового потока

А как узнать примерный светопоток в люменах, вообще без измерительных приборов? Здесь можно воспользоваться значениями светоотдачи и их пропорциональной зависимости к потоку.

Вопросы госэкзамена по дисциплине «Электрическое освещение»

Сами по себе энергия и поток излучения не могут свидетельствовать о большем или меньшем восприятии человеком этого излучения. Действительно, если излучения находятся в инфракрасной или ультрафиолетовой области, то какой бы мощностью они не обладали, для глаза человека они останутся невидимыми. Если излучения одинаковой мощности принадлежат видимой области спектра, человек будет воспринимать их по-разному: в большей мере при длинах волн около 555 нм (жёлтые и зелёные излучения) и значительно слабее на границах видимого диапазона (красные и фиолетовые). Следовательно, для оценки восприятия излучений человеком необходимо учитывать не только энергию излучения, но и относительную спектральную чувствительность глаза, которая является функцией длины волны излучения.

Световой поток Ф – мощность потока излучения, оцениваемая по световому ощущению, которое она вызывает у селективного приемника - стандартного фотометрического наблюдателя, криваяотносительной спектральной чувствительности глаза которогостандартизована МКО. Иначе говоря, световой поток‑ это эффективно преобразованный глазом поток излучения.

За единицу светового потока в соответствии с международным соглашением принят люмен (лм).

Постоянного переводного коэффициента из Ватт (лучистый поток) в люмены (световой поток) не существует. Точнее, такой коэффициент существует, но он различен для разных длин волн.

Cила света I – это пространственная плотность светового потока в заданном направлении:

I a = dФ/dw,

гдеФ ‑ световой поток, лм;

w ‑ телесный (пространственный) угол с вершиной в точке расположения источника света, в пределах которого равномерно распределен этот световой поток, ср.

За единицу телесного угла – стерадиан (ср) – принимается угол, который, имея вершину в центре сферы, вырезает на ее поверхности сферический участок, по площади равный квадрату радиуса.

Телесный угол сферы равен 4π..

Единицей силы света в соответствии с решением, принятым 13-й Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 г., служит кандела [кд]. Кандела – основная единица в системе Си наравне с метром, килограммом, секундой, ампером и др.

Освещенность Е – это поверхностная плотность падающего светового потока. Освещенность элемента поверхности в заданной точке определяется отношением светового потока dФ , падающего на рассматриваемый элемент поверхности, к площади dS 2 (индексом 2 принято обозначать освещаемую поверхность) этого элемента поверхности: Е = dФ/dS 2 .

Единицей освещенности служит люкс (лк). Люкс равен освещенности поверхности площадью в 1м 2 , по которой равномерно распределен световой поток в 1 лм:

Освещенность элемента поверхности, создаваемая точечным источником, пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на освещаемую поверхность, и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до этой поверхности.

Яркость L a ‑ это поверхностная плотность силы света в заданном направлении, т.е. отношение силы света в заданном направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению.

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м 2).

Уровень ощущения света человеком зависит от яркости светящегося объекта.