Величина світла від лампи. Світло як фізичне явище
світло, Як і всі інші електромагнітні випромінювання, має властиві їм параметри. Однак у фізиці для світла визначені дещо інші величини ніж в радіоелектроніці. Дана стаття присвячена процесу усвідомлення подібних, але непорівнянних величин.
1. Частина перша.
Уявімо радіопередавач, наприклад, коротких хвиль. Він випромінює в ефір електромагнітні коливання потужність яких вимірюється в Ватах. Також ми знаємо що для того щоб цей радіопередавач працював йому необхідно електроживлення, що підводиться потужність якого також вимірюється в Ватах (1 Вт = 1 В * 1 А).
тепер про светодиоде. Точніше про його серцевині - кристалі закріпленому на висновках, або підкладці. Це і є той самий електромагнітний передавач, але працює в діапазоні світлових хвиль. Для того щоб він запрацював, йому необхідно електроживлення, потужність якого вимірюється в Ватах. А ось потужність його випромінювання фізики вимірюють в люменах і позначають символом Φ. І назвали вони цю потужність випромінювання світловим потоком. Запитайте чому? А чому потужність двигунів раніше вимірювали в кінських силах? Відповідь на це питання криється в суті сприйняття людським оком різних кольорів світлового випромінювання, а також наявності невидимого випромінювання. Оскільки це сприйняття дуже індивідуально, то було зручно ввести якісь незвичайні одиниці виміру. Але в даний час ми спостерігаємо картину, коли для деяких типів світлодіодів потужність випромінювання вказують також і в Ватах. Привітаємо позначені зрушення в бік більш знайомого сприйняття фізичних величин.
Таким чином первісної і найважливішою характеристикою світлодіода є світловий потік його кристала, вимірюваний в люменах. Саме цей параметр визначає якість і ціну світлодіода.
Це як в автомобілях - неможливо порівняти потужний «Камаз», який їздить відносно повільно, з малопотужної «Таврією», яка спокійно обганяє «Камаз». Головне - потужність, а швидкість досягається іншими методами, про що нижче.
Чи є залежність між Ватто і люмен. Є. Але вона нелінійно пов'язана з довжиною хвилі випромінювання. Таблиць і формул перекладу немає.
Як встановити цю залежність?
Конкретного светодиоду зі світловим потоком в I люменів відповідає потужність електромагнітного (видимого і невидимого) випромінювання P Вт, що визначається як різниця підводиться до светодиоду потужності (потужності електроживлення) і виділяється светодиодом теплової потужності (нагрівання) цього світлодіода (P = Pподв. - Pтепл.) . Так, це можна виміряти, але тільки в строгих лабораторних умовах.
2. Частина друга.
Що буде якщо радіопередавач забезпечити спрямованої антеною? Ми будемо чути його передачі голосніше. Цей параметр характеризується напруженістю електромагнітного поля. Можна таку ж антену застосувати і для радіоприймача (телевізора) і чутність також зросте (принцип оборотності).
А що буде якщо світлодіод забезпечити спрямованої антеною? Ми будемо бачити його яскравіше. Цей параметр названий освітленістю. Аналогічно на приймальній стороні можна поставити таку ж антену і стиснути весь видимий пучок світла в дуже яскраву крапку. Освітленість в ній досягне дуже великий величини.
Аналогія очевидна, тільки вид антен різний! У світлодіода роль спрямованої антени виконує його лінза - пластмаса, в яку запресований кристал.
Ці параметри залежать від відстані від приймача до джерела випромінювання (до передавача) і зменшуються в квадратичної залежності від цього відстані.
А ось об'ємний параметр сили спрямованого випромінювання, виявилося, зручно вимірювати іншими одиницями. Цікаво що для радіовипромінювання цей параметр не застосовують - він би вимірювався одиницею Ватт / стерадіан (Вт / ср). Ватт - це вже зрозуміло. А стерадіан - це просторовий кут. Щоб краще уявити просторовий кут досить взяти газету і згорнути з неї кульок, вирізує в просторі просторовий кут. Кульок може бути ширше або вже і кожному з них відповідає строго певний стереометрії (пам'ятаєте таку науку?) Просторовий кут.
Так ось продовжуючи нашу аналогію, для світла таким параметром буде люмен / стерадіан (лм / ср) і називається він Кандела (1 кд = 1 лм / 1 ср). Подібно «Таврії» і «КамАЗу» можна отримати більше кд при меншій кількості люменів, але тільки в меншому просторовому куті. У межі можна стиснути промінь на подобу лазерного променя з величезною силою світла при мізерній потужності, але ось кімнати цим променем НЕ висвітлити. Тому:
Кандела - це параметр щільності світлової енергії в обмеженому просторі. Кандела зручно вимірювати приладами, але вона зовсім не характеризує споживчу цінність світлодіода. Швидше це характеристика конкретного променя світла. А корисність цього променя визначає споживач світла.
На жаль, через зручності вимірювання, у фізиці Кандела визначили як основну величину, а люмен як похідну. Але для практичних розрахунків все виглядає навпаки.
3. Частина третя (більш спеціалізована)
Якщо мальованої светодиодом промінь направити на поверхню, то ми побачимо пляма яке має якусь площу S квадратних метрів. Якщо промінь має силу світла I кд його тілесний кут становить φ ср, тоді світловий потік променя складе Ф = Iφ люмен, а освітленість цієї поверхні в люксах буде
E = = cos α
А якщо поверхня нахилена по відношенню до променя на кут α, то формулу треба доповнити
E = cos α = cos α
Запитайте, а навіщо це? Уявіть, що вам необхідно підібрати світлодіод для настільної лампи. Ось тут і стане в нагоді ця формула, оскільки в санітарно-гігієнічних вимогах ви знайдете тільки один параметр - це мінімально необхідну освітленість робочого місця для даної професії. Всі інші параметри ви зможете визначити по цій формулі, звичайно ж, попередньо вималювати креслення розташування цієї лампи на столі. Тут ви побачите і необхідний плоский кут випромінювання світлодіода, за яким визначте просторовий кут, і відстань від лампи до столу, і кут нахилу поверхні, що освітлюється, а в кінцевому підсумку підберете світлодіод.
фотометричні одиниці (на початок сторінки)
Основна фотометрична одиниця.
Практична фотометрия починається з загальних питань: який спектральний склад випромінювання слід вважати найбільш природним, як порівнювати джерела випромінювання з різним спектральним складом і т. П. Очевидно, необхідно домовитися про якихось єдиних способах порівняння і визначення величин, які повинні характеризувати джерела випромінювання і умови освітлення.
Здавалося б, доцільно звернутися до сонячного світла, взявши його за зразок для порівняння. Однак таке поняття, як природне денне світло, насправді досить розпливчасто. Пора року, час доби, географічна широта, чистота атмосфери - всі ці фактори (і ще багато інших) в широких межах змінюють склад сонячного світла. Тому довелося створити штучний джерело світла, прийнятий в якості еталону.
Оскільки універсальним випромінювачем є абсолютно чорне тіло (АЧТ), його випромінювання і прийнято в якості еталонного. Температура, при якій має перебувати випромінює тіло, фіксується з якомога більшою точністю, так як випромінююча здатність дуже сильно залежить від температури.
Основний фотометрической одиницею, що входить в число основних одиниць СІ, встановлюється одиниця сили світла кандела - сила світла, що випускається з1 / 600000 кв.м. площі перетину повного випромінювача в перпендикулярному цьому перетину напрямку при температурі випромінювача, що дорівнює температурі затвердіння платини при тиску 101325 Па. Застосовувалося раніше міжнародна свічка становить 1,005 кд. На основі кандели визначаються інші фотометричні одиниці.
Сила світла, світловий потік, освітленість.
Сила світла є відношення світлового потоку, що поширюється від джерела в цьому напрямку всередині малого тілесного кута, до цього тілесного кута. У зв'язку з тим, що сила світла є основною одиницею, в формулах розмірності з'являється її символ I.
Світловий потік є твір сили світла на тілесний кут, в якому поширюється потік.
Ф = I O
За одиницю світлового потоку приймається люмен (лм) - потік всередині тілесного кута в один стерадіан при силі світла в одну Кандела. (Згадаймо, що стерадіан - такий тілесний кут, який вирізає на поверхні сфери майданчик, рівну квадрату радіуса цієї сфери.) Оскільки тілесний кут не має розмірності, розмірності світлового потоку і сили світла збігаються.
