Каждый из нас понимает, что свет от разных источников и в разных условиях может существенно отличаться

: оно может быть «сильным» или «слабым». Звездной ночью мы можем видеть, куда ставим ногу, но вряд ли сможем читать книгу. Летом в середине дня освещение бывает настолько сильным, что глаза быстро устают и даже болят. Однако во многих случаях необходимо учитывать не только свойства источников света, а расстояние до них и другие факторы: стоя поздно вечером под единым на улице фонарем, вы сможете читать, а сделав хоть несколько шагов от фонаря — не сможете.
Раздел физики, изучающий способы измерения «количества света», называют фотометрии. Источники света, которые мы наблюдаем (Солнце и уличный фонарь, прожектор и светлячок), сильно отличаются по энергией своего светового излучения. Мы будем рассматривать только точечные источники света: такие, которые содержатся довольно далеко от нас, чтобы их собственными размерами можно пренебречь. Кроме того, точечный источник должен излучать свет равномерно во всех направлениях (так, прожектор или лазерную указку нельзя считать точечным источником света даже при наблюдении с большого расстояния).
Точечным называют источник, излучающий свет одинаково во всех направлениях, размерами которого можно пренебречь.
Какие примеры точечных источников света вы можете привести?

Почти идеальным примером точечного источника света могут быть удалены звезды. Основной характеристикой источника света является так называемая сила света. Эту физическую величину обозначают I, единицей силы света является кандела (кд).
Характеристикой источника света является сила света (I), измеряемой в канделах (кд).
Мы не будем приводить точного определения Кандела, оно слишком сложное для вас. Достаточно сказать, что 1 кд примерно соответствует силе света одной свечи («кандела» как раз и означает «свеча»). Электрические лампы накаливания чаще всего имеют силу света около 100 кд, прожектор дает десятки тысяч кандел, а иногда — даже миллионы кандел.
Следует учесть, что далеко не весь свет от источника попадать, например, на страницу книги, которую мы читаем. А для нас именно это самое важное! Чтобы характеризовать, насколько освещена та или иная поверхность, вводят такую физическую величину, как освещенность. Ее обозначают E, измеряют в люксах (лк). Эта величина показывает, сколько света попадает на единицу площади поверхности.
Освещенность (E) показывает, сколько света падает на единицу площади поверхности. Освещенность измеряют в люксах (лк).

Существуют специальные приборы (люксметры) для измерения освещенности. От чего же зависит освещенность поверхности (страницы книги, дороги, ученического стола)? Будем считать, что свет излучает единственный точечный источник света. Тогда прежде всего надо учесть силу света источника. Если она удвоится, то это то же самое, что добавить еще одно такое же источник. Таким образом, освещенность тоже удвоится — она прямо пропорциональна силы света источника. Надо также учесть от-стань r к этому источнику. Если, например, увеличить это расстояние вдвое, то такая же энергия света распределяться по поверхности, площадь которой увеличилась в 22 = 4 раза (соответствующий рисунок есть в учебнике). Итак, освещенность поверхности уменьшится в 22 = 4 раза. Если увеличить расстояние до источника света втрое, освещенность уменьшится в 32 = 9 раз. Таким образом, освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.
Освещенность поверхности прямо пропорциональна силы света источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.
Так, в числителе формулы для освещенности должна стоять сила света, а в знаменателе — квадрат расстояния от поверхности до источника света.
От чего еще зависит освещенность? Попробуйте включить в темной комнате единую настольную лампу и, отойдя от нее на определенное расстояние, поверните лист бумаги от разными углами к световым лучам.
Демонстрация с помощью прибора для демонстрации законов оптики.
Нетрудно заметить, что лист освещен сильнее, когда угол падения световых лучей равна нулю. Решая расчетные задачи, мы будем рассматривать именно такой случай. Единицы силы света и освещенности согласованы таким образом, что когда угол падения света равен нулю, в формуле для освещенности нет никаких дополнительных коэффициентов.
При перпендикулярном падении света на поверхность.
Напомним еще раз: освещенность измеряется в люксах, силу света — в канделах, расстояние — в метрах. Законы фотометрии позволяют объяснить многие известные нам явлений. Например, легко понять, почему на поверхности близких к Солнцу планет высокая температура, а на далеких планетах — очень низкая. А вот когда речь идет о нашей родной Земле, то часто приходится слышать неправильное объяснение смены времен года. Говорят, что зимой Земля находится дальше от Солнца, чем летом. Но когда в Украине холодная зима, в Австралии — жаркое лето! Неужели Австралия настолько ближе к Солнцу? Конечно, нет. Правильное объяснение другое: зимой солнечные лучи даже в полдень падают не сверху, а под довольно большим углом к вертикали. При таком угле падения они «светят, но не греют».
Законы фотометрии важно учитывать и для сохранения собственного зрения. Существуют определенные нормы освещенности: освещенность страницы, которую вы сейчас читаете, должна быть не менее чем 100 лк. Однако важны также тип ламп, цвет стен и т.п.. Следует избегать попадания в глаза сильного прямого света, очень резкого контраста между соседними поверхностями.

