Spørgsmål 2. Fotometriske størrelser og deres enheder.

Fotometri er en gren af ​​optik, der beskæftiger sig med måling af energikarakteristika optisk stråling i processerne af distribution og interaktion med materien. Fotometri bruger energimængder, der karakteriserer energiparametrene for optisk stråling, uanset dens effekt på strålingsmodtagere, og bruger også lette mængder, som karakteriserer lysets fysiologiske virkninger og vurderes ud fra deres virkning på menneskelige øjne eller andre modtagere.

Energimængder.

Energi flowF e – mængde numerisk lig med energi W stråling, der passerer gennem et snit vinkelret på retningen af ​​energioverførsel pr. tidsenhed

F e = W/ t, watt (W).

Energiflow svarer til energikraft.

Udsendt energi reel kilde ind i det omgivende rum, fordelt over dets overflade.

Energisk lysstyrke(emissionsevne) R e – strålingseffekt pr. overfladeenhed i alle retninger:

R e = F e/ S, (W/m 2),

de der. repræsenterer overfladedensitet strålingsflux.

Lysets energikraft (strålingsstyrke) jeg e bestemmes ved hjælp af konceptet om en punktlyskilde - en kilde, hvis dimensioner, sammenlignet med afstanden til observationsstedet, kan negligeres. Lysets energikraft jeg e værdi, lig med forholdet strålingsflux F e kilde til rumvinkel ω , inden for hvilken denne stråling udbreder sig:

jeg e = F e/ ω , (W/ons) - watt pr steradian.

En rumvinkel er en del af rummet begrænset af en bestemt konisk overflade. Særlige tilfælde af solide vinkler er trihedriske og polyedriske vinkler. Solid vinkel ω målt ved arealforhold S den del af kuglen, der er centreret i toppunktet konisk overflade, som skæres af denne rumvinkel, til kvadratet af kuglens radius, dvs. ω = S/r 2. En komplet kugle danner en rumvinkel lig med 4π steradianer, dvs. ω = 4π r 2 /r 2 = 4π ons.

En kildes lysstyrke afhænger ofte af strålingens retning. Hvis det ikke afhænger af strålingsretningen, så kaldes en sådan kilde isotropisk. For en isotrop kilde er lysstyrken

jeg e = F e/4π.

I tilfælde af en udvidet kilde kan vi tale om lysstyrken af ​​et element af dets overflade dS.

Energilysstyrke (udstråling) I e – værdi lig med forholdet mellem lysets energiintensitet Δ jeg e element af den udstrålende overflade til området ΔS projektion af dette element på et plan vinkelret på observationsretningen:

I e = Δ jeg e/A S. [(W/(gns.m 2)].

Energibelysningsstyrke (bestråling) E e karakteriserer graden af ​​belysning af overfladen og er lig med mængden af ​​strålingsflux fra alle retninger, der falder ind på en enhed af belyst overflade ( W/m 2).

I fotometri bruges loven omvendte firkanter(Keplers lov): belysning af et plan fra en vinkelret retning fra en punktkilde med kraft jeg e på afstand r det er lig med:

E e = jeg e/ r 2 .

Afvigelse af en stråle af optisk stråling fra vinkelret på overfladen med en vinkel α fører til et fald i belysningen (Lamberts lov):

E e = jegøkos α /r 2 .

Vigtig rolle Ved måling af strålingens energikarakteristika spiller den tidsmæssige og spektrale fordeling af dens kraft en rolle. Hvis varigheden af ​​optisk stråling er mindre end observationstiden, betragtes strålingen som pulserende, og hvis den er længere, anses den for at være kontinuerlig. Kilder kan udsende stråling med forskellige bølgelængder. Derfor bruges i praksis begrebet strålingsspektrum - fordelingen af ​​strålingseffekt langs bølgelængdeskalaen λ (eller frekvenser). Næsten alle kilder udsender forskelligt i forskellige dele af spektret.

For et uendeligt lille bølgelængdeinterval dλ værdien af ​​enhver fotometrisk størrelse kan indstilles ved hjælp af dens spektral tæthed. For eksempel spektral tæthed energisk lysstyrke

R eλ = dW/dλ,

Hvor dW– energi udsendt fra en enhed overfladeareal pr. tidsenhed i bølgelængdeområdet fra λ Før λ + dλ.

Lette mængder. Til optiske målinger bruges forskellige strålingsmodtagere, spektrale egenskaber hvis følsomhed over for lys af forskellige bølgelængder er forskellig. Den spektrale følsomhed af en optisk strålingsfotodetektor er forholdet mellem den mængde, der karakteriserer niveauet af modtagerens reaktion på fluxen eller energien af ​​monokromatisk stråling, der forårsager denne reaktion. Der er absolut spektral følsomhed udtrykt i navngivne enheder (f.eks. EN/W, hvis modtagerens respons måles i EN), og dimensionsløs relativ spektral følsomhed - forholdet mellem den spektrale følsomhed ved en given strålingsbølgelængde og den maksimale værdi af spektral følsomhed eller til den spektrale følsomhed ved en bestemt bølgelængde.

Den spektrale følsomhed af en fotodetektor afhænger kun af dens egenskaber; den er forskellig for forskellige modtagere. Relativ spektral følsomhed af det menneskelige øje V(λ ) er vist i fig. 5.3.

Øjet er mest følsomt over for stråling med en bølgelængde λ =555 nm. Fungere V(λ ) for denne bølgelængde tages lig med enhed.

Med samme energiflux viser den visuelt vurderede lysintensitet for andre bølgelængder at være mindre. Den relative spektrale følsomhed af det menneskelige øje for disse bølgelængder er mindre end enhed. For eksempel betyder værdien af ​​funktionen, at lys med en given bølgelængde skal have en energifluxtæthed, der er 2 gange større end lyset for hvilket, for at de visuelle fornemmelser skal være de samme.

Systemet med lysmængder introduceres under hensyntagen til det menneskelige øjes relative spektrale følsomhed. Derfor lysmålinger, idet de er subjektive, adskiller sig fra objektive, energiske, og lysenheder introduceres for dem, kun brugt til synligt lys. Den grundlæggende lysenhed i SI-systemet er lysstyrke - candela (cd), som er lig med intensiteten af ​​lys i en given retning af en kilde, der udsender monokromatisk stråling med en frekvens på 5,4 10 14 Hz, energisk kraft lys i denne retning er 1/683 W/sr. Alle andre lysmængder er udtrykt i candela.

Definitionen af ​​lysenheder svarer til energienheder. Brug for at måle lysmængder specielle teknikker og instrumenter – fotometre.

Let flow . Enhed lysstrøm er lumen (lm). Det er lig med den lysstrøm, der udsendes af en isotrop lyskilde med en intensitet på 1 cd inden for en rumvinkel på én steradian (med ensartethed af strålingsfeltet inden for rumvinklen):

1 lm = 1 cd·1 ons.

Det er eksperimentelt blevet fastslået, at en lysstrøm på 1 lm genereret af stråling med en bølgelængde λ = 555nm svarer til et energiflow på 0,00146 W. Lysstrøm i 1 lm, dannet af stråling med en anden bølgelængde λ , svarer til energistrømmen

F e = 0,00146/ V(λ ), W,

de der. 1 lm = 0,00146 W.

Belysning E- en værdi i forhold til lysstrømsforholdet F falder på overfladen, til området S denne overflade:

E = F/S, luksus (Okay).

1 Okay– overfladebelysning, pr m 2, hvoraf lysstrømmen falder til 1 lm (1Okay = 1 lm/m 2). Til måling af belysning bruges instrumenter, der måler fluxen af ​​optisk stråling fra alle retninger - luxmeter.

Lysstyrke R C (lysstyrke) af en lysende overflade i en bestemt retning φ er en størrelse svarende til forholdet mellem lysstyrke jeg i denne retning til pladsen S projektion af en lysende overflade på et plan vinkelret på denne retning:

R C= jeg/(S cos φ ), (cd/m 2).

I almindelig sag Lysstyrken af ​​lyskilder er forskellig for forskellige retninger. Kilder, hvis lysstyrke er den samme i alle retninger, kaldes Lambertian eller cosinus, da den lysstrøm, der udsendes af overfladeelementet af en sådan kilde, er proportional med cosφ. Kun en absolut sort krop opfylder strengt denne betingelse.

Ethvert fotometer med en begrænset betragtningsvinkel er i bund og grund en lysstyrkemåler. Måling af den spektrale og rumlige fordeling af lysstyrke og irradians gør det muligt at beregne alle andre fotometriske størrelser ved integration.

