Світлові величини та одиниці їх вимірювання
Для оцінки кількісних і якісних параметрів світла розроблена спеціальна система світлових величин.
Основним заходом світла можна вважати світловий потік, позначення-чаєм в світлотехнічної літературі буквою Ф. Фактично світловий потік - це потужність світлового випромінювання, виміряна не в звичних ватах або кінських силах, а в спеціальних одиницях, званих люменами (скорочена назва в російськомовній технічної літературі - лм, в іноземній - lm).
Що ж таке люмен? Люмен - це 1/683 вата світлового моно-хроматичного, тобто строго одноколірного, випромінювання з довжиною хвилі 555 нм, що відповідає максимуму кривої спектральної чув-ствительности очі. Величина 1/683 з'явилася історично, коли основним джерелом світла були звичайні свічки, і випромінювання тільки з'являлися електричних джерел світла порівнювався з све-те таких свічок. В даний час ця величина (1/683) узаконена багатьма міжнародними угодами і прийнята повсюдно.
Світловий потік від джерел світла - будь то проста сірник або надсучасна електрична лампа - як правило, поширенням рюється більш-менш рівномірно на всі боки. Однак за допомогою дзеркал або лінз світло можна направити за потрібне нам обра-зом, зосередивши його в деякій частині простору. Частина або частка простору характеризується тілесним кутом. Поняття «теле-сний кут» прямого відношення до світла не має, проте використовує-ся в світлотехніці настільки широко, що без нього неможливо пояснити його-ня багатьох світлотехнічних термінів і величин.
Мал. 3. Тілесний кут
Тілесний кут - це відношення площі, що вирізується цим кутом на сфері довільного радіуса R, до квадрату цього радіусу (див. Рис. 3). У технічній літературі ті-лісові кути зазвичай позначаються греко-чеський буквою зі і вимірюються в сте-радіанах (скорочено ср):
Очевидно, що величини S і R повинні вимірюватися в однакових одиницях.
Якщо світловий потік Ф від будь-якого джерела світла СОСР-доточити в тілесному куті ю, то можна говорити про силу світла цього джерела як про кутовий щільності світлового потоку. Таким обра-зом, сила світла (позначається буквою I) - це відношення світлового потоку, укладеного в будь-якому тілесному куті, до величини цього кута:
Якщо джерело світла світить рівномірно по всьому простору, тобто в тілесному куті 4п (так як площа сфери дорівнює 4nR2), то сила світла такого джерела дорівнює Ф / 4п, т. Е. Ф / 12,56. Сила світла вимірюється в канделах (скорочена російське позначення кд, іно-дивне - cd). Слово кандела перекладається на українську мову як све-ча, і саме свічкою називалася одиниця сили світла в СРСР до 1963 року. Одна кандела - це сила світла джерела, що випромінює світло-вої потік 1 лм в тілесному куті 1 пор. Приблизно таку силу світла має звичайна стеаринова свічка (звідси ясно, що світловий потік такої свічки дорівнює приблизно 12,56 лм).
Світло від будь-якого джерела потрібен, як правило, для того, що-б висвітлити конкретне місце - робочий стіл, вітрину, вулиці і т. П. Для характеристики освітлення конкретних місць вводиться ще одна світлова величина - освітленість. Освітленість - це величина світлового потоку, що припадає на одиницю площі поверхні, що освітлюється. Якщо світловий потік Ф падає на якусь площу S, то середня освітленість цієї площі (позначається літерою Е) дорівнює:
Одиниця виміру освітленості називається люксом (скор-щенное позначення в російськомовній літературі - лк, в іноземних-ної - / х). Один люкс - це освітленість, при якій світловий потік 1 лм падає на площу в 1 квадратний метр:
1 лк = 1 лм / 1 м2.
Щоб уявити собі цю величину, скажімо, що освітленість близько 1 лк створюється стеаринової свічкою на площині, перпендіку-лярной напрямку світла, з відстані 1 метр. Для порівняння: ос-освітленість від повного Місяця на поверхні Землі взимку на широті Москви не перевищує 0,5 лк; пряма освітленість від Сонця в років-ний опівдні на широті Москви може досягати 100 000 лк.
