Sest kvantifitseerimine Kiirgus kasutab üsna suurt hulka suurusi, mille saab jagada kaheks ühikusüsteemiks: energia ja valgus. Kus energia kogused iseloomustavad kogu spektri optilise piirkonnaga seotud kiirgust ja valgustuse kogused- nähtavale kiirgusele. Energiakogused on võrdelised vastavate valgustuskogustega.
Peamine kogus energiasüsteemis, mis võimaldab meil hinnata kiirguse hulka, on Fe kiirgusvoog, või kiirgusvõimsus, st. energia hulk W, eralduvad, ülekantud või neelduvad ajaühikus:
Fe väärtust väljendatakse vattides (W). – energiaühik
Enamikul juhtudel nad ei võta arvesse kvantloodus kiirguse esinemist ja pidada seda pidevaks.
Kiirguse kvalitatiivne tunnus on kiirgusvoo jaotus spektris.
Pideva spektriga kiirguse puhul võetakse kasutusele mõiste spektraalkiirguse voo tihedus (j l)– spektri teatud kitsale lõigule langeva kiirgusvõimsuse ja selle lõigu laiuse suhe (joonis 2.2). Kitsa spektrivahemiku jaoks dl kiirgusvoog on võrdne dФ l. Ordinaatteljel on näidatud kiirgusvoo spektraaltihedused j l = dФ l / dl, seetõttu on voogu kujutatud graafiku elementaarse lõigu pindalaga, st.
Kui kiirgusspekter jääb vahemikku l 1 enne l 2, siis kiirgusvoo suurus
Under valgusvoog F, V üldine juhtum, mõista kiirgusvõimsust, mida hinnatakse selle mõju järgi inimsilmale. Mõõtühik valgusvoog on luumen (lm). - valgustusseade
Valgusvoo toime silmale paneb selle teatud viisil reageerima. Sõltuvalt valgusvoo toimeastmest toimivad üht või teist tüüpi silma valgustundlikud retseptorid, mida nimetatakse vardadeks või koonusteks. Tingimustes madal tase valgustus (näiteks Kuu valguses), silm näeb varraste tõttu ümbritsevaid objekte. Kell kõrgel tasemel Pärast valgustamist hakkab tööle päevane nägemisaparaat, mille eest vastutavad koonused.
Lisaks jagunevad käbid vastavalt nende valgustundlikule ainele kolme erineva tundlikkusega rühma erinevaid valdkondi spekter Seetõttu ei reageeri nad erinevalt varrastest mitte ainult valgusvoogudele, vaid ka selle spektraalsele koostisele.
Sellega seoses võib öelda, et valgusefekt on kahemõõtmeline.
Valgustatuse tasemega seotud silmareaktsiooni kvantitatiivset omadust nimetatakse kergus. Kvalitatiivne omadus, mis on seotud erinevad tasemed nimetatakse kolme koonuste rühma reaktsioone värvilisus.
Valgustugevus (I). Valgustustehnikas võetakse seda väärtust kui peamine. Sellel valikul pole põhimõttelist alust, vaid see on tehtud mugavuse huvides, kuna Valguse intensiivsus ei sõltu kaugusest.
Valgustugevuse mõiste kehtib ainult punktallikate puhul, s.t. allikatele, mille mõõtmed on väikesed võrreldes kaugusega neist valgustatud pinnani.
Valguse jõud punktallikas mingis suunas on ruuminurga ühiku kohta W valgusvoog F, mida see allikas kiirgab antud suunas:
I = Ф / Ω
Energia Valgustugevust väljendatakse vattides steradiaani kohta ( T/K).
Taga valgustustehnika vastu võetud valgustugevuse ühik kandela(cd) on punktallika valgustugevus, mis kiirgab 1 lm suurust valgusvoogu, mis on ühtlaselt jaotunud ruuminurga 1 steradiaani (sr) piires.
Ruuminurk on koonilise pinna ja suletud kõvera kontuuriga piiratud ruumiosa, mis ei läbi nurga tippu (joonis 2.3). Koonilise pinna kokkusurumisel muutuvad sfäärilise pindala o mõõtmed lõpmatult väikeseks. Ka ruuminurk muutub sel juhul lõpmatult väikeseks:
Joonis 2.3 – Mõiste „täisnurk” määratlemise suunas
Valgustus (E). Energeetilise valgustuse all E uh mõista sisselülitatud kiirgusvoogu pindala ühik valgustatud pind K:
Kiirgustugevust väljendatakse W/m2.