Освітленість є відношення світлового потоку, що падає на малу ділянку поверхні, до площі цієї ділянки:
E = Ф / S
Одиниця освітленості люкс (лк) - освітленість поверхні, на кожен квадратний метр якої падає світловий потік в один люмен.
Якщо поверхня висвітлюється джерелом світла силою I кд, розташованим на відстані r, то
E = (I cos a) / r2
де а - кут між напрямком поширення світла і нормаллю до освітлюваної поверхні.
Яскравість.
Це, ймовірно, найбільш уживане поняття в фотометрії, але в той же час з ним пов'язано і багато непорозумінь: по-перше, через двоякого сенсу терміна яскравість і, по-друге, через наявність двох визначень і двох одиниць виміру цієї величини. Фотометрична яскравість - цілком об'єктивне поняття, що означає міру світлової енергії, сприйнятої певним детектором. Воно не тотожне суб'єктивного поняттю "сприймається яскравість" - в залежності від умов різні спостерігачі можуть приписати неоднакові значення яскравості одного й того ж кількості світлової енергії.
Фотометрична яскравість Lv - відношення світлового потоку, що проходить в цьому напрямку в межах малого тілесного кута dw через ділянку поверхні dS, до твору цього тілесного кута, площі ділянки і косинуса кута між розглянутим напрямом і нормаллю до ділянки O:
Lv = dФ dФ / dw dS cosO
Сприймається яскравість (іноді вживається термін психологічна), пов'язана з рівнем зовнішнього засвічення і зростаюча з ростом останньої, - це відчуття основного рівня яскравості. Про сприймається яскравості кажуть, коли око сприймає світло тільки від ізольованого джерела (оцінки - "тьмяний", "сліпуче").
Одиниця яскравості СІ кандела на квадратний метр (кд / м2) - яскравість джерела, кожен квадратний метр поверхні, що випромінює якого має в даному напрямку силу світла дорівнює одній кандела.
Часто при вимірах яскравості вживається термін ламбертовская поверхню. Особливістю такої математично ідеалізованої поверхні є характер залежності сили світла від напрямку його випромінювання. Ця залежність підпорядковується закону косинуса
I = Io cosO
Ламбертовская поверхню має однакову в будь-якому напрямку яскравістю. Цей на перший погляд дивний результат пояснюється наступним чином: якщо світло від поверхні сприймається в напрямку, відмінному від нормального, то спостережуваний ділянку з кола перетворюється в еліпс, а його площа зростає в 1 / л раз, але зростання спостерігається площі в точності компенсує зниження інтенсивності випромінюваного світла. До ламбертовской поверхні близька, наприклад, поверхня білого паперу.
На закінчення відзначимо, що в природі яскравість розрізняється в колосальних межах: яскравість поверхні Сонця оцінюється в 109кд / м2, в той час як яскравість білого паперу освітленій світлом Місяця, не перевищує 0,03 кд / м2.
Треба відзначити, що в ряді випадків яскравість не є визначальним параметром. Особливо це стосується випромінювачів з малою поверхнею, в основному світлодіодів. Дійсно, уявімо два світлодіода з однаковою яскравістю але різними розмірами світиться поверхні. За допомогою оптичної системи спостерігаються випромінюють поверхні можна зрівняти, і виявиться, що світлодіод з більшою випромінює площею виявиться яскравіше іншого в - I1 / I2 раз. Тому в таких випадках більш об'єктивним параметром є сила світла, а не яскравість. Розглянутим фотоелектричним одиницям відповідають такі енергетичні одиниці: світлового потоку - потік випромінювання Фе, виражений у ВАТ; освітленості - енергетична освітленість Її (Вт / м2); силі світла - енергетична сила світла (сила випромінювання) Iе (Вт / ср); яскравості - енергетична яскравість Le, (Вт / (м2.ср)).
колориметричні параметри на початок сторінки)
Колір будь-якої відбиває або поверхні, що випромінює характеризується колірним фоном, його насиченістю (ступенем відзнаки від білого кольору) і яскравістю або светлотой. Перші дві величини визначають кольоровість випромінювання. Основний прийом для кількісного оцінювання кольору полягає у встановленні абсолютних значень і відносних співвідношень потужностей (або яскравості) трьох стандартизованих вузькосмугових випромінювань, які при спільному впливі викликають таке ж фізіологічне відчуття в оці, що і даний колір.
В якості основних кольорів МКО прийняті спектрально чисті кольори трьох монохроматичних випромінювань R, G і B з довжинами хвиль LR = 700 нм (червоний), LG = 546,1 (зелений) і LB - 435,8 (синій), які по потужності знаходяться в співвідношенні R: G: B = 1: 0,091: 0,0138. Будь-який колір F визначається основним співвідношенням колориметрии:
F = r "R + g" G + b "В,
де r ", g" і b "- координати кольору (або колірні координати) зумовлюють частку відповідного кольору.
Більш зручною для опису кольорів є система, в якій основні кольори X, Y і Z не є реальними, але дозволяють визначати колір за допомогою такого ж рівняння:
F = x "X + y" Y + z "Z
Для характеристики тільки кольоровості координати кольору x ", y", z "замінюються нормованими координатами кольоровості:
x = x "/ (x" + y "+ z")
y = y "/ (x" + y "+ z")
z = z "/ (x" + y "+ z")
Таким чином, кольоровість F "кольору F виражається рівнянням:
F "= xX + yY + zZ
Оскільки х + у + z = 1, то незалежними є тільки дві координати (зазвичай вибирають х і у). Тоді кольоровість можна уявити точкою на площині (рис. Графік кольоровості). Як видно, кольоровість визначається напрямом вектора F в колірному просторі, а не абсолютною величиною, яка при сталості відносного спектрального складу випромінювання служить для оцінювання яскравості об'єкта.
Графік кольоровості
Тон і насиченість.
Тон зазвичай характеризують домінуючою довжиною хвилі Lg визначення якої для даного кольору F очевидно з рис. Графік кольоровості.
Тон також можна описати якісно, найменуванням зони колірного графіка, в якій розташовується точка кольоровості F ".
Насиченість кольору характеризує ступінь, рівень, силу виразу тон кольору і визначається чистотою кольору - відносним значенням енергії монохроматичного випромінювання, яке в суміші з білим випромінюванням відтворює аналізований колір. На рис. Графік кольоровості це відносне видалення точки F "
Від точки E на прямий ЕLg, EF "/ ELе.
Найбільшою насиченістю володіють спектрально-чисті кольори, найменшою - ахроматичні, сірі кольори. Специфічним поняттям є і додаткові кольори - два кольори, які в суміші можуть дати білий колір. На Графік кольоровості вони відповідають точкам перетину кривої спектрально-чистих кольорів і прямої, що проходить через точку Е. Крива спектрально-чистих кольорів - незамкнута крива
лінія, що з'єднує її кінці, є лінія пурпурних цветностей, одержуваних штучно шляхом змішування червоного і фіолетового кольорів. Частина кривої в червоно-зеленій області являє собою практично пряму лінію. Це означає що при будь-якому змішуванні спектральних квітів з цієї області результуючий колір має 100% -ву чистоту. Для отримання ненасичених зелено-червоних квітів обов'язково потрібна добавка синього кольору. Взагалі ж все різноманіття реальних квітів лежить всередині кривої на Графіку кольоровості; точки поза її характеризують нереальні кольору.
Передача кольору. Індекс передачі кольору. на початок сторінки)
Характеристика кольору лампи описує, наскільки натурально виглядають навколишні нас предмети в світлі цієї лампи. Виявом цього є загальний індекс передачі кольору Ra. Для визначення величини Ra, з навколишнього середовища вибирають 8 тестових квітів, які висвітлюються тестируемой лампою, а потім стандартної лампою, що має таку ж колірну температуру (від температури "чорного тіла" до денної). Чим менше різниця в перенесенні кольорів між тестовими квітами, тим краще перенесення кольорів досліджуваної лампи. Максимальне значення Ra становить 100 (як середнє для 8-ми тестових квітів).
Залежно від місця установки лампи і виконуваної ними завдання штучне світло повинен забезпечувати можливість найбільш кращого сприйняття кольору (як при природному денному світлі). Дана можливість визначається характеристиками кольору джерела світла, які виражаються за допомогою загального індексу передачі кольору Ra.
Коефіцієнт передачі кольору відображає рівень відповідності природного кольору тіла з видимим кольором цього тіла при висвітленні його еталонним джерелом світла
Для порівняння з розглянутими джерелами світла фіксується зсув кольору за допомогою 8 (або 14) зазначених в DIN 6169 стандартних еталонних кольорів, який спостерігається при напрямку світла тестованого або еталонного джерела світла на ці еталонні кольору. Чим менше відхилення кольору випромінюваного тестованої лампою світла від еталонних кольорів, тим краще характеристики передачі кольору цієї лампи. Джерело світла з показником кольору Ra = 100 випромінює світло, оптимально відображає всі кольори, як світло еталонного джерела світла. Чим нижче значення Ra, тим гірше передаються кольори освітлюваного об'єкта. Характеристика кольору Ступінь кольору Коефіцієнт світлопередачі
Ra Приклади ламп
дуже добре 1A\u003e 90 Галогенні лампи;
люмінесцентні лампи LUMILUX DE LUXE;
HQI ... / D
добре 1B 80 - 89 Люмінесцентні лампи LUMILUX;
HQI ... / NDL або WDL
добре 2A 70 - 79 Стандартні люмінесцентні лампи 10 і 25
добре 2B 60 - 69 Стандартні люмінесцентні лампи 30
досить 3 40 - 59 HQL
недостатньо 4\u003e 39 Натрієві газорозрядні лампи високого і низького тиску
Тестовані кольору:
R1 Колір зів'ялої троянди
R2 Гірчичний
R3 Салатовий
R4 Світло-зелений
R5 Бірюзовий
R6 Небесно-блакитний
R7 Колір фіолетовою айстри
R8 Бузковий
Додаткові тестовані кольору з насиченими фарбами:
R9 Червоний R12 Синій
R10 Жовтий R13 Колір шкіри
R11 Зелений R14 Колір зеленого листа
R12 Синій
R13 Колір шкіри
R14 Колір зеленого листа
глава сьома
ОСВІТЛЕННЯ ВИРОБНИЧИХ ПРИМІЩЕНЬ
7.1. Основні поняття світлотехніки. Світловий потік, сила світла, освітленість, яскравість світної поверхні, коефіцієнт відбиття світла.
Для нормальної життєдіяльності людини, особливо в умовах виробництва, важливу роль відіграє якість освітлення. Погано освітлені небезпечні зони, сліпучі джерела світла, різкі тіні від предметів і обладнання погіршують орієнтацію працюють, внаслідок чого не виключена можливість травмування. Недостатнє або неправильне освітлення робочих місць і всієї робочої зони викликає передчасне стомлення людини, може бути причиною не тільки зниження продуктивності праці, а й нещасного випадку. Неправильно обрані при проектуванні електричного освітлення освітлювальні прилади, а також порушення вимог глави «Електричне освітлення» Правил технічної експлуатації електроустановок можуть бути причиною пожежі, вибуху та інших аварій на виробництві.
Освітлення виробничих приміщень і робочих місць може бути природним 1, штучним і поєднаним.
1 Розрахунок природного освітлення в основному зводиться до визначення площі світлових прорізів (вікон) в приміщенні згідно з вказівками СНиП II 4-79 «Природне і штучне освітлення. Норми проектування ».
Природний (сонячний) світло позитивно впливає на зір і в цілому на організм людини. Тому всі приміщення відповідно до санітарних норм проектування промислових підприємств СН 245-71, як правило, повинні мати природне освітлення.
Штучне освітлення здійснюється за допомогою електричних джерел світла - ламп розжарювання, люмінесцентних чи інших газорозрядних ламп.
Основними величинами, що характеризують видиме світло, є світловий потік джерела світла, сила світла, освітленість, яскравість світної поверхні, коефіцієнт відбиття світла.
Світловий потік Φ - це потужність світлової енергії, що оцінюється по світловому відчуттю, сприймається зоровим органом людини. Одиницею виміру світлового потоку є люмен(Лм). Про цю одиниці можна судити з прикладу, що світловий потік лампи розжарювання потужністю (споживаної з електромережі) 25 Вт при напрузі 220 В становить близько 200 лм.
Сила світла характеризує його інтенсивність в різних точках освітлюється простору. Сила світла дорівнює відношенню світлового потоку до тілесного кута ω, в межах якого світловий потік рівномірно розподілений: I = Φ / ω. За одиницю сили світла прийнята кандела(Кд), що визначається еталонним джерелом світла. Таким чином, люмен є світловий потік, що випускається точковим джерелом світла в тілесному (просторовому) вугіллі в один стерадіан (ст) при силі світла в 1 кд.
Освітленість (Е) - поверхнева щільність падаючого на дану поверхню світлового потоку, вимірюється в люксах (лк), т. Е. E = Φ / S; 1 лк дорівнює 1 лм / м 2.
Яскравість L - світлова величина, безпосередньо сприймається оком, вона визначається значенням сили світла, випромінюваного з одиниці площі поверхні в заданому напрямку під кутом α, де L = Iρ / S, ρ- коефіцієнт відбиття поверхні, ρ = Φ отр / Φ пад, т . е. дорівнює відношенню світлового потоку, відбитого від поверхні, до падаючого на неї світлового потоку.
Повний світловий потік характеризує випромінювання, яке поширюється від джерела в усіх напрямках. Для практичних же цілей часто важливіше знати не повний світловий потік, а той потік, який йде за певним напрямом або падає на певну майданчик. Так, наприклад, автомобілісту важливо отримати досить великий світловий потік в порівняно вузькому тілесному куті, всередині якого знаходиться невелика ділянка шосе. Для працюючого за письмовим столом важливий той потік, який висвітлює стіл або навіть частина столу, зошит або книгу, т. Е. Потік, який припадає на деяку площу. Відповідно до цього встановлено два допоміжних поняття - сила світла і освітленість.
Силою світла називають світловий потік, розрахований на тілесний кут, рівний стерадіану, т. Е. Ставлення світлового потоку, укладеного всередині тілесного кута, до цього кутку:
Освітленість ж є світловий потік, розрахований на одиницю площі, т. Е. Ставлення світлового потоку, що падає на площу, до цієї площі:
Зрозуміло, що формули (70.1) і (70.2) визначають середню силу світла і середню освітленість. Вони будуть тим ближче до істинних, ніж рівномірніше потік або чим менше і.
Очевидно, що за допомогою джерела, що посилає певний світловий потік, ми можемо здійснити вельми різноманітну силу світла і вельми різноманітну освітленість. Дійсно, якщо направити весь потік або більшу його частину всередину малого тілесного кута, то в напрямку, виділеному цим кутом, можна отримати дуже велику силу світла. Так, наприклад, в прожекторах вдається зосередити більшу частину потоку, що посилається електричною дугою, в дуже малому тілесному куті і отримати у відповідному напрямку величезну силу світла. У меншій мірі тієї ж мети досягають за допомогою автомобільних фар. Якщо сконцентрувати за допомогою відбивачів або лінз світловий потік від будь-якого джерела на невеликій площі, то можна досягти великої освітленості. Так надходять, наприклад, прагнучи сильно висвітлити препарат, що розглядається в мікроскоп; аналогічне призначення виконує рефлектор лампи, що забезпечує хорошу освітленість робочого місця.
Відповідно до формули (70.1) світловий потік дорівнює добутку сили світла на тілесний кут, в якому він поширюється:
Якщо тілесний кут, т. Е. Промені строго паралельні, то світловий потік також дорівнює нулю. Це означає, що строго паралельний пучок світлових променів не несе ніякої енергії, т. Е. Не має фізичного сенсу, - ні в одному реальному досвіді не може бути здійснений строго паралельний пучок. Це - чисто геометричне поняття. Проте паралельними пучками променів дуже широко користуються в оптиці. Справа в тому, що невеликі відступи від паралельності світлових променів, які мають з енергетичної точки зору принципове значення, в питаннях, пов'язаних з проходженням світлових променів через оптичні системи, Практично не грають ніякої ролі. Наприклад, кути, під якими промені від віддаленої зірки потрапляють в наше око або телескоп, настільки малі, що вони навіть не можуть бути виміряні існуючими методами; практично ці промені не відрізняються від паралельних. Однак ці кути все ж не рівні нулю, і саме завдяки цьому ми і бачимо зірку. Останнім часом світлові пучки з дуже гострою спрямованістю, т. Е. З дуже малою расходимостью світлових променів, отримують за допомогою лазерів (див. § 205). Однак і в цьому випадку кути між променями мають кінцеве значення.