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.

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.

Свет, падающий на поверхность нашей планеты Земля от Солнца, является источником жизни для всех ее живых организмов. Солнечные лучи, распространяясь со скоростью 300000 км/ч., оказывают следующие воздействия на окружающую среду:

• участие в фотосинтезе;
• видимый свет;
• тепло;
• обеззараживание;
• облучение.

Исходя из этого естественный свет — это лучистая энергия в виде электромагнитных волн, обладающих разными свойствами в зависимости от их общего показателя, которым является длина. Длина излучений измеряется в нанометрах (0,000000001 м) и варьируется для инфракрасных волн от 700 до 10000 нм., видимых человеческому глазу 400-750 нм., ультрафиолетовых — 10-370 нм. и рентгеновских 0,00001-10 нм.

Для человеческого глаза наиболее оптимальной считается длина видимых электромагнитных колебаний от 500 до 600 нм., хуже воспринимаются красные и фиолетовые лучи, а инфракрасные и ультрафиолетовые ощущаются только по нагреву и загару кожного покрова.

С развитием науки и техники человечество научилось создавать искусственные источники всех разновидностей электромагнитных волн, используемых в разных отраслях промышленности и сельского хозяйства и других сферах деятельности. Рассмотрим основные светотехнические понятия, раскрывающие все характеристики источников света.

Что такое световой поток?

Световой поток — это мощность видимого излучения источника электромагнитных волн, которое ощущает человеческий глаз. Обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм).

Поток лучей света, отдаляясь от источника, в пространстве распространяется неравномерно, теряя свою плотность. Эту пространственную лучистую плотность светового потока характеризует такое понятие как сила света I (измеряется в канделах – кд.), которое определяется из отношения светового потока Ф к телесному углу ω.

I =Ф/ω.

Чтобы разобраться, как эти величины взаимосвязаны друг с другом обратимся к рисунку.

Если взять точечный источник света 0, который будет светить в пространстве, то будет находиться внутри освещенного шара. Теперь представим, что световой поток Ф будет распространяться на выбранный участок сферы площадью S, в результате образуется конус, стороной которого будет являться радиус шара. Этот пространственный угол, являющийся вершиной конуса, и является телесным и определяется, как отношение площади S к квадрату радиуса сферы.

Единицей телесного угла является стерадиан (ср), который образует на поверхности светящегося шара площадь, равную по значению квадрату его радиуса.

Освещенность

Освещенность характеризует то, как количественно изменяется плотность светового потока источника света в пространстве, лучи которого падают на любые поверхности, удаленные на разные расстояния от места излучения. Определяется отношением светового потока Ф к освещаемой поверхности S:

Снова обратимся к рисунку!

Итак, возьмем также точечный источник света А, сила света I α светового потока которого направлена на участок площадью S какой-либо поверхности. Расстояние между источником света А и площадью равно l. В итоге образуется конус с наклоном, с углом α между направлением силы света I α и стороной конуса и пространственным углом ω. Тогда:

ω=S*cosα/l 2 и вычисляем Ф= I α *S*cosα/l 2 .

Определяем освещенность элемента по следующему выражению:

Е= I α *cosα/l 2 .

Таким образом, освещенность определяется силой света расстоянием до освещаемой поверхности, т.е. чем дальше находится предмет от источника видимого излучения, тем меньше на него попадает света!

Единица освещенности называется люксом и обозначается как (лк).

Яркость

При попадании светового потока на поверхность какого-либо предмета, то он частично поглощается, а другая его часть отражается, создавая зрительное восприятие этого предмета на расстоянии. Если два освещенных объекта темного и светлого цвета разместить на одном и том же расстоянии от человеческого глаза, то лучше будет виден светлый объект, то есть он лучше отражает световой поток источника света. Для сравнения, где будет светлее, в комнате со светло-зелеными или темно-коричневыми обоями при одинаковой освещенности? Конечно же, в комнате со светло-зеленым покрытием стен.

Таким образом, под яркостью освещаемой поверхности понимают то количество отраженной силы света относительно глаза наблюдателя, которое будет зависеть от окраски и отражающих свойств этой поверхности.

Яркость обозначается буквой L и равна отношению силы света к площади проекции освещаемой поверхности:

Как видно из формулы, яркость измеряется в кандела на один квадратный метр (кд/м2).

Данная формула справедлива в том случае, если глаз наблюдателя находится под углом 90 градусов к отражающей поверхности, так как тогда угол между падающим и отражающим углом составит 0 градусов, а cos0=1!