Helendav valgustus E väljendatakse valgusvoo tihedusega F selle valgustatud pinnal (joonis 2.4):
Võetakse helendava valgustuse ühik luksus, st. pinna valgustamine, mis saab 1 lm valgusvoo, mis on ühtlaselt jaotatud üle 1 m2 suuruse ala.
Muude valgustustehnikas kasutatavate koguste hulgas on olulised energiat kiirgus Meie või valgusenergiat W, samuti energiat Ne või valgust N ekspositsioon.
We ja W väärtused määratakse avaldiste abil
kus on vastavalt kiirgusvoo ja valgusvoo muutumise funktsioonid ajas. Meid mõõdetakse džaulides või W s, a W – aastal lm s.
Under energia H e või valguse kokkupuude aru saada pinnatihedus kiirgusenergia Meie või valgusenergiat W vastavalt valgustatud pinnale.
See on valguse säritus H see on valgustuse tulemus E, mis on loodud kiirgusallika poolt, mõnda aega t selle kiirguse mõju.
Valgusridade fotomeetriliste suuruste määratlused ja nendevahelised matemaatilised seosed on sarnased energiaridade vastavate suuruste ja seostega. Sellepärast valgusvoog, mis ulatub ruuminurga piiresse, on võrdne . Valgusvoo mõõtühik ( luumen). Monokromaatilise valguse jaoks energia ja valguse koguste seos on antud valemitega:
kus nimetatakse konstanti valguse mehaaniline ekvivalent.
Valgusvoog lainepikkuse intervalli kohta alates l enne,
, (30.8)
Kus j– energiajaotuse funktsioon lainepikkustel (vt joonis 30.1). Siis on kõigi spektri lainete poolt kantav kogu valgusvoog
. (30.9)
Valgustus
Valgusvoog võib pärineda ka kehadest, mis ise ei helenda, vaid peegeldavad või hajutavad neile langevat valgust. Sellistel juhtudel on oluline teada, milline valgusvoog langeb kehapinna konkreetsele alale. Sel eesmärgil kasutatakse seda füüsiline kogus, mida nimetatakse valgustuseks
. (30.10)
Valgustus on arvuliselt võrdne pinnaelemendile langeva kogu valgusvoo ja selle elemendi pindala suhtega (vt joonis 30.4). Ühtlase valgustugevuse tagamiseks
Valgustusühik 
(luksus). Lux võrdub 1 m2 pindalaga pinna valgustamisega, kui sellele langeb valgusvoog 1 lm. Kiirgustihedus määratakse sarnaselt
Kiirguse ühik.
Heledus
Paljude valgustusarvutuste puhul võib mõnda allikat pidada punktallikaks. Kuid enamikul juhtudel on valgusallikad paigutatud piisavalt lähedale, et eristada nende kuju, teisisõnu on allika nurkmõõtmed silma või optilise instrumendi suutlikkuse piires eristada laiendatud objekti punktist. Selliste allikate jaoks võetakse kasutusele füüsikaline suurus, mida nimetatakse heleduseks. Heleduse mõiste ei kehti allikate puhul, mille nurkmõõtmed on väiksemad kui silma või optilise instrumendi eraldusvõime (näiteks tähed). Heledus iseloomustab kiirgust helendav pind teatud suunas. Allikas võib hõõguda oma või peegeldunud valgusega.
Valime valguspinna lõigust kindlas suunas ruuminurga all leviv valgusvoog. Tala telg moodustab pinna suhtes normaalsega nurga (vt joonis 30.5).
Helendava pinna lõigu projekteerimine alale, mis on risti valitud suunaga,
(30.14)
helistas nähtav pind lähtekoha element (vt joon. 30.6).
Valgusvoo väärtus sõltub nähtava pinna pindalast, nurgast ja ruuminurgast:
Proportsionaalsuse tegurit nimetatakse heleduseks optilised omadused kiirgav pind ja võib eri suundades olla erinev. Alates (30,5) heledusest
. (30.16)
Seega heledus on määratud valgusvooga, mida kiirgab teatud suunas nähtava pinna ühik ruuminurga ühiku kohta. Või teisisõnu: heledus teatud suunas on arvuliselt võrdne allika nähtava pinna pindalaühiku kohta tekkiva valguse intensiivsusega.