Kontrolspørgsmål:

1. Hvad er det? fysisk betydning absolut indikator

brydning af mediet?

2. Hvad er relativ indikator brydning?

3. Under hvilke forhold observeres det? total refleksion?

4. Hvad er driftsprincippet for lysledere?

5. Hvad er Fermats princip?

6. Hvordan adskiller energi- og lysmængder sig i fotometri?

Til at vurdere energien af ​​stråling og dens effekt på strålingsmodtagere, som omfatter fotoelektriske enheder, anvendes termiske og fotokemiske modtagere samt øjet, energi og lysmængder.

Energimængder er karakteristika for optisk stråling relateret til hele det optiske område.

Øje i lang tid var den eneste modtager af optisk stråling. Derfor er det historisk sket, at for høj kvalitet og kvantificering I den synlige del af strålingen anvendes lys (fotometriske) mængder, der er proportionale med de tilsvarende energimængder.

Konceptet med strålingsflux relateret til hele det optiske område blev givet ovenfor. Den mængde, der i systemet af lysmængder svarer til strålingsfluxen,

er lysstrømmen Ф, dvs. strålingseffekten estimeret af en standard fotometrisk observatør.

Lad os overveje lysmængder og deres enheder, og derefter finde sammenhængen mellem disse mængder og energimængder.

At vurdere to kilder synlig stråling deres luminescens i retning af samme overflade sammenlignes. Hvis gløden fra en kilde tages som enhed, så får vi ved at sammenligne gløden fra den anden kilde med den første en værdi kaldet lysstyrke.

I Internationalt system SI-enheder for enheden for lysstyrke er candelaen, hvis definition blev godkendt af XVI General Conference (1979).

Candela er lysstyrken i en given retning af en kilde, der udsender monokromatisk stråling med en frekvens på Hz, hvis energetiske lysstyrke i denne retning er

Lysstyrke eller vinkeltæthed af lysstrøm,

hvor er lysstrømmen i en bestemt retning inde i rumvinklen

En rumvinkel er en del af rummet begrænset af en vilkårlig konisk overflade. Hvis vi beskriver en kugle fra toppen af ​​denne overflade som fra midten, så vil arealet af kugleafsnittet afskåret af den koniske overflade (fig. 85) være proportionalt med kvadratet af kuglens radius:

Proportionalitetskoefficienten er værdien af ​​rumvinklen.

Enheden for rumvinkel er steradianen, som er lig med rumvinklen med dets toppunkt i midten af ​​kuglen, der skærer området ud på kuglens overflade, lig med arealet firkantet med side lig med radius kugler. En komplet kugle danner en solid vinkel

Ris. 85. Solid vinkel

Ris. 86. Udstråling i rumvinkel

Hvis strålingskilden er placeret i toppunktet af en ret cirkulær kegle, så er den rumvinkel, der er allokeret i rummet, begrænset af det indre hulrum af denne koniske overflade. Ved at kende værdien af ​​planvinklen mellem aksen og generatrixen af ​​den koniske overflade, kan vi bestemme den tilsvarende rumvinkel.

Lad os i rumvinklen vælge en uendelig lille vinkel, der skærer et uendeligt smalt ringformet snit ud på kuglen (fig. 86). Dette tilfælde refererer til den mest almindelige aksesymmetriske lysstyrkefordeling.

Arealet af den ringformede sektion er hvor afstanden fra keglens akse til den smalle ringbredde

Ifølge fig. hvor er kuglens radius.

Derfor hvor

Massiv vinkel svarende til en plan vinkel

For en halvkugle er rumvinklen for en kugle -

Af formel (160) følger, at lysstrømmen

Hvis lysets intensitet ikke ændres, når man bevæger sig fra en retning til en anden, så

Faktisk, hvis en lyskilde med lysintensitet er placeret i toppunktet af en rumvinkel, så ankommer den samme lysstrøm til ethvert område, der er begrænset af en konisk overflade, der adskiller denne rumvinkel i rummet. Lad os tage de angivne områder i formen af sektioner af koncentriske kugler med centrum i spidsen af ​​rumvinklen. Så er, som erfaringen viser, graden af ​​belysning af disse områder omvendt proportional med kvadraterne af radierne af disse kugler og direkte proportional med størrelsen af ​​områderne.

Således gælder følgende lighed: dvs. formel (165).

Den givne begrundelse for formel (165) er kun gyldig i det tilfælde, hvor afstanden mellem lyskilden og det oplyste område er tilstrækkelig stor i forhold til kildens størrelse, og når mediet mellem kilden og det oplyste område ikke absorberer eller sprede lysenergi.

Enheden for lysstrøm er lumen (lm), som er fluxen inden for en rumvinkel, når lysstyrken af ​​en kilde placeret i topvinklen er lig med

Belysningen af ​​området normalt på de indfaldende stråler bestemmes af forholdet kaldet belysningsstyrke E:

Formel (166) såvel som formel (165) foregår under den betingelse, at lysintensiteten I ikke ændres, når man bevæger sig fra en retning til en anden inden for en given rumvinkel. I Ellers denne formel vil kun være gyldig for et uendeligt lille område

Hvis de indfaldende stråler danner vinkler med normalen til det oplyste område, vil formlerne (166) og (167) ændre sig, da det oplyste område vil stige. Som et resultat får vi:

Når stedet er oplyst af flere kilder, vil dets belysning

hvor antallet af strålingskilder, dvs. den samlede belysning er lig med summen af ​​belysningen modtaget af stedet fra hver kilde.

Belysningsenheden anses for at være belysningen af ​​stedet, når en lysstrøm falder på den (stedet er normalt for de indfaldende stråler). Denne enhed kaldes luksus

Hvis dimensionerne af strålingskilden ikke kan forsømmes, er det for at løse en række problemer nødvendigt at kende fordelingen af ​​lysstrømmen af ​​denne kilde over dens overflade. Forholdet mellem lysstrømmen fra et overfladeelement og arealet af dette element kaldes lysstyrke og måles i lumen pr. kvadratmeter Lysstyrke karakteriserer også fordelingen af ​​reflekteret lysflux.

Således lysstyrken

hvor er kildens overfladeareal.

Forholdet mellem lysintensiteten i en given retning og området for projektion af den lysende overflade på et plan vinkelret på denne retning kaldes lysstyrke.

Derfor lysstyrken

hvor er vinklen mellem normalen til stedet og retningen af ​​lysintensiteten

Erstatning af værdien [se. formel (160)), opnår vi, at lysstyrken

Af formel (173) følger det, at lysstyrken er den anden afledte af fluxen med hensyn til rumvinklen til området.

Enheden for lysstyrke er candela per kvadratmeter

Overfladedensiteten af ​​lysenergi fra indfaldende stråling kaldes eksponering:

Generelt kan belysningen inkluderet i formel (174) ændre sig over tid

Udstillingen har en stor praktisk betydning, for eksempel i fotografering og måles i lux sekunder

Formlerne (160)-(174) bruges til at beregne både lys- og energimængder, for det første for monokromatisk stråling, det vil sige stråling med en bestemt bølgelængde, og for det andet i mangel af at tage hensyn til strålingens spektrale fordeling, som normalt forekommer i visuelle optiske instrumenter.

Strålingens spektrale sammensætning - fordelingen af ​​strålingseffekt over bølgelængder har stor betydning for beregning af energimængder ved brug af selektive strålingsmodtagere. Til disse beregninger blev begrebet spektral strålingsfluxtæthed introduceret [se. formlerne (157)-(159)].

I et begrænset område af bølgelængder har vi henholdsvis:

Energimængderne bestemt af formlerne gælder også for den synlige del af spektret.

De vigtigste fotometriske og energimæssige størrelser, deres definerende formler og SI-enheder er angivet i tabel. 5.

Definitioner fotometriske størrelser lysrækker og de matematiske sammenhænge mellem dem ligner de tilsvarende mængder og sammenhænge i energirækken. Derfor lys flow, der strækker sig inden for rumvinklen, er lig med . Lysstrømsenhed (lumen). Til monokromatisk lys sammenhæng mellem energi- og lysmængder er givet ved formlerne:

Hvor – en konstant kaldet mekanisk ækvivalent til lys.