Припустимо, що на робочому столі освітленість дорівнює 100 лк. На столі лежать аркуші білого паперу, якась папка чорного кольору, книга в сірому палітурці. Освітленість всіх цих предметів однакова,
а око бачить, що аркуші паперу світліше книги, а книга - світліше пап-ки. Тобто наше око оцінює светлоту предметів не по їх осве-щенности, а з якоїсь іншої величини. Ця «інша величина» на-ни опиняються яскравістю. Яскравість поверхні S - це відношення сили світла I, випромінюваної цією поверхнею в будь-якому напрямку, до площі проекції цієї поверхні на площину, перпендикулярну обраний-ному напрямку (рис. 4). Як відомого-але, площа проекції будь-якої пло-кою поверхні на іншу площину дорівнює площі цієї поверхні, розум-піхов на косинус кута між пло-кістками. У технічній літературі яр-кістка позначається буквою L:
У цій формулі I - сила світла поверхні в певному напрямку (наприклад, площини робочого стола або лежать на ньому предметів); S - площа цієї поверхні; а - кут між перпендикуляром до площини і напрямом, в якому ми хочемо знати яскравість (наприклад, лінією зору, тобто лінією, з'єднавши-нього очей і оцінювану поверхню).
Якщо для світлового потоку, сили світла і освітленості суще-обхідних спеціальні одиниці вимірювання (люмен, кандела і люкс), то для одиниці вимірювання яскравості спеціальної назви немає. Правда, в старих (до 1963 року) підручниках з фізики, світлотехніку, оптиці і в інший технічній літературі було кілька назв одиниць вимірювання яскравості: в російськомовній - ніт і стильб, в англомовний-ної - фут-ламберт, апостільб і ін. Міжнародна система СІ жодну з цих одиниць не прийняла, а прийнятої одиниці виміру яскравості спеціальної назви не придумала.
За одиницю вимірювання яскравості зараз у всіх країнах при-нята яскравість плоскої поверхні, що випромінює силу світла в 1 кд з одного квадратного метра в напрямку, перпендикулярному світячи-щей поверхні, тобто 1 кд / м2.
Від чого ж залежить яскравість предметів?
Перш за все, звичайно, від кількості потрапляє на них све-та. Але в наведеному прикладі на всі предмети, що лежать на столі, потрапляє однакову кількість світла. Значить, яскравість залежить і від властивостей самих предметів, а саме - від їхньої здатності відбивати падаюче світло.
Здатність предметів відображати падаюче на них світло харак-теризують коефіцієнтом відображення, зазвичай позначається гре-
чеський буквою р. Коефіцієнт відображення - це відношення вели-чини світлового потоку, відбитого від будь-якої поверхні, до світлового потоку, що падає на цю поверхню від будь-якого ис-точніка світла або світильника:
р = Фотраженним / Фпадающій.
Чим вище коефіцієнт відбиття предмета, тим більше світло-лим він нам здається. У наведеному прикладі з робочим столом ко-коефіцієнт відображення аркушів паперу вище, ніж палітурки книги, а у цієї палітурки - вище, ніж у папки.
Коефіцієнт відображення матеріалів залежить як від властивостей самих матеріалів, так і від характеру обробки їх поверхні. От-ражение може бути спрямованим в якусь одну сторону або рас-сіяним в певному тілесному куті. Візьмемо аркуш звичайного бе-лій паперу або ватману. З якого б боку і під яким би кутом ми на такий лист не дивилися, він здається нам однаково світло-лим, тобто яскравість його в усіх напрямках однакова. Таке відображення називається дифузним або розсіяним; соответствен-но, поверхні з таким характером відображення також називаються диф-фузнимі. Це неглянцевого паперу, більшість тканин, матові крас-ки, побілка, шорсткі металеві поверхні і багато іншого.
Але якщо ми почнемо полірувати шорстку металеву поверхню, то характер її відображення почне змінюватися. Якщо поверхня відполірована дуже добре, то весь падаючий на неї світло буде відбиватися в одну сторону. При цьому кут, під яким відбивається падаюче світло, точно дорівнює куту, під яким він па-дає на поверхню. Таке відображення називається дзеркальним, а рівність кутів падіння і відбиття світла є одним з базових законів світлотехніки: на цьому законі засновані всі ме-тоди розрахунків прожекторів і світильників із дзеркальною оптичні-кою частиною.
Крім дзеркального і дифузного віддзеркалення, існує на-правління-розсіяне (наприклад, від погано відполірованих ме-левих поверхонь, шовкових тканин або від глянсової бу-маги), а також змішане (наприклад, від молочного скла). На рис. 5 (див. Слід. Сторінку) показані приклади різного харак-тера відображення матеріалів.
Крива, що характеризує кутовий розподіл коефіцієнтом-та відображення, називається Індикатриса відображення.
Для поверхонь з дифузним відображенням яскравість пов'язана з освітленістю простим співвідношенням:
Ldu Яскравість дзеркальної поверхні дорівнює яскравості відбиваються в ній пред-метов (джерел світла, стелі, стін і т. П.), Помноженої на коефіцієнт від-ражения:
Чотири названих світлових вели-чини - світловий потік, сила світла, ос-освітленість і яскравість - це ті важливіше шие поняття, без знання яких не-можливо пояснення роботи источни-ков світла та освітлювальних приладів. Однак для такого пояснення необ-обхідно ще й знання світлотехнічних характеристик матеріалів.
Рис.5. індикатриси відбиття
З одного з таких характеристик - коефіцієнтом відображення - ми вже познайомилися. Але в природі немає матеріалів, які відображають весь падаюче на них світло, тобто матеріалів, у яких р = 1. Та частка світла, що не отража-ється від матеріалу, в загальному випадку де-лится ще на дві частини: одна частина про-ходить крізь матеріал, інша поглинаючи-ється в ньому. Частка світла, яка прохо-дить крізь матеріал, характеризується коефіцієнтом пропускання (позначення-чає грецькою буквою т); а частка, ко-торая поглинається - коефіцієнтом поглинання (позначається а):
т = Фпрошедшій / Фпадающій.
а = Ф погё. ощ. єї. і.и. й / Ф:
Співвідношення між цими трьома коефіцієнтами - відображення ци-ня, поглинання і пропускання - можуть бути самими різними, але у всіх без винятку випадках сума трьох коефіцієнтів дорівнює одиниці:
У природі немає жодного матеріалу, у якого хоча б один з трьох коефіцієнтів дорівнював 1. Найбільше дифузне відображення ци-ня мають щойно випав сніг (р
Величина коефіцієнта пропускання вказується в справоч-ної літературі для певної товщини матеріалу (зазвичай для 1 см). До найбільш прозорим матеріалами можна віднести особливо чи-стий кварц і деякі марки полиметилметакрилата (органічні-го скла), у яких р = 0,99 / см.
Гіпотетичне (реально неіснуюче!) Речовина з коеф-фициент поглинання, що дорівнює 1, називається «абсолютно чорним тілом» - до цього поняття ми ще звернемося при поясненні рабо-ти теплових джерел світла.
Як і відображення, пропускання світла може бути спрямованим (у силікатних або органічних стекол, полікарбонату, полістирол-ла, кварцу і т. П.), Дифузним або розсіяним (молочні скла), направлено-розсіяним (матоване скла) і змішаним.
Переважна більшість матеріалів по-різному відображає, пропускає або поглинає світло з різною довжиною хвилі, тобто раз-ного кольору. Саме це властивість матеріалів визначає їх колір і створює багатобарвність навколишнього нас світу. Для повної ха-рактеристики світлотехнічних властивостей матеріалів необхідно знати не тільки абсолютні значення їх коефіцієнтів відбиття, про-пускання і поглинання, а й розподіл цих коефіцієнтів в просторі (індикатриси) і по довжинах хвиль. Розподіл коеф-фициент по довжинах хвиль називається спектральними характери-стиками (відображення, пропускання або поглинання).
Всі три названих коефіцієнта є відносними (безрозмірними) величинами і вимірюються в долях одиниці або у відсотках (в техже частках, помножених на 100).