Üldiselt sõltub heledus suunast, kuid on valgusallikaid, mille puhul heledus suunast ei sõltu. Selliseid allikaid nimetatakse Lambertian või koosinus, sest nende puhul kehtib Lamberti seadus: valguse intensiivsus teatud suunas on võrdeline allika pinna ja selle suuna vahelise nurga koosinusega:
kus on valguse intensiivsus pinna normaalsuunas ning nurk normaalse pinna ja valitud suuna vahel. Kõigis suundades võrdse heleduse tagamiseks on tehnilised valgustid varustatud piimaklaasist kestadega. Lamberti allikad, mis kiirgavad hajutatud valgust, hõlmavad magneesiumoksiidiga kaetud pindu, glasuurimata portselani, joonistuspaberit ja värskelt sadanud lund.
Heleduse ühik 
(nitt). Siin on mõne valgusallika heleduse väärtused:
Kuu - 2,5 knt,
luminofoorlamp – 7 knt,
lambipirni hõõgniit – 5 MNT,
päikese pind – 1,5 Gnt.
Madalaim heledus, mida inimsilm tajub, on umbes 1 μnt ja heledus üle 100 μnt põhjustab valulik tunne silma ja võib nägemist kahjustada. Valge paberilehe heledus peaks lugemisel ja kirjutamisel olema vähemalt 10 niti.
Energia heledus määratakse sarnaselt
. (30.18)
Heleduse mõõtühik.
Heledus
Vaatleme piiratud mõõtmetega valgusallikat (valgustavad oma või peegeldunud valgusega). Heledus allikas on valgusvoo pinnatihedus, mida pind kiirgab ruuminurga piires kõigis suundades. Kui pinnaelement kiirgab valgusvoogu, siis
Ühtlase heleduse jaoks võime kirjutada:
Heleduse mõõtühik.
Energeetiline heledus määratakse sarnaselt
Üksus energeetiline heledus.
Valgustuse seadused
Fotomeetrilised mõõtmised põhinevad kahel valgustuse seadusel.
1. Pinna valgustus punktvalgusallikaga varieerub pöördvõrdeliselt allika kauguse ruuduga valgustatud pinnast. Vaatleme punktallikat (vt joonis 30.7), mis kiirgab valgust igas suunas. Kirjeldame allikaga kontsentrilisi lähtesfääride ümber raadiustega ja . On ilmne, et valgusvoog läbi pindade alade ja on sama, kuna see levib ühes ruuminurgas. Siis on alade valgustus vastavalt ja . Väljendades sfääriliste pindade elemente läbi ruuminurga, saame:
. (30.22)
2. Elementaarpinnale teatud nurga all langeva valgusvoo poolt tekitatud valgustus on võrdeline kiirte suuna ja pinnanormaali vahelise nurga koosinusega. Vaatleme paralleelset kiirtekiirt (vt joonis 29.8), mis langeb pindade lõikudele ja . Kiired langevad pinnale piki normaalset ja pinnale - normaalse nurga all. Mõlemat sektsiooni läbib sama valgusvoog. Esimese ja teise sektsiooni valgustus on vastavalt 
. Kuid seetõttu
Neid kahte seadust kombineerides saame sõnastada valgustuse põhiseadus: pinna valgustus punktallika poolt on otseselt võrdeline allika valgustugevusega, kiirte langemisnurga koosinusega ja pöördvõrdeline allika ja pinna vahelise kauguse ruuduga.
. (30.24)
Selle valemiga tehtud arvutused annavad üsna täpse tulemuse, kui allika lineaarmõõtmed ei ületa 1/10 kaugusest valgustatud pinnast. Kui allikaks on 50 cm läbimõõduga ketas, siis ketta keskpunkti suhtes normaalses kohas suhteline viga arvutustes ulatub 50 cm kaugusel 25%, 2 m kaugusel ei ületa 1,5% ja 5 m kaugusel väheneb 0,25%.
Kui allikaid on mitu, siis on saadud valgustus võrdne iga üksiku allika tekitatud valgustuse summaga. Kui allikat ei saa pidada punktallikaks, jagatakse selle pind elementaarseteks osadeks ja, olles kindlaks määranud igaühe poolt tekitatava valgustuse, vastavalt seadusele. 
, integreeritakse seejärel üle kogu allika pinna.
Töökohtade ja ruumide valgustusstandardid on olemas. Laudadel klassiruumid Valgustus peab olema vähemalt 150 luksi raamatute lugemiseks ja joonistamiseks - 200 luksi; Koridoride puhul peetakse valgustust piisavaks, tänavatel - .