Одним из самых интересных и неоднозначным явлением нашего мира является свет. Для физики это один из основополагающих параметров многочисленных расчетов. С помощью света ученые надеются отыскать разгадку существования нашей вселенной, а также открыть для человечества новые возможности. В повседневной жизни свет также имеет большое значение, особенно при создании качественного освещения в различных помещениях.

Одним из важных параметров света является его сила, которая характеризует мощность данного явления. Именно силе света и расчету этого параметра будет посвящена данная статья.

Общие сведения о понятии

В физике под силой света (Iv) подразумевается мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла.
Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

В зависимости от имеющегося источника излучения, данный параметр будет увеличиваться или уменьшаться. На его изменения будет оказывать прямое воздействие значения телесного угла.

Обратите внимание! В некоторых ситуациях сила света будет одинаковой для угла любого значения. Это возможно в тех ситуациях, когда источник светового излучения создает равномерное освещение пространства.

Этот параметр отражает физическое свойство света, благодаря чему он отличается от таких измерений, как яркость, которая отражает субъективные ощущения. Помимо этого сила света в физике рассматривается как мощность. Если быть точнее, она оценивается как единица мощности. При этом мощность здесь отличается от своего привычного понятия. Здесь мощность зависит не только от энергии, которую излучает осветительная установка, но и от такого понятия, как длина волны.
Стоит отметить, что чувствительность людей к световому излучению напрямую зависит от длины волны. Эта зависимость нашла отражение в функции относительно спектральной световой эффективности. При этом сама сила света является зависимой от световой эффективности величиной. При длине волны в 550 нанометров (зеленый цвет) данный параметр примет свое максимальное значение. В результате этого глаза человека будут более или менее чувствительны к световому потоку при различных параметрах длины волны.
Единица измерения для данного показателя является кандел (кд).

Обратите внимание! Сила излучения, которое исходит от одной свечки, будет примерно равна одной канделе. Ранее применявшаяся для формулы расчета международная свеча равнялась 1,005 кд.

Свечение одной свечи

В редких случаях применяется устаревшая единица измерения – международная свеча. Но в современном мире уже практически везде используется единица измерения для этой величины – кандела.

Диаграмма фотометрического параметра

Iv представляет собой наиболее важный фотометрический параметр. Кроме этой величины к важнейшим фотометрическим параметрам относится яркость, а также освещенность. Все эти четыре величины активно используются при создании системы освещения в самых разнообразных помещениях. Без них невозможно оценить требуемый уровень освещённости для каждой отдельной ситуации.

Четыре важнейших световых характеристики

Для простоты понимания данного физического явления необходимо рассмотреть диаграмму, которая изображает плоскость, отражающую распространение света.

Диаграмма для силы света

Благодаря диаграмме видно, что Iv зависит от направления к источнику излучения. Это означает, что для светодиодной лампочки, для которой направление максимального излучения будет принято за 0°, тогда при измерении нужной нам величины в направлении 180° получится меньшее значение, чем для направления 0°.
Как видно, на диаграмме излучение, которое распространяется двумя источниками (желтый и красный), будет охватывать равную площадь. При этом желтое излучение будет рассеянным, по аналогии со светом свечи. Его мощность примерно будет равняться 100 кд. Причем значение этой величины будет одинаковой во всех направлениях. В тоже время красный будет направленным. В положении 0° он будет иметь максимальное значение в 225 кд. При этом данное значение будет уменьшаться в случае отклонения от 0°.

Обозначение параметра в СИ

Поскольку Iv является физической величиной, то ее можно рассчитать. Для этого используется специальная формула. Но прежде, чем дойти до формулы, необходимо разобраться в том, как искомая величина записывается в системе СИ. В этой системе наша величина будет отображаться как J (иногда она обозначается как I), единица измерения которой буде кандела (кд). Единица измерения отражает, что Iv, испускаемая полным излучателем на площади сечения 1/600000 м2. будет направляться в перпендикулярном данному сечению направлении. При этом температура излучателя будет раной уровню, при котором при давлении 101325 Па будет наблюдаться затвердение платины.

Обратите внимание! Через канделу можно определить остальные фотометрические единицы.

Поскольку световой поток в пространстве распространяется неравномерно, то необходимо ввести такое понятие, как телесный угол. Он обычно обозначается символом .
Сила света используется для расчетов, когда применяется формула размерности.
При этом данная величина через формулы связана со световым потоком. В такой ситуации световой поток будет произведением Iv на телесный угол, к которому и будет распространяться излучение.
Световой поток (Фv) есть произведение силы света на телесный угол, в котором распространяется поток. Ф=I .

Формула светового потока

Из этой формулы следует, что Фv представляет собой внутренний поток, распространяемый в пределах конкретного телесного угла (один стерадиан) при наличии Iv в одну канделу.

Обратите внимание! Под стерадианом понимают телесный угол, вырезающий на поверхности сферы участок, который равен квадрату радиуса данной сферы.

При этом через световое излучение можно связать Iv и мощность. Ведь под Фv понимается еще и величина, которая характеризует мощность излучения светового излучения при восприятии его усредненным человеческим глазом, имеющего чувствительностью к излучению определенной частоты. В результате из вышеприведенной формулы можно вывести следующее уравнение:

Формула для силы света

Это отлично видно на примере светодиодов. В таких источниках светового излучения его сила обычно оказывается равной потребляемой мощности. В результате, чем выше будет потребление электроэнергии, тем выше будет уровень излучения.
Как видим, формула для расчета нужной нам величины не так и сложна.

Дополнительные варианты расчета

Поскольку распределение излучения, идущего от реального источника в пространство, будет неравномерно, то Фv уже не сможет выступать в роли исчерпывающей характеристикой источника. Но только за исключением ситуации, когда одновременно с этим не будет определяться распределение испускаемого излучения по разнообразным направлениям.
Чтобы охарактеризовать распределение Фv в физике используют такое понятие, как пространственной плотности излучения светового потока для различных направлений пространства. В данном случае для Iv необходимо использовать уже знакомую формулу, но в несколько дополненном виде:

Вторая формула для расчета

Эта формула позволит оценить нужную величину в различных направлениях.

Заключение

Сила света занимает важное место не только в физике, но и в более приземленных, бытовых моментах. Это параметр особенно важен для освещения, без которого невозможно существование привычного нам мира. При этом данное значение используется не только в разработке новых осветительных приборов с более выгодными техническими характеристиками, но и при определенных расчетах, связанных с организацией системы подсветки.

Подсветка зданий грунтовыми светильниками- обзор самых популярных, монтаж


Детские люстры для комнаты девочки:критерии выбора

Глава седьмая

ОСВЕЩЕНИЕ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

7.1. Основные
понятия светотехники. Световой поток, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности,
коэффициент отражения света.

Для нормальной
жизнедеятельности человека, особенно в условиях производства, важную
роль играет качество освещения. Плохо освещенные опасные зоны,
слепящие источники света, резкие тени от предметов и оборудования
ухудшают ориентацию работающих, вследствие чего не исключена
возможность травмирования. Недостаточное или неправильное освещение
рабочих мест и всей рабочей зоны вызывает преждевременное утомление
человека, может быть причиной не только снижения производительности
труда, но и несчастного случая. Неправильно выбранные при
проектировании электрического освещения осветительные приборы, а
также нарушения требований главы «Электрическое освещение»
Правил технической эксплуатации электроустановок могут быть
причиной пожара, взрыва и других аварий на производстве.

Освещение
производственных помещений и рабочих мест может быть естественным 1 ,
искусственным и совмещенным.