Lysstrøm pr. bølgelængdeinterval fra l Før ,

, (30.8)

Hvor j– energifordelingsfunktion over bølgelængder (se fig. 30.1). Så den totale lysstrøm båret af alle spektrum bølger,

. (30.9)

Belysning

Lysstrømmen kan også komme fra kroppe, der ikke selv gløder, men reflekterer eller spreder lyset, der falder ind på dem. I sådanne tilfælde er det vigtigt at vide, hvilken lysstrøm der falder på et bestemt område af kropsoverfladen. Til dette formål bruges det fysisk mængde, kaldet belysning

. (30.10)

Belysning er numerisk lig med forholdet mellem den samlede lysstrøm, der falder ind på et overfladeelement og arealet af dette element (se fig. 30.4). For ensartet lysudbytte

Belysningsstyrke enhed (luksus). Lux svarer til belysningen af ​​en overflade med et areal på 1 m2, når en lysstrøm på 1 lm falder på den. Indstrålingen bestemmes på samme måde

Bestrålingsenhed.

Lysstyrke

Til mange belysningsberegninger kan nogle kilder betragtes som punktkilder. Men i de fleste tilfælde er lyskilderne placeret tæt nok til, at deres form kan skelnes, med andre ord, vinkeldimensioner kilder ligger inden for øjets eller det optiske instruments evne til at skelne et udstrakt objekt fra et punkt. For sådanne kilder indføres en fysisk størrelse kaldet lysstyrke. Begrebet lysstyrke er ikke anvendeligt for kilder, hvis vinkeldimensioner er mindre end opløsningen af ​​øjet eller det optiske instrument (f.eks. stjerner). Lysstyrke karakteriserer emissionen af ​​en lysende overflade i en bestemt retning. Kilden kan lyse med sit eget eller reflekterede lys.

Lad os vælge en lysstrøm, der udbreder sig i en bestemt retning i en solid vinkel fra et udsnit af den lysende overflade. Stråleaksen danner en vinkel med normalen til overfladen (se fig. 30.5).

Projektion af et udsnit af den lysende overflade på et område vinkelret på den valgte retning,

(30.14)

hedder synlig overflade element af kildestedet (se fig. 30.6).

Værdien af ​​lysstrømmen afhænger af arealet af den synlige overflade, vinklen og rumvinklen:

Proportionalitetsfaktoren kaldes lysstyrke, den afhænger af optiske egenskaber udstrålende overflade og kan være anderledes for forskellige retninger. Fra (30,5) lysstyrke

. (30.16)

Dermed, lysstyrke bestemmes af den lysstrøm, der udsendes i en bestemt retning af en enhed af synlig overflade pr. rumvinkelenhed. Eller med andre ord: lysstyrken i en bestemt retning er numerisk lig med intensiteten af ​​lys, der skabes pr. arealenhed af den synlige overflade af kilden.

Generelt afhænger lysstyrken af ​​retningen, men der er lyskilder, hvor lysstyrken ikke afhænger af retningen. Sådanne kilder kaldes Lambertian eller cosinus, fordi Lamberts lov er gyldig for dem: lysintensiteten i en bestemt retning er proportional med cosinus af vinklen mellem normalen til kildens overflade og denne retning:

hvor er lysintensiteten i retning af normalen til overfladen, og er vinklen mellem normalen til overfladen og den valgte retning. For at sikre lige lysstyrke i alle retninger er tekniske armaturer udstyret med mælkeglasskaller. Lambertske kilder, der udsender diffust lys, omfatter overflader belagt med magnesiumoxid, uglaseret porcelæn, tegnepapir og nyfalden sne.

Lysstyrke enhed (nit). Her er lysstyrkeværdierne for nogle lyskilder:

Månen – 2,5 knt,

fluorescerende lampe – 7 knt,

glødetråd – 5 MNT,

soloverflade – 1,5 Gnt.

Den laveste lysstyrke opfattet af det menneskelige øje er omkring 1 μnt, og lysstyrke over 100 μnt forårsager smertefuld fornemmelse i øjet og kan skade synet. Lysstyrken på et ark hvidt papir, når du læser og skriver, skal være mindst 10 nits.

Energilysstyrken bestemmes på samme måde

. (30.18)

En måleenhed for udstråling.

Lysstyrke

Lad os overveje en lyskilde med endelige dimensioner (belyser med sit eget eller reflekterede lys). Lysstyrke kilde er overfladetætheden af ​​den lysstrøm, der udsendes af en overflade i alle retninger inden for en rumvinkel. Hvis et overfladeelement udsender en lysstrøm, så

For ensartet lysstyrke kan vi skrive:

En måleenhed for lysstyrke.

Den energiske lysstyrke bestemmes på samme måde

En enhed af energisk lysstyrke.

Lovene om belysning

Fotometriske målinger er baseret på to love for belysning.

1. Overfladebelysning punktkilde lys varierer omvendt med kvadratet på afstanden mellem kilden og den oplyste overflade. Overvej en punktkilde (se fig. 30.7), der udsender lys i alle retninger. Lad os beskrive kugler med radier og koncentriske med kilden omkring kilden. Det er indlysende, at lysstrømmen gennem overfladearealerne og er den samme, da den forplanter sig i samme rumvinkel. Så bliver belysningen af ​​områderne hhv og . Ved at udtrykke elementerne af sfæriske overflader gennem den rumfangsvinkel får vi:

. (30.22)

2. Belysning skabt på et elementært overfladeareal af en lysstrøm, der falder ind på det i en bestemt vinkel, er proportional med cosinus af vinklen mellem strålernes retning og normalen til overfladen. Lad os betragte en parallel stråle af stråler (se fig. 29.8), der falder ind på sektioner af overflader og . Strålerne falder på overfladen langs normalen, og på overfladen - i en vinkel til normalen. Den samme lysstrøm passerer gennem begge sektioner. Belysningen af ​​første og anden sektion vil være hhv. . Men derfor

Ved at kombinere disse to love kan vi formulere grundlæggende lov om belysning: belysning af en overflade af en punktkilde er direkte proportional med kildens lysstyrke, cosinus af strålernes indfaldsvinkel og omvendt proportional med kvadratet på afstanden fra kilden til overfladen

. (30.24)

Beregninger ved hjælp af denne formel giver et ret præcist resultat, hvis kildens lineære dimensioner ikke overstiger 1/10 af afstanden til den oplyste overflade. Hvis kilden er en skive med en diameter på 50 cm, så i et punkt normalt til midten af ​​skiven relativ fejl i beregninger for en afstand på 50 cm når den 25%, for en afstand på 2 m overstiger den ikke 1,5%, og for en afstand på 5 m falder den til 0,25%.

Hvis der er flere kilder, så er den resulterende belysning lig med summen af ​​belysningen skabt af hver enkelt kilde. Hvis kilden ikke kan betragtes som en punktkilde, er dens overflade opdelt i elementære sektioner, og efter at have bestemt den belysning, der skabes af hver af dem, i henhold til loven , integreres derefter over hele kildens overflade.

Der er belysningsstandarder for arbejdspladser og lokaler. På bordene klasseværelser Belysningen skal være mindst 150 lux; til læsning af bøger er belysning nødvendig, og til tegning - 200 lux. For korridorer anses belysning for tilstrækkelig, for gader - .

Den vigtigste lyskilde for alt liv på Jorden er Solen, som skaber Øverste grænse atmosfære, energiindstrålingen kaldet solkonstanten - og belysningsstyrken er 137 klx. Den energibelysning, der skabes på jordens overflade af direkte stråler om sommeren, er to gange mindre. Belysningen skabt af direkte sollys ved middagstid på en gennemsnitlig breddegrad er 100 klx. Årstidernes skiften på Jorden forklares med en ændring i indfaldsvinklen solstråler til dens overflade. På den nordlige halvkugle er indfaldsvinklen for stråler på Jordens overflade størst om vinteren og den mindste om sommeren. Belysningen i et åbent område under en overskyet himmel er 1000 lux. Belysning i et lyst rum nær et vindue er 100 lux. Til sammenligning, lad os give belysningen fra fuldmånen - 0,2 lux og fra nattehimlen på en måneløs nat - 0,3 mlx. Afstanden fra Solen til Jorden er 150 millioner kilometer, men på grund af det faktum, at kraften sollys svarer til , belysningen skabt af Solen på Jordens overflade er så stor.

For kilder, hvis lysstyrke afhænger af retningen, bruger de nogle gange gennemsnitlig sfærisk lysstyrke, hvor er lampens samlede lysstrøm. Lysstrømsforhold elektrisk lampe til sin elektriske effekt kaldes lyseffektivitet lamper:. For eksempel har en 100 W glødelampe en gennemsnitlig sfærisk lysstyrke på omkring 100 cd. Den samlede lysstrøm for en sådan lampe er 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm, og lyseffektiviteten er 12,6 lm/W. Lyseffektiviteten af ​​lysstofrør er flere gange større end for glødelamper og når 80 lm/W. Derudover overstiger levetiden for lysstofrør 10 tusind timer, mens den for glødelamper er mindre end 1000 timer.

Gennem millioner af års evolution har det menneskelige øje tilpasset sig sollys, og derfor er det ønskeligt, at lampelysets spektrale sammensætning er så tæt som muligt på sollysets spektrale sammensætning. Dette krav i i højeste grad fluorescerende lamper reagerer. Derfor kaldes de også for lysstofrør. Lysstyrken af ​​en pære glødetråd forårsager smerte i øjet. For at forhindre dette anvendes mælkeglaslampeskærme og lampeskærme.

Med alle deres fordele har lysstofrør også en række ulemper: kompleksiteten af ​​koblingskredsløbet, pulsering af lysstrømmen (med en frekvens på 100 Hz), umuligheden af ​​at starte i kulden (på grund af kviksølvkondensering), gasspjæld summende (på grund af magnetostriktion), miljøfare (kviksølv fra en ødelagt lampe forgifter miljøet).

For at den spektrale sammensætning af strålingen fra en glødelampe skal være den samme som Solens, ville det være nødvendigt at opvarme dens glødetråd til temperaturen på Solens overflade, dvs. op til 6200 K. Men wolfram , det mest ildfaste af metaller, smelter allerede ved 3660 K.

Temperaturer tæt på Solens overfladetemperatur opnås i bueudledning i kviksølvdamp eller xenon under et tryk på ca. 15 atm. Lysets kraft bue lampe kan øges til 10 Mkd. Sådanne lamper bruges i filmprojektorer og spotlights. Lamper fyldt med natriumdamp udmærker sig ved, at i dem er en betydelig del af strålingen (ca. en tredjedel) koncentreret i synligt område spektrum (to intense gule linjer 589,0 nm og 589,6 nm). Selvom emissionen af ​​natriumlamper er meget forskellig fra det sollys, som det menneskelige øje kender, bruges de til at belyse motorveje, da deres fordel er deres høje lyseffektivitet, der når 140 lm/W.

Fotometre

Instrumenter designet til at måle lysstyrke eller lysstrøm forskellige kilder, hedder fotometre. Ud fra registreringsprincippet er fotometre af to typer: subjektiv (visuel) og objektiv.

Funktionsprincippet for et subjektivt fotometer er baseret på øjets evne til med tilstrækkelig nøjagtighed at registrere ensartetheden af ​​belysning (mere præcist, lysstyrke) af to tilstødende felter, forudsat at de er belyst af lys af samme farve.

Fotometre til sammenligning af to kilder er designet på en sådan måde, at øjets rolle reduceres til at etablere ensartethed af belysning af to tilstødende felter belyst af kilderne, der sammenlignes (se fig. 30.9). Observatørens øje undersøger et hvidt trekantet prisme installeret i midten af ​​et sort rør indeni. Prismet er belyst af kilder og. Ved at ændre afstandene fra kilderne til prismet kan man udligne belysningen af ​​overfladerne og. Så, hvor og er lysintensiteterne, henholdsvis kilderne og . Hvis lysstyrken af ​​en af ​​kilderne er kendt (referencekilde), så kan lysstyrken af ​​den anden kilde i den valgte retning bestemmes. Ved at måle kildens lysstyrke i forskellige retninger findes den samlede lysstrøm, belysning etc. Referencekilden er en glødelampe, hvis lysstyrke er kendt.

Den manglende evne til at ændre afstandsforholdet inden for meget vide grænser tvinger brugen af ​​andre metoder til at dæmpe fluxen, såsom lysabsorption af et filter med variabel tykkelse - en kile (se fig. 30.10).

En af varianterne visuel metode fotometri er en undertrykkelsesmetode baseret på brugen af ​​konstanten af ​​øjets tærskelfølsomhed for hver enkelt observatør. Øjets tærskelfølsomhed er den laveste lysstyrke (ca. 1 mikron), som det menneskelige øje reagerer på. Efter tidligere at have bestemt øjets følsomhedstærskel, reduceres lysstyrken af ​​den undersøgte kilde på en eller anden måde (for eksempel en kalibreret absorberende kile) til følsomhedstærsklen. Ved at vide, hvor mange gange lysstyrken er dæmpet, kan du bestemme kildens absolutte lysstyrke uden en referencekilde. Denne metode er ekstremt følsom.

Direkte måling af kildens totale lysstrøm udføres i integrerede fotometre, for eksempel i et sfærisk fotometer (se fig. 30.11). Kilden under undersøgelse er ophængt i det indre hulrum af en kugle, der er hvidgjort med en mat overflade indeni. Som et resultat af flere refleksioner af lys inde i kuglen skabes belysning, bestemt af medium styrke lyskilde. Belysningen af ​​hullet, beskyttet mod direkte stråler af skærmen, er proportional med lysstrømmen: , hvor er enhedens konstant, afhængigt af dens størrelse og farve. Hullet er dækket af mælkeagtigt glas. Lysstyrken af ​​mælkeglas er også proportional med lysstrømmen. Det måles ved hjælp af fotometeret beskrevet ovenfor eller ved en anden metode. I teknologien bruges automatiserede sfæriske fotometre med fotoceller for eksempel til at styre glødelamper på transportøren af ​​et elektrisk lampeanlæg.

Objektive metoder Fotometri er opdelt i fotografisk og elektrisk. Fotografiske metoder er baseret på, at sortfarvningen af ​​det lysfølsomme lag over et bredt område er proportional med tætheden af ​​lysenergi, der falder på laget under dets belysning, dvs. eksponering (se tabel 30.1). Denne metode bestemmer relativ intensitet to tæt placeret spektrale linjer i ét spektrum eller sammenlign intensiteterne af den samme linje i to tilstødende (taget på én fotografisk plade) spektre baseret på sortfarvning af visse områder af den fotografiske plade.

Visuelle og fotografiske metoder bliver gradvist erstattet af elektriske. Fordelen ved sidstnævnte er, at de ganske enkelt udfører automatisk registrering og behandling af resultater, op til brug af en computer. Elektriske fotometre gør det muligt at måle strålingsintensitet ud over det synlige spektrum.

KAPITEL 31. TERMISK STRÅLING

31.1. Egenskaber termisk stråling

Legemer opvarmet til tilstrækkelig høje temperaturer gløder. Den glød af kroppe forårsaget af opvarmning kaldes termisk (temperatur) stråling. Termisk stråling, der er den mest almindelige i naturen, opstår på grund af energi termisk bevægelse atomer og molekyler af et stof (dvs. på grund af dets indre energi) og er karakteristisk for alle legemer ved temperaturer over 0 K. Termisk stråling er kendetegnet ved et kontinuerligt spektrum, hvor maksimumspositionen afhænger af temperaturen. Ved høje temperaturer udsendes kortvarig (synlig og ultraviolet) stråling elektromagnetiske bølger, ved lave - overvejende lange (infrarøde).

Kvantitative egenskaber termisk stråling tjener spektral tæthed af energi lysstyrke (emissivitet) af et legeme- strålingseffekt pr. enheds overfladeareal af kroppen i et frekvensområde af enhedsbredde:

Rv,T =, (31.1)

hvor er energien af ​​elektromagnetisk stråling, der udsendes pr. tidsenhed (strålingseffekt) pr. enheds overfladeareal af kroppen i frekvensområdet v Før v+dv.

Energi lysstyrke spektral densitet enhed Rv,T- joule pr. meter i kvadrat (J/m2).

Den skrevne formel kan repræsenteres som en funktion af bølgelængde:

=Rv,Tdv= Rλ,Tdλ. (31.2)

Fordi с =λvυ, At dλ/ dv = - c/v 2 = - λ 2 /Med,

hvor minustegnet angiver, at med en stigning i en af ​​mængderne ( λ eller v) en anden mængde falder. Derfor vil vi i det følgende udelade minustegnet.

Dermed,

R υ,T =Rλ,T . (31.3)

Ved hjælp af formel (31.3) kan du gå fra Rv,T Til Rλ,T og omvendt.

Ved at kende den spektrale tæthed af energetisk lysstyrke, kan vi beregne integreret energi lysstyrke(integreret emissivitet), summering over alle frekvenser:

R T = . (31.4)

Organers evne til at absorbere stråling, der falder ind på dem, er karakteriseret ved spektral absorptionsevne

A v,T =(31.5)

viser, hvor stor en brøkdel af energien, der bringes pr. tidsenhed pr. overfladeenhed af et legeme af elektromagnetiske bølger, der rammer det med frekvenser fra v Før v+dv, optages af kroppen.

Spektral absorptionskapacitet er en dimensionsløs størrelse. Mængder Rv,T Og A v,T afhænger af kroppens natur, dens termodynamiske temperatur og adskiller sig samtidig for stråling med forskellige frekvenser. Derfor omtales disse værdier som sikre T Og v(eller rettere, til et ret snævert frekvensområde fra v Før v+dv).

Et legeme, der er i stand til fuldstændigt at absorbere ved enhver temperatur al stråling af enhver frekvens, der falder ind på det, kaldes sort. Følgelig er den spektrale absorptionskapacitet af et sort legeme for alle frekvenser og temperaturer identisk lig med enhed ( A h v,T = 1). Der er ingen absolut sorte kroppe i naturen, men kroppe som sod, platinsort, sort fløjl og nogle andre, i et bestemt frekvensområde, er tæt på dem i deres egenskaber.

Den ideelle model den sorte krop er et lukket hulrum med et lille hul, indre overflade som er sværtet (Fig. 31.1). En lysstråle, der trænger ind i Fig. 31.1.

et sådant hulrum oplever flere refleksioner fra væggene, som et resultat af hvilke intensiteten af ​​den udsendte stråling næsten er lig med nul. Erfaring viser, at når hulstørrelsen er mindre end 0,1 af hulrummets diameter, absorberes indfaldende stråling af alle frekvenser fuldstændigt. følgelig åbne vinduer husene fremstår sorte fra gaden, selvom rummenes indre er ret let på grund af lysreflektionen fra væggene.

Sammen med begrebet en sort krop bruges begrebet grå krop- et legeme, hvis absorptionskapacitet er mindre end enhed, men er ens for alle frekvenser og kun afhænger af temperaturen, materialet og tilstanden af ​​kroppens overflade. Altså for den grå krop Og med v,T< 1.

Kirchhoffs lov

Kirchhoffs lov: forholdet mellem den spektrale tæthed af energetisk lysstyrke og den spektrale absorptionsevne afhænger ikke af kroppens beskaffenhed; det er en universel funktion af frekvens (bølgelængde) og temperatur for alle legemer:

= rv,T(31.6)

Til sort krop A h v,T=1, derfor følger det af Kirchhoffs lov, at Rv,T for en sort krop er lig med r v,T. Således den universelle Kirchhoff funktion r v,T er intet andet end spektraltætheden af ​​energilysstyrken af ​​et sort legeme. Derfor, ifølge Kirchhoffs lov, for alle legemer er forholdet mellem den spektrale tæthed af energetisk lysstyrke og den spektrale absorptionsevne lig med den spektrale tæthed af energetisk lysstyrke af et sort legeme ved samme temperatur og frekvens.

Af Kirchhoffs lov følger det, at den spektrale tæthed af energilysstyrken af ​​ethvert legeme i ethvert område af spektret altid er mindre end spektraltætheden af ​​energilysstyrken af ​​et sort legeme (for de samme værdier T Og v), fordi A v,T < 1, и поэтому Rv,T < r v υ,T. Derudover følger det af (31.6), at hvis et legeme ved en given temperatur T ikke optager elektromagnetiske bølger i frekvensområdet fra kl. v, Før v+dv, så er den i dette frekvensområde ved temperatur T og udsender ikke, siden hvornår A v,T=0, Rv,T=0

Ved at bruge Kirchhoffs lov kan udtrykket for den integrale energilysstyrke af et sort legeme (31.4) skrives som

R T =.(31.7)

Til grå krop R med T = Et T = A T R e, (31.8)

Hvor R e= -energi lysstyrke af en sort krop.

Kirchhoffs lov beskriver kun termisk stråling, idet den er så karakteristisk for den, at den kan tjene som et pålideligt kriterium til bestemmelse af strålingens natur. Stråling, der ikke overholder Kirchhoffs lov, er ikke termisk.

Af praktiske årsager følger det af Kirchhoffs lov, at legemer med en mørk og ru overflade har en absorptionskoefficient tæt på 1. Af denne grund foretrækker de at gå i mørkt tøj om vinteren og lyse om sommeren. Men legemer med en absorptionskoefficient tæt på enhed har også en tilsvarende højere energetisk lysstyrke. Hvis du tager to identiske beholdere, den ene med en mørk, ru overflade, og væggene på den anden er lette og skinnende, og hælder den samme mængde kogende vand i dem, så afkøles den første beholder hurtigere.

31.3. Stefan-Boltzmann love og Wien forskydninger

Det følger af Kirchhoffs lov, at den spektrale tæthed af energilysstyrken af ​​et sort legeme er en universel funktion, og at finde dens eksplicitte afhængighed af frekvens og temperatur er vigtig opgave teori om termisk stråling.

Stefan, der analyserede eksperimentelle data, og Boltzmann, ved hjælp af den termodynamiske metode, løste dette problem kun delvist og etablerede afhængigheden af ​​energiens lysstyrke R e på temperatur. Ifølge Stefan-Boltzmann lov,

R e = σ T 4, (31.9)

det vil sige, at en sort krops energiske lysstyrke er proportional med fjerdedele af kraften af ​​dens termodynamiske temperatur; σ - Stefan-Boltzmann konstant: hende eksperimentel værdi svarer til 5,67 × 10 -8 W/(m 2 × K 4).

Stefan-Boltzmanns lov, der definerer afhængigheden R e på temperatur giver ikke et svar vedrørende den spektrale sammensætning af sort kropsstråling. Fra funktionens eksperimentelle kurver r λ,T fra bølgelængde λ (r λ,T =´ ´ r ν,T) ved forskellige temperaturer (Fig. 30.2) Fig. 31.2.

det følger, at energifordelingen i det sorte kropsspektrum er ujævn. Alle kurver har et klart defineret maksimum, som skifter mod kortere bølgelængder, når temperaturen stiger. Område omgivet af kurven r λ,T fra λ og x-aksen, proportional med energetisk lysstyrke R e sort krop og derfor, ifølge Stefan-Boltzmann-loven, kvarte potenser af temperatur.

V. Vin, der stolede på termo- og elektrodynamikkens love, etablerede afhængigheden af ​​bølgelængden λ max svarende til funktionens maksimum r λ,T, på temperatur T. Ifølge Wiens forskydningslov,

λ max =b/T, (31.10)

altså bølgelængde λ max svarende til den maksimale spektrale værdi
lysstyrketæthed r λ,T af en sort krop er omvendt proportional med dens termodynamiske temperatur. b - konstant skyldfølelse dens eksperimentelle værdi er 2,9×10 -3 m×K.

Udtryk (31.10) kaldes Wiens forskydningslov; det viser forskydningen af ​​positionen af ​​funktionens maksimum r λ,T når temperaturen stiger til området med korte bølgelængder. Wiens lov forklarer, hvorfor langbølget stråling i stigende grad dominerer i deres spektrum, når temperaturen af ​​opvarmede legemer falder (f.eks. overgangen hvid varme bliver rød, når metallet afkøles).

Rayleigh-Jeans og Planck formler

Af overvejelserne om Stefan-Boltzmann og Wiens love følger det, at den termodynamiske tilgang til løsning af problemet med at finde universel funktion Kirchhoff gav ikke de ønskede resultater.

Et strengt forsøg på teoretisk at udlede forholdet r λ,T tilhører Rayleigh og Jeans, der anvendte metoder til termisk stråling statistisk fysik, der benyttede sig klassisk lov ensartet fordeling energi efter frihedsgrader.

Rayleigh-Jeans formlen for den spektrale lysstyrketæthed af en sort krop har formen:

r ν, T = <E> = kT, (31.11)

Hvor <Е>= kT– gennemsnitlig energi af oscillatoren med egenfrekvens ν .

Som erfaringen har vist, er udtryk (31.11) kun i overensstemmelse med eksperimentelle data i området med tilstrækkeligt lave frekvenser og høje temperaturer. I området med høje frekvenser afviger denne formel fra eksperimentet såvel som fra Wiens forskydningslov. Og at få Stefan-Boltzmann-loven ud fra denne formel fører til absurditet. Dette resultat blev kaldt den "ultraviolette katastrofe." De der. inden for klassisk fysik undlod at forklare lovene for energifordeling i spektret af en sort krop.

I højfrekvensområdet er god overensstemmelse med eksperimentet givet af Wiens formel (Wiens strålingslov):

r ν, T =Сν 3 А e –Аν/Т, (31.12)

Hvor r ν, T- spektral tæthed af energi lysstyrke af en sort krop, MED Og EN – konstanter. I moderne notation ved hjælp af

Plancks konstant Wiens strålingslov kan skrives som

r ν, T = . (31.13)

Det korrekte udtryk for den spektrale tæthed af energilysstyrken af ​​et sort legeme, i overensstemmelse med eksperimentelle data, blev fundet af Planck. Ifølge den fremsatte kvantehypotese udsender atomoscillatorer energi ikke kontinuerligt, men i visse portioner - kvante, og kvanteenergien er proportional med oscillationsfrekvensen

E 0 =hν = hс/λ,

Hvor h=6,625×10 -34 J×s – Plancks konstant. Da stråling udsendes i portioner, vil oscillatorenergien E kan kun tage visse diskrete værdier , multipla af et helt tal af elementære dele af energi E 0

E = nhν(n= 0,1,2…).

I I dette tilfælde gennemsnitlig energi<E> oscillator kan ikke tages ens kT.

I den tilnærmelse, at fordelingen af ​​oscillatorer over mulige diskrete tilstande adlyder Boltzmann-fordelingen, er den gennemsnitlige oscillatorenergi lig med

<E> = , (31.14)

og den spektrale tæthed af energetisk lysstyrke bestemmes af formlen

r ν, T = . (31.15)

Planck udledte formlen for den universelle Kirchhoff-funktion

r ν, T = , (31.16)

hvilket er i overensstemmelse med eksperimentelle data om energifordelingen i spektrene af sort kropsstråling over hele området af frekvenser og temperaturer.

Fra Plancks formel, at kende de universelle konstanter h,k Og Med, kan vi beregne Stefan-Boltzmann konstanterne σ og Vin b. Og omvendt. Plancks formel stemmer godt overens med eksperimentelle data, men indeholder også særlige love for termisk stråling, dvs. er komplet løsning problemer med termisk stråling.

Optisk pyrometri

Termisk strålings love bruges til at måle temperaturen på varme og selvlysende legemer (for eksempel stjerner). Metoder til måling af høje temperaturer, der bruger afhængigheden af ​​den spektrale tæthed af energilysstyrke eller legemers integrerede energilysstyrke på temperatur, kaldes optisk pyrometri. Enheder til måling af temperaturen af ​​opvarmede legemer baseret på intensiteten af ​​deres termiske stråling i det optiske område af spektret kaldes pyrometre. Afhængigt af hvilken lov om termisk stråling, der anvendes ved måling af legemers temperatur, skelnes strålings-, farve- og lysstyrketemperaturer.

1. Strålingstemperatur- dette er temperaturen af ​​en sort krop, hvor dens energiske lysstyrke R e lig med energisk lysstyrke Rt kroppen under undersøgelse. I dette tilfælde registreres den energiske lysstyrke af det undersøgte legeme, og dets strålingstemperatur beregnes i henhold til Stefan-Boltzmann-loven:

T r =.

Strålingstemperatur T r kroppen er altid mindre end dens sande temperatur T.

2.Farverig temperatur. For grå kroppe (eller kroppe, der ligner dem i egenskaber), den spektrale tæthed af energilysstyrke

R λ,Τ = ΑΤ rλ,Τ,

Hvor A t = konst < 1. Som følge heraf er energifordelingen i strålingsspektret af et gråt legeme det samme som i spektret af et sort legeme med samme temperatur, derfor er Wiens forskydningslov gældende for grå kroppe. At kende bølgelængden λ m ax svarende til den maksimale spektrale tæthed af energilysstyrke Rλ,Τ af kroppen, der undersøges, kan dens temperatur bestemmes

T c = b/ λ m ah,

som kaldes farvetemperatur. For grå kroppe falder farvetemperaturen sammen med den sande. For kroppe, der er meget forskellige fra grå (for eksempel dem med selektiv absorption), mister begrebet farvetemperatur sin betydning. På denne måde bestemmes temperaturen på Solens overflade ( T c=6500 K) og stjerner.

3.Lysstyrketemperatur T i, er temperaturen af ​​et sort legeme, hvor dets spektrale lysstyrketæthed for en vis bølgelængde lig med spektraltætheden af ​​energiluminositeten af ​​det undersøgte legeme, dvs.

r λ,Τ = R λ,Τ,

Hvor T– ægte kropstemperatur, som altid er højere end lysstyrketemperaturen.

Et forsvindende filamentpyrometer bruges normalt som et lysstyrkepyrometer. I dette tilfælde bliver billedet af pyrometerfilamentet umuligt at skelne på baggrund af overfladen af ​​det varme legeme, det vil sige, at filamentet ser ud til at "forsvinde". Ved hjælp af et sortlegeme kalibreret milliammeter kan lysstyrketemperaturen bestemmes.

Termiske lyskilder

Gløden fra varme kroppe bruges til at skabe lyskilder. Sorte legemer bør være de bedste termiske lyskilder, da deres spektrale lysstyrketæthed for enhver bølgelængde er større end den spektrale lysstyrketæthed for ikke-sorte legemer taget ved de samme temperaturer. Det viser sig dog, at for nogle legemer (for eksempel wolfram), der har selektivitet af termisk stråling, er andelen af ​​energi, der kan tilskrives stråling i det synlige område af spektret, betydeligt større end for et sort legeme opvarmet til samme temperatur. Derfor er wolfram, der også har et højt smeltepunkt det bedste materiale til fremstilling af lampetråde.

Temperaturen af ​​wolframglødetråden i vakuumlamper bør ikke overstige 2450K, da den ved højere temperaturer sputteres kraftigt. Den maksimale stråling ved denne temperatur svarer til en bølgelængde på 1,1 mikron, det vil sige meget langt fra det menneskelige øjes maksimale følsomhed (0,55 mikron). Påfyldning af lampecylindre inerte gasser(for eksempel en blanding af krypton og xenon med tilsætning af nitrogen) ved et tryk på 50 kPa gør det muligt at øge glødetrådens temperatur til 3000 K, hvilket fører til en forbedring af den spektrale sammensætning af strålingen. Imidlertid øges lysudbyttet ikke, da yderligere energitab opstår på grund af varmeudveksling mellem glødetråden og gassen på grund af termisk ledningsevne og konvektion. For at reducere energitab på grund af varmeudveksling og øge lysudbyttet af gasfyldte lamper er glødetråden lavet i form af en spiral, hvis individuelle vindinger opvarmer hinanden. På høj temperatur der dannes et stationært lag af gas omkring denne spiral, og varmeoverførsel på grund af konvektion er elimineret. Energieffektivitet glødelamper overstiger i øjeblikket ikke 5 %.

V. Nøgler til ledelsens kunst 6 side. "Forskellen mellem middelmådighed og talent," sagde Lombardi, "er, hvordan teammedlemmerne har det med hinanden."

V. Nøgler til ledelsens kunst 7 side. Da tiden var ved at løbe ud, besluttede jeg at holde en konkurrence mellem vores designere

VI International åben konkurrence om det bedste videnskabelige arbejde blandt studerende, bachelorer, kandidater og kandidatstuderende

VI International åben konkurrence om det bedste videnskabelige arbejde blandt bachelor-, kandidat- og kandidatstuderende

XIV. Om bord på et synkende skib side 3. Forholdet mellem forhandlere og virksomhedsledelse var usædvanligt dårlige

Fotometri er den gren af ​​optik, der beskæftiger sig med måling af lysstrømme og mængder forbundet med sådanne fluxer. Følgende mængder bruges i fotometri:

1) energi – karakterisere energiparametrene for optisk stråling uanset dens virkning på strålingsmodtagere;

2) lys – karakterisere den fysiologiske effekt af lys og vurderes ud fra virkningen på øjet (ud fra øjets såkaldte gennemsnitlige følsomhed) eller andre strålingsmodtagere.

1. Energimængder. Strålingsflux Φ e – værdi lig med energiforholdet W stråling efter tid t, hvorunder strålingen fandt sted:

Enheden for strålingsflux er watt (W).

Energisk lysstyrke (emissivitet) R e– værdi lig med forholdet mellem strålingsfluxen Φ e udsendt af overfladen og området S tværsnit, som denne strøm passerer igennem:

de der. repræsenterer overfladestrålingsfluxtætheden.

Enheden for energisk lysstyrke er watt pr. kvadratmeter (W/m2).

Strålingsintensitet:

hvor Δ S – lille overflade, vinkelret på strålingsudbredelsesretningen, gennem hvilken fluxen ΔΦ e overføres.

Måleenheden for strålingsintensitet er den samme som for energetisk lysstyrke – W/m2.

For at bestemme efterfølgende værdier skal du bruge en geometrisk koncept – fast vinkel , som er et mål for åbningen af ​​en eller anden konisk overflade. Som det er kendt, er målet for en plan vinkel forholdet mellem cirkelbuen l til radius af denne cirkel r, dvs. (Fig. 3.1 a). Tilsvarende bestemmes rumvinklen Ω (fig. 3.1 b) som forholdet mellem overfladen kuglesegment S til kvadratet af kuglens radius:

Måleenheden for rumvinkel er steradian (cf) er en rumvinkel, hvis toppunkt er placeret i midten af ​​kuglen, og som udskærer et område på overfladen af ​​kuglen, lig med kvadrat radius: Ω = 1 sr, hvis . Det er let at verificere, at den samlede rumvinkel omkring et punkt er lig med 4π steradianer - for at gøre dette skal du dividere kuglens overflade med kvadratet af dens radius.

Lysets energiintensitet (strålingseffekt ) Dvs bestemmes vha begreber om en punktlyskilde – en kilde, hvis størrelse i forhold til afstanden til observationsstedet kan negligeres. Lysets energetiske intensitet er en værdi, der er lig med forholdet mellem kildens strålingsflux og rumvinklen Ω, inden for hvilken denne stråling udbreder sig:

Enheden for lysenergi er watt pr. steradian (W/sr).

Energilysstyrke (udstråling) V e– en værdi svarende til forholdet mellem lysets energiintensitet ΔI e element af den udstrålende overflade til området ΔS projektion af dette element på et plan vinkelret på observationsretningen:

. (3.6)

Radiansenheden er watt pr. steradian meter i kvadrat (W/(sr m2)).

Energibelysning (bestråling) Hende karakteriserer mængden af ​​strålingsflux, der falder ind på en enhed af belyst overflade. Bestrålingsenheden er den samme som lysstyrkeenheden (W/m2).

2. Lette mængder. Ved optiske målinger anvendes forskellige strålingsdetektorer (f.eks. øjet, fotoceller, fotomultiplikatorer), som ikke har samme følsomhed over for energien af ​​forskellige bølgelængder, og er således selektiv (selektiv) . Hver modtager lys stråling kendetegnet ved sin følsomhedskurve over for lys af forskellige bølgelængder. Derfor adskiller lysmålinger sig, da de er subjektive, fra objektive energimålinger og for dem lysenheder, bruges kun til synligt lys. Grundlæggende lysenhed i SI er enheden for lysstyrke - candela (cd), der er defineret som lysstyrken i en given retning af en kilde, der udsender monokromatisk stråling med en frekvens på 540·10 12 Hz, hvis lysenergiintensitet i denne retning er 1/683 W/sr. Definitionen af ​​lysenheder svarer til energienheder.

Let flow Φ lys er defineret som styrken af ​​optisk stråling baseret på den lysfornemmelse, den forårsager (om dens effekt på en selektiv lysmodtager med en given spektral følsomhed).

Lysstrømsenhed – lumen (lm): 1 lm – lysstrøm udsendt af en punktkilde med en lysstyrke på 1 cd inden for en rumvinkel på 1 sr (med ensartethed af strålingsfeltet inden for rumvinklen) (1 lm = 1 cd sr).

Lysets kraft I St. er relateret til lysstrømmen ved relationen

, (3.7)

Hvor dΦ St– lysstrøm udsendt af en kilde inden for en rumvinkel dΩ. Hvis I St. ikke afhænger af retning, kaldes lyskilden isotropisk. For en isotrop kilde

. (3.8)

Energi flow . Φ e, målt i watt og lysstrøm Φ St., målt i lumen, er relateret af forholdet:

, lm, (3,9)

Hvor - konstant, er en funktion af synlighed, bestemt af det menneskelige øjes følsomhed over for stråling af forskellige bølgelængder. Maksimal værdi opnået kl . Komplekset bruger laserstråling med en bølgelængde . I dette tilfælde .

Lysstyrke R St er bestemt af forholdet

. (3.10)

Enheden for lysstyrke er lumen pr. kvadratmeter (lm/m2).

Lysstyrke I φ lysende overflade S i en bestemt retning, der danner en vinkel φ med normalen til overfladen, er der en værdi lig med forholdet mellem lysintensiteten i en given retning og arealet af projektionen af ​​den lysende overflade på et plan vinkelret i denne retning:

. (3.11)

Kilder, hvis lysstyrke er den samme i alle retninger, kaldes Lambertian (underlagt Lamberts lov) eller cosinus (fluxen sendt af overfladeelementet af en sådan kilde er proportional med ). Kun en helt sort krop følger strengt Lamberts lov.

Enheden for lysstyrke er candela pr. kvadratmetre (cd/m2).

Belysning E– en værdi lig med forholdet mellem den lysstrøm, der falder ind på en overflade og arealet af denne overflade:

. (3.12)

Belysningsenhed – luksus (lx): 1 lx – belysning af en overflade på 1 m2, hvoraf en lysstrøm på 1 lm falder (1 lm = 1 lx/m2).

Arbejdsordre

Ris. 3.2.

Opgave 1. Bestemmelse af laserlysintensiteten.

Ved at måle diameteren af ​​den divergerende laserstråle i to af dens sektioner, adskilt af en afstand, kan vi finde den lille stråledivergensvinkel og den rumvinkel, som strålingen udbreder sig i (fig. 3.2):

, (3.13)

Lysstyrken i candelaer bestemmes af formlen:

, (3.15)

Hvor - konstant, strålingseffekten indstilles til minimum - lig (laserstrømjusteringsknappen drejes til ekstrem position mod uret), er en funktion af synlighed bestemt af det menneskelige øjes følsomhed over for stråling af forskellige bølgelængder. Den maksimale værdi nås kl . Komplekset bruger laserstråling med en bølgelængde . I dette tilfælde .

Eksperiment

1. Installer modul 2 på den optiske bænk og juster installationen i henhold til metoden beskrevet på side . Når du har sikret dig, at installationen er justeret, skal du fjerne modul 2.

2. Placer linsetilslutningen på emitteren (objekt 42). Installer kondensatorlinsen (modul 5) for enden af ​​bænken med skærmen mod emitteren. Rette koordinaten af ​​risiciene for dets vurderingsmænd. Brug kondensatorskærmen til at bestemme diameteren af ​​laserstrålen.

3. Flyt kondensatoren til laseren 50 - 100 mm. Fastgør mærkets koordinat, og bestem i overensstemmelse hermed strålediameteren ved hjælp af kondensatorskærmen.

4. Beregn lineær vinkel stråledivergens ifølge formel (3.13), idet . Beregn stråledivergensens rumvinkel ved hjælp af formel (3.14) og lysstyrken ved hjælp af formel (3.15). Fremstille standard vurdering fejl.

5. Udfør eksperimentet 4 gange mere med andre positioner af kondensatoren.

6. Indtast måleresultaterne i tabeller:

№	,		,

№					, %

Opgave 2. Intensitet i en sfærisk bølge

Laserstrålingsstrålen omdannes af en samlelinse til en sfærisk bølge, først konvergerende til fokus, og efter fokus - divergerende. Det er påkrævet at spore arten af ​​ændringen i intensitet med koordinaten - . Voltmeteraflæsningerne bruges som værdier uden konvertering til absolutte værdier.

Eksperiment

1. Fjern diffusorlinsetilslutningen fra emitteren. For enden af ​​den frie bænk skal du installere en mikroprojektor (modul 2) og, tæt foran den, en kondensatorlinse (modul 5). Sørg for, at når du flytter modul 5 væk fra modul 2, ændres størrelsen af ​​stedet på installationsskærmen og strålingsintensiteten i midten af ​​stedet. Sæt kondensatoren tilbage til dens oprindelige position.

2. Placer en fotosensor - objekt 38 ​​- i objektplanet på mikroprojektoren, tilslut fotosensoren til multimeteret, indstil multimeteret til måletilstand DC spænding(måleområde - op til 1 V) og fjern afhængigheden af ​​spændingen på voltmeteret af koordinaten for modul 5 med et trin på 10 mm, idet du tager koordinaterne til mærkerne for modul 2 som referencepunkt. Foretag 20 målinger.

4. Giv definitioner af de vigtigste fotometriske størrelser (energi og lys), der angiver måleenheder.

5. Hvilken lys enhed måling er den vigtigste i SI? Hvordan bestemmes det?

6. Hvordan hænger strålingsflux og lysstrøm sammen?

7. Hvilken lyskilde kaldes isotrop? Hvordan hænger lysintensitet og lysstrøm fra en isotrop kilde sammen? Hvorfor?

8. Hvornår hedder en lyskilde Lambertian? Giv et eksempel på en strengt lambertiansk kilde.

9. Hvordan afhænger intensiteten af ​​en lysbølge udsendt af en isotrop punktkilde af afstanden til kilden? Hvorfor?

Laboratoriearbejde №4

Lysstrøm - kraften af ​​lysenergi, en effektiv værdi målt i lumen:

Ф = (JQ/dt. (1,6)

Enheden for lysstrøm er lumen (lm); 1 lm svarer til den lysstrøm, der udsendes i en enhedsrumvinkel af en isotrop punktkilde med en lysstyrke på 1 candela (definitionen af ​​capdela vil være lavere).

Monokromatisk lysstrøm

F(A. dk) = Kt. m Fe,(L, dk)Vx = 683Fe,(A, dk)Vx.

Lysstrøm af kompleks stråling: med et linjespøgelse

Ф=683£Ф,(Л„ dk)VXh

med kontinuerligt spektrum

hvor n er antallet af linjer i spektret; F<>D, (A.) er en funktion af den spektrale strålingsfluxtæthed.

Sshsh-undersøgelse (lysets energiintensitet) 1e(x^ - rumlig strålingsfluxtæthed, numerisk lig med forholdet mellem strålingsfluxen c1Fe og rumvinklen t/£2, inden for hvilken fluxen forplanter sig og er ensartet fordelt:

>ea v=d

Strålingsstyrken bestemmer den rumlige tæthed af stråling fra en punktkilde placeret i spidsen af ​​rumvinklen (fig. 1.3). Retningen 1ef antages at være aksen for rumvinklen dLl. orienteret efter vinklerne a og P i længde- og tværplanerne. Enheden for strålingseffekt W/sr har intet navn.

Den rumlige fordeling af strålingsfluxen af ​​en punktkilde er entydigt bestemt af dens fotometriske krop - en del af rummet begrænset af overfladen trukket gennem enderne af radiusvektorerne for strålingskraften. Et snit af en fotometrisk gel ved et plan, der passerer gennem origo og en punktkilde, bestemmer lysintensitetskurven (LIC) for kilden for et givet snitplan. Hvis det fotometriske legeme har en symmetriakse, er strålingskilden karakteriseret ved KSS i længdeplanet (fig. 1.4).

Strålingsflux af en punktcirkulært symmetrisk strålingskilde

F? = jle(a)dLi = 2л J le(a) sin ada,

hvor Dj er den zonale rumvinkel, inden for hvilken kildestrålingen udbredes; bestemt i længdeplanet af vinklerne "| og et „.

Lysintensitet af en punktkilde - rumlig tæthed af lysstrøm

laf,=dФ/dQ. (1,8)

Candela (cd) er en enhed for lysstyrke (en af ​​de grundlæggende SI-enheder). Candelaen er lig med intensiteten af ​​lys, der udsendes i en vinkelret retning fra et areal på 1/600000 m2 af en sort krop ved størkningstemperaturen for platin T = 2045 K og et tryk på 101325 Pa.

En IC's lysstrøm bestemmes af KSS, hvis det fotometriske legeme har en symmetriakse. Hvis KSS / (a) er givet ved en graf eller tabel, bestemmes beregningen af ​​kildens lysstrøm af udtrykket

F=£/shdts-,+i,

hvor /w er srslnss-værdien af ​​lysstyrken i den zonale rumvinkel; Dy, (+| = 2n(cos a, - cos a,_|) (se tabel 1.1).

Energilysstyrke (emissivitet) er forholdet mellem strålingsfluxen, der udgår fra det lille overfladeareal, der tages i betragtning, og arealet af området:

M e = (1Fe/dA; Mesh>=Fe/A, (1,9)

hvor d$>e og Ф(. er strålingsfluxene, der udsendes af overfladearealet dA eller overflade A.

Måleenheden for energetisk lysstyrke (W/m2) er strålingsfluxen. udsendes fra 1 m2 overflade; denne enhed har intet navn.

Lysstyrke er forholdet mellem den lysstrøm, der kommer fra det lille overfladeareal, der tages i betragtning, og arealet af dette område:

M =

hvor еФ og Ф er de lysstrømme, der udsendes af overfladearealet dA eller overflade A. Lysstyrken måles i lm/m2 - dette er den lysstrøm, der udsendes fra 1 m2.

Energibelysning (irradians) - tætheden af ​​strålingsfluxen af ​​den bestrålede overflade E = (1Fe/c1A; Eecr = Fe/A, (1.11)

hvor Ee, Eсr er henholdsvis irradiansen af ​​overfladearealet dA og den gennemsnitlige irradians af overfladen A.

Pr. bestrålingsenhed. Vg/m2. de accepterer en sådan irradians, ved hvilken 1 W strålingsflux falder og er jævnt fordelt over en overflade på 1 m2; denne enhed har intet navn.

Belysning - tætheden af ​​lysstrøm på den oplyste overflade

dF.=d<>/dA Esr - F/L, (1,12)

hvor dE og Еср er belysningen af ​​overfladearealet dA og den gennemsnitlige belysning af overfladen A.

Belysningsenheden er lux (lx). Belysning på 1 lux har en overflade, hvorpå 1 m2 lys falder og en lysstrøm på 1 lm fordeles jævnt over sig.

Den energiske lysstyrke af et legeme eller en del af dets overflade i retning a er forholdet mellem strålingskraften i retning a og projektionen af ​​den udstrålende overflade på et plan vinkelret på denne retning (fig. 1.5):

~ dIshkh / (dA cos ss), ~ ^ey. ^" (1-13)

hvor Leu og Lcr er energilysstyrkerne af overfladearealet dA og overflade A i retningen a, hvis projektioner på et plan vinkelret på denne retning er henholdsvis lig med dAcosa og a; dleu og 1еа er henholdsvis de strålingskræfter, der udsendes af dA og A i retning af a.

Enheden for energilysstyrke anses for at være energilysstyrken af ​​en flad overflade B 1 M“. med en strålingskraft på 1 Vg/sr i vinkelret retning. Denne enhed (W/srm2) har intet navn.

Lysstyrken i retning a af et legeme eller en del af dets overflade er lig med forholdet mellem lysintensiteten i denne retning og projektionen af ​​overfladen:

La = dIa/(dAcosa); /.acr = /a/a, (1.14)

hvor /u og Lacr er lysstyrken af ​​overfladearealet dA og overflade A i retningen a. hvis projektioner på et plan vinkelret på denne retning er henholdsvis lig med dA cos a og a; dla. 1a - henholdsvis de lysstyrker, der udsendes af overfladerne dA og A i retningen a.

Enheden for lysstyrkemåling (cd/m2) er lysstyrken af ​​en flad overflade, der udsender en lysstyrke på 1 cd fra et område på 1 m i en vinkelret retning.

Tilsvarende lysstyrke. Under skumringssyn afhænger den relative spektrale lyseffektivitet af synsorganet af tilpasningsniveauet Y(X, /.) og indtager en mellemposition mellem K(A) og Y"(X), vist i fig. 1.2. Under disse forhold er deres værdier forskellig spektral sammensætning, identisk i lysstyrke for dagslyssyn, vil have forskellig lysstyrke for øjet (Purkins-effekt). For eksempel vil blå være lysere end rød. I tusmørkefeltet vision, bruges begrebet ækvivalent lysstyrke.

Du kan vælge stråling af en bestemt spektral sammensætning, for hvilken lysstyrken på alle niveauer antages at være proportional med strålingseffekten. A. A. Gershun |1] foreslog en sådan fortolkning. kaldet reference, brug sort kropsstråling ved platins størkningstemperatur. En stråling med en anden spektral sammensætning, lig i lysstyrke med referencen, vil have den samme ækvivalente lysstyrke, selvom standardlysstyrken af ​​strålingen vil være anderledes. Ækvivalent lysstyrke gør det muligt at sammenligne forskellige strålinger efter deres lyseffekt, selv under forhold med usikkerhed i den relative spektrale følsomhedsfunktion.