Kõige olulisem valgusallikas kogu elu jaoks Maal on Päike, mis loob ülempiir atmosfääri, energia kiirgustihedust nimetatakse päikesekonstandiks – ja valgustustihedus on 137 klx. Suvel otseste kiirte mõjul Maa pinnale tekitatav energiavalgustus on kaks korda väiksem. Keskpäeval keskmisel laiuskraadil otsese päikesevalguse poolt tekitatav valgustus on 100 klx. Aastaaegade vaheldumine Maal on seletatav langemisnurga muutumisega päikesekiired selle pinnale. Põhjapoolkeral on kiirte langemisnurk Maa pinnale suurim talvel, väikseim suvel. Pilves taeva all avatud alal on valgustus 1000 luksi. Valgustus akna lähedal asuvas valgusküllases ruumis on 100 luksi. Võrdluseks esitame valgustuse alates täiskuu– 0,2 luksi ja öötaevast kuuta ööl – 0,3 mlx. Kaugus Päikesest Maani on 150 miljonit kilomeetrit, kuid tänu sellele, et jõud päikesevalgus võrdub , on Päikese poolt Maa pinnale loodud valgustus nii suur.
Allikate puhul, mille valgustugevus sõltub suunast, kasutavad nad mõnikord keskmine sfääriline valgustugevus, kus on lambi kogu valgusvoog. Valgusvoo suhe elektrilamp selle elektrivõimsust nimetatakse valgusefektiivsus lambid: . Näiteks 100 W hõõglambi keskmine sfääriline valgustugevus on umbes 100 cd. Sellise lambi kogu valgusvoog on 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm ja valgusefektiivsus 12,6 lm/W. Luminofoorlampide valgusefektiivsus on mitu korda suurem kui hõõglampidel ja ulatub 80 lm/W-ni. Lisaks ületab luminofoorlampide kasutusiga 10 tuhat tundi, hõõglampide puhul aga alla 1000 tunni.
Miljonite evolutsiooniaastate jooksul on inimsilm kohanenud päikesevalgusega ja seetõttu on soovitav, et lambivalguse spektraalne koostis oleks võimalikult lähedane päikesevalguse spektraalsele koostisele. Luminofoorlambid vastavad sellele nõudele kõige paremini. Seetõttu nimetatakse neid ka luminofoorlampideks. Lambipirni hõõgniidi heledus põhjustab valu silmas. Selle vältimiseks kasutatakse piimaklaasist lambivarju ja lambivarju.
Kõigi nende eelistega on luminofoorlampidel ka mitmeid puudusi: lülitusahela keerukus, valgusvoo pulseerimine (sagedusega 100 Hz), külmas käivitamise võimatus (elavhõbeda kondenseerumise tõttu), gaasihoob. sumin (magnetostriktsiooni tõttu), keskkonnaoht (lambi purunenud elavhõbe mürgitab keskkonda).
Selleks, et hõõglambi kiirguse spektraalne koostis oleks Päikese omaga sarnane, oleks vaja selle hõõgniit kuumutada Päikese pinna temperatuurini, s.o kuni 6200 K. Aga volfram , metallidest kõige tulekindlam, sulab juba 3660 K juures.
Päikese pinnatemperatuurile lähedased temperatuurid saavutatakse aastal kaarlahendus elavhõbedaaurus või ksenoonis rõhu all umbes 15 atm. Valguse jõud kaarlamp saab suurendada 10 Mkd-ni. Selliseid lampe kasutatakse filmiprojektorites ja prožektorites. Naatriumi auruga täidetud lambid eristuvad selle poolest, et neisse on koondunud märkimisväärne osa (umbes kolmandik) kiirgusest. nähtav ala spekter (kaks intensiivset kollast joont 589,0 nm ja 589,6 nm). Kuigi naatriumlampide emissioon on inimsilmale tuttavast päikesevalgusest väga erinev, kasutatakse neid kiirteede valgustamiseks, kuna nende eeliseks on kõrge valgusefektiivsus, ulatudes 140 lm/W.
Fotomeetrid
Nimetatakse instrumente, mis on ette nähtud erinevatest allikatest pärineva valgustugevuse või valgusvoo mõõtmiseks fotomeetrid. Registreerimispõhimõtte alusel on fotomeetreid kahte tüüpi: subjektiivsed (visuaalsed) ja objektiivsed.
Subjektiivse fotomeetri tööpõhimõte põhineb silma võimel salvestada piisava täpsusega kahe kõrvuti asetseva välja valgustuse (täpsemalt heleduse) võrdsust, eeldusel, et neid valgustab sama värvi valgus.
Kahe allika võrdlemiseks mõeldud fotomeetrid on konstrueeritud nii, et silma roll on taandatud kahe kõrvuti asetseva, võrreldