Световой поток. Освещенность. Яркость

Одним из видов энергии встречающихся в природе является лучистая энергия. Лучистая энергия распространяется в виде электромагнитных колебаний. В зависимости от длины волны колебаний различают различные виды лучистой энергии (рис.2.1).

 

Рис.2.1 Виды лучистой энергии

Единицей измерения лучистой энергии (W) является джоуль. Мощность лучистой энергии (P) называется лучистым потоком: и измеряется в ваттах. По своему спектральному составу лучистый поток может быть однородным (монохроматическим) и сложным (немонохроматическим). В однородном потоке присутствуют электромагнитные колебания одной длины волны () или узкого интервала длин волн (), например, натриевая лампа
излучает практически всю энергию в диапазоне Для сложного потока характерно излучение на различных длинах волн. На рис.2.2 представлено распределение в относительных единицах энергии излучения различных источников. Спектр тепловых источников: солнца, лампы накаливания является сплошным, газоразрядной ртутной лампы – линейчатым.

Рис.2.2

Человеческий глаз воспринимает только часть электромагнитного спектра, видимое излучение занимает участок с длинами волн от 380нм (фиолетовый цвет) до 760нм (красный цвет). Чувствительность глаза к различным излучением видимой области спектра неодинакова. Человеческий глаз при дневном освещении имеет наибольшую чувствительность к излучению с длинной волны , что соответствует желто-зеленому цвету. На границах видимого диапазона чувствительность глаза равна нулю.

Если спектральную чувствительность глаза при длине волны обозначить υ₀ и принять за единицу, а спектральную чувствительность глаза при длине волны υ_𝝀, то величина К_𝝀= называется относительной видностью однородных излучений.

Чувствительность глаза к однородным излучениям при дневном и сумеречном освещении различна, что показано на рис.2.3.

Световое воздействие на глаз будет зависеть от мощности источника однородного излучения и относительной видности данной длины волны. Мерой светового воздействия является величина, называемая световой поток однородного излучения F_𝝀.

Рис.2.3

F_𝝀=сP_𝝀K_λ,

где: P_𝝀 – мощность однородного излучения с длинной волны ; с – постоянный множитель, зависящий от выбора единиц светового и лучистого потоков.

Таким образом, под световым потоком понимают лучистый поток, оцениваемый по световому ощущению, который он производит.

Для источников с немонохроматическим излучением световой поток F определяется следующим образом:

где - спектральная плотность светового потока.

Единицей светового потока в соответствии с международным соглашением принят люмен (лм). Световой поток в 1 лм эквивалентен лучистому потоку однородного излучения с длиной волны равному 1/638 Вт, следовательно, с=638. Световой поток является основной величиной в светотехнике.

Световой поток характеризует общую световую мощность излучения, большинство источников излучает свет в пространство неравномерно, поэтому важна пространственная характеристика излучения – пространственная плотность светового потока в определенном направлении (телесном угле). Пространственная плотность светового потока называется силой света, и измеряется в канделах (кд)

I=

где: I – сила света, кд; – телесный угол – стерадиан (ср).

Источники света, обладающие равномерным излучением во всех направлениях и имеющие очень незначительные размеры по сравнению с расстоянием на котором их наблюдают, называются точечными источниками света.

Для оценки условий освещения пользуются понятием поверхностной плотности падающего светового потока, т.е. отношением светового потока к площади (S) освещаемой им поверхности. Эта величина называется освещенностью (E). Освещенность измеряется в люксах (лк).

E= .

Освещенность площадки площадью 𝚍S точечным источником I_𝛼,

Рис.2.4

удаленным на расстояние ℓ от её поверхности, можно определить из рис. 2.4. Здесь угол 𝛼 это угол между направлением на источник и нормалью к поверхности N.

Е= =

Телесный угол 𝚍𝜔, под которым наблюдается элемент поверхности 𝚍S₁, будет равен:

𝚍𝜔=

где элемент 𝚍S₁ представляет собой проекцию площадки 𝚍S на поверхность перпендикулярную направлению к источнику света I_𝛼, откуда

Е=

Эта зависимость освещенности от силы света носит название закона квадратов расстояний и показывает, что освещенность в данной точке пропорциональна силе света и косинусу угла падения света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности. Данная формула справедлива для точечных источников, когда их размеры в 5-10 раз меньше расстояния до освещаемого объекта.

В частном случае, если направление источника света совпадает с нормалью освещаемой поверхности, можно записать:

E= .

Освещенность земной поверхности может меняться в очень большом диапазоне, так освещенность во время безлунной ночи составляет 0,00002 лк, при полной луне - 0,2 лк, в солнечный полдень – 100000 лк.

Человек воспринимает окружающие предметы, если испускаемый ими или отраженный от них световой поток попадает в глаз наблюдателя, причем, чем большую силу света излучает каждый элемент поверхности, тем более яркой воспринимается поверхность.

Яркость (B_𝛼) элемента (𝚍S) светящейся поверхности в каком-либо направлении называется отношение силы света (𝚍I_𝛼), испускаемой элементарной поверхностью в данном направлении, к проекции (𝚍S_𝛼) элементарной светящееся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению.

B_𝛼=

В этом выражении 𝛼 – угол между направлением силы света I_𝛼 и нормалью к светящейся поверхности.

Если светящаяся поверхность S имеет конечную величину, то средняя яркость этой поверхности в каком-либо направлении (𝛼) будет пропорциональна силе света I_𝛼, излучаемой в этом направлении и обратно пропорциональна площади проекции поверхности на плоскость перпендикулярную данному направлению.

B_𝛼= .

Единицей яркости служит нит (нт), равный яркости равномерно светящейся плоскости, излучающей в перпендикулярном к ней направлении свет силой в 1 свечу с одного квадратного метра. Яркость светящейся поверхности не зависит от расстояния на котором она рассматривается.

Яркость снега при свете полной луны равна 5 10^-2 нт, а снега при свете солнца в полдень 2,5-3,0 10⁴ нт, яркость самого солнца - 15-20 10⁸ нт. Яркость вольфрамовой нити лампы накаливания составляет 45-100 10⁸ нт.