1 Расчет
естественного освещения в основном сводится к определению площади
световых проемов (окон) в помещении согласно указаниям СНиП II 4-79
«Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования».

Естественный (солнечный)
свет оказывает положительное воздействие на зрение и в целом на
организм человека. Поэтому все помещения в соответствии с Санитарными
нормами проектирования промышленных предприятий СН 245-71, как
правило, должны иметь естественное освещение.

Искусственное освещение
осуществляется с помощью электрических источников света — ламп
накаливания, люминесцентных или иных газоразрядных ламп.

Основными величинами,
характеризующими видимый свет, являются световой поток источника
света, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности,
коэффициент отражения света.

Световой поток Φ
— это мощность световой энергии, оцениваемая по световому
ощущению, воспринимаемому зрительным органом человека. Единицей
измерения светового потока является люмен
(лм). Об этой
единице можно судить из примера, что световой поток лампы накаливания
мощностью (потребляемой из электросети) 25 Вт при напряжении 220 В
составляет около 200 лм.

Сила света характеризует его интенсивность в различных точках освещаемого
пространства. Сила света равна отношению светового потока к телесному
углу ω, в пределах которого световой поток распределен
равномерно: I=Φ/ω. За единицу силы света принята кандела
(кд), определяемая эталонным источником света. Таким образом,
люмен есть световой поток, испускаемый точечным источником света в
телесном (пространственном) угле в один стерадиан (ст) при силе света
в 1 кд.

Освещенность (Е) —
поверхностная плотность падающего на данную поверхность светового
потока, измеряется в люксах (лк), т. е. E=Φ/S; 1 лк равен 1
лм/м 2 .

Яркость L —
световая величина, непосредственно воспринимаемая глазом, она
определяется значением силы света, излучаемого с единицы площади
поверхности в заданном направлении под углом α, где L = Iρ/S,
ρ- коэффициент отражения поверхности, ρ = Φ отр /Φ пад,
т. е. равен отношению светового потока, отраженного от поверхности, к
падающему на нее световому потоку.

Световой поток – это световая энергия, излучаемая точечным источником. Так как зависит от расстояния, то выражается в пространственных углах.

Люмен — единица измерения мощности светового излучения, которая оценивается по световому ощущению на глаз человека.

Единицу измерения светового потока люмен можно рассматривать как общее количество света. К примеру, лампа накаливания в 40 Вт создаст световой поток, соответствующий 415 люмена, люминесцентная — поток в 3200 люмена. Поставьте любую оптическую систему вокруг источника света, количество света (люменов) будет прежним. Таким образом, если на источнике света ненаправленного действия не написано число люменов, то непонятно как он будет освещать.

Освещенность и яркость

Освещенность – это величина света, она определяет свет в количестве
, который падает на ту или иную площадь поверхности тела. Она зависит от длины световой волны, ведь человеческий глаз по-разному воспринимает яркость разной длины световых волн, другими словами, разного цвета.

Освещенность вычисляется для разной длины волн отдельно. Люди воспринимают, как самые яркие цвета:

• зеленый — свет с длиною волны в 550 нанометров;
• желтый, оранжевый. Находятся рядом с ним в спектре.

Свет, исходящий от красного, синего и фиолетового цветов, имеет короткую или длинную волну, поэтому они воспринимаются как более темные. Понятие освещенности часто соотносят с понятием яркости.

При освещении площади одной и той же лампой, большая площадь будет менее освещена, чем маленькая.

Разница между понятиями яркости и освещенности

Русский язык дает два ответа на вопрос, что такое яркость. Яркость означает характеристику светящихся тел
, то есть физическую величину. Также она определяет субъективное понятие, зависящее от многих факторов, например:

• особенностей строения глаз человека;
• количества света в помещении.

Чем меньше света в окружающей среде, тем ярче кажется нам источник света. Следует различать яркость с освещенностью и запомнить следующее:

• яркость – это свет, который отражается от поверхности светящегося предмета;
• освещенность – это свет, который падает на освещаемую поверхность.

В астрономии яркость включает два понятия, где звезды излучают, а планеты отражают. В этой науке звездная яркость измеряется по фотометрической шкале
, причем большую яркость звезды соотносят с меньшей величиной. Отрицательную величину имеют самые яркие звезды.

Единица измерения яркости (кандела на один квадратный метр) применяется для прикладных или физиологических целей.

Единица измерения люкс применяется для вычисления уровня освещенности. Один люкс приравнивается к одному люмену на квадратный метр. Также для измерения освещенности применяют фут-канделу. К ней обращаются в области кино и фотографии и некоторых других. Фут присутствует в названии оттого, что фут-кандела означает освещенность канделой поверхности квадратного фута
, измеряющую в интервале одного фута.

Фотометр

Фотометр – это прибор-измеритель освещенности. Свет поступает на фотодетектор, затем преобразуется в электрический сигнал и измеряется. Встречаются фотометры, работающие по другому принципу. В основном фотометры показывают уровень света в люксах
, но есть и такие, которые используют другие единицы. Те фотометры, которые также называют экспонометрами, участвуют в определении выдержки и диафрагмы, тем самым помогая фотографам и операторам. Помимо того, фотометры применяют для определения уровня безопасной освещенности в других областях, например, в растениеводстве, в музеях, там, где необходимо поддерживать нужную освещенность.

Безопасный поток света на работе

Работая в темном или слабоосвещенном помещении, могут возникнуть различные проблемы со здоровьем, будь это ухудшение зрения, депрессия или другие физиологические и психологические нарушения. По этой причине на рабочем месте, в рамках правил охраны труда, включаются требования о минимальной безопасной освещенности. В конечный результат измерения, который выдает фотометр, входит площадь распространения света. Эти показатели обеспечивают достаточную освещенность всего помещения.

Световой поток и экспонаты музея

От освещенности и силы потока от источника света зависит скорость, с которой будут ветшать и выцветать экспонаты музея. Работники музеев проводят работу по определению освещенности экспонатов. Это делается для того, чтобы убедиться в безопасном количестве светового потока на музейные единицы, а также для обеспечения достаточного уровня освещенности посетителям во время рассматривания экспоната.

Уровень освещенности можно измерить фотометром, что осуществить нелегко, так как его нужно устанавливать как можно ближе к экспонату
, а это требует извлечения защитного стекла, выключения сигнализации и получения разрешения. Эту задачу облегчают другим способом, который часто используют сотрудники музея. Вместо фотометра применяют фотоаппарат, который не является заменой фотометра в ситуациях, где требуются более точные измерения найденной проблемы с освещением, но чтобы выявить отклонение от нормы вполне достаточно.

Определить экспозицию фотоаппаратом можно на основе показаний об уровне освещенности. Уровень освещенности экспозиции легко определить посредством нехитрых вычислений. Сотрудники музеев прибегают к формуле или пользуются таблицей
, где экспозиция представлена в единицах освещенности. Производя вычисления, не нужно забывать о том, что камера поглощает некоторое количество света, поэтому следует это учитывать.

Прежде чем обеспечить растение светом, который необходим для фотосинтеза, нужно знать, сколько требуется его каждой культуре. Садоводам и растениеводам это известно. Они измеряют уровень освещенности, чтобы удостовериться в том, что каждое растение получает необходимое ему количество света. Часто для таких процедур применяются фотометры.

Фотометры также широко применяются в лабораторной практике. Например, определяется спектр образцов, с помощью которых устанавливается химический состав. К особому классу таких приборов относится пламенный фотометр. Он выявляет в образцах щелочные металлы
, такие как натрий, литий, калий. Чтобы их обнаружить, нужно сжечь образец при высокой температуре и с помощью фотометра проанализировать спектр пламени. Данная задача другими способами решается гораздо труднее.

Современные фотометры преобразуют световое излучение в электрические импульсы, они регистрируются по принципу амперметра и вольтметра, а после конвертируются в компьютерный формат.

Фотометр — это прибор, охватывающий многие области знаний, такие как химия, молекулярная биология, физика, материаловедение и другие. Фотометр широко применяется в промышленности, в лазерной и оптической продукции. Помимо химической лаборатории, фотометр находит применение в лабораториях судебно-медицинской экспертизы.

Таким образом, из вышеизложенного вы узнали о единицах измерения света, что лампы лучше покупать с указанным числом люменов
, что понятия освещенности и яркости разнятся, а количество света можно измерить специальным прибором.

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.