Если освещаемая поверхность будет рассматриваться человеческим глазом под некоторым углом а, то он увидит площадь проекции этой поверхности на плоскость, находящуюся под углом 90° по направлению к наблюдающему, тогда яркость будет равна:

Также термин яркость используется и для источников света, имеющих излучающие поверхности различных форм. Так, например, если взять лампу накаливания с колбой в форме шара, то проекция излучения в пространстве будет в виде круга с площадью πD2/4. Для цилиндрических ламп (газоразрядные) проекция представляет собой множество прямоугольников, которые вычисляются как произведение длины и ширины, а в данном случае умножения диаметра колбы на ее длину.

Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических же целей часто важнее знать не полный световой поток, а тот поток, который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку. Так, например, автомобилисту важно получить достаточно большой световой поток в сравнительно узком телесном угле, внутри которого находится небольшой участок шоссе. Для работающего за письменным столом важен тот поток, который освещает стол или даже часть стола, тетрадь или книгу, т. е. поток, приходящийся на некоторую площадь. В соответствии с этим установлены два вспомогательных понятия - сила света и освещенность .

Силой света называют световой поток, рассчитанный на телесный угол, равный стерадиану, т. е. отношение светового потока , заключенного внутри телесного угла , к этому углу:

Освещенность же есть световой поток, рассчитанный на единицу площади, т. е. отношение светового потока , падающего на площадь , к этой площади:

Понятно, что формулы (70.1) и (70.2) определяют среднюю силу света и среднюю освещенность. Они будут тем ближе к истинным, чем равномернее поток или чем меньше и .

Очевидно, что с помощью источника, посылающего определенный световой поток, мы можем осуществить весьма разнообразную силу света и весьма разнообразную освещенность. Действительно, если направить весь поток или большую его часть внутрь малого телесного угла, то в направлении, выделенном этим углом, можно получить очень большую силу света. Так, например, в прожекторах удается сосредоточить большую часть потока, посылаемого электрической дугой, в очень малом телесном угле и получить в соответствующем направлении огромную силу света. В меньшей степени той же цели достигают с помощью автомобильных фар. Если сконцентрировать с помощью отражателей или линз световой поток от какого-либо источника на небольшой площади, то можно достигнуть большой освещенности. Так поступают, например, стремясь сильно осветить препарат, рассматриваемый в микроскоп; аналогичное назначение выполняет рефлектор лампы, обеспечивающий хорошую освещенность рабочего места.

Согласно формуле (70.1) световой поток равен произведению силы света на телесный угол , в котором он распространяется:

Если телесный угол , т. е. лучи строго параллельны, то световой поток также равен нулю. Это означает, что строго параллельный пучок световых лучей не несет никакой энергии, т. е. не имеет физического смысла, - ни в одном реальном опыте не может быть осуществлен строго параллельный пучок. Это - чисто геометрическое понятие. Тем не менее параллельными пучками лучей очень широко пользуются в оптике. Дело в том, что небольшие отступления от параллельности световых лучей, имеющие с энергетической точки зрения принципиальное значение, в вопросах, связанных с прохождением световых лучей через оптические системы, практически не играют никакой роли. Например, углы, под которыми лучи от удаленной звезды попадают в наш глаз или телескоп, настолько малы, что они даже не могут быть измерены существующими методами; практически эти лучи не отличаются от параллельных. Однако эти углы все же не равны нулю, и именно благодаря этому мы и видим звезду. В последнее время световые пучки с очень острой направленностью, т. е. с очень малой расходимостью световых лучей, получают при помощи лазеров (см. § 205). Однако и в этом случае углы между лучами имеют конечное значение.

Световой поток - мощность светового излучения, т. е. видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на глаз человека. Световой поток измеряется в люменах.

Например лампа накаливания (100 Вт) излучает световой поток, равный 1350 лм, а люминесцентная лампа ЛБ40 - 3200.

Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света равной одной канделе, в телесный угол, величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд·ср).

Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Существует и другое определение: единицей светового потока является люмен (лм), равный потоку, излучаемому абсолютно черным телом с площади 0,5305 мм 2 при температуре затвердевания платины (1773° С), или 1 свеча·1 стерадиан.

Сила света - пространственная плотность светового потока, равная отношению светового потока к величине телесного угла, в котором равномерно распределено излучение. Единицей силы света является кандела.

Освещенность - поверхностная плотность светового потока, падающего на поверхность, равная отношению светового потока к величине освещаемой поверхности, по которой он равномерно распределен.

Единицей освещенности является люкс (лк) , равный освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в 1 м 2 , т. е. равный 1 лм/1 м 2 .

Яркость - поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению.

Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м 2).

Светимость (светность) - поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока к площади светящейся поверхности.

Единицей светимости является 1 лм/м 2 .

Единицы световых величин в международной системе единиц СИ (SI)

Примеры:

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК"
Под общей ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.
М.: Издательство МЭИ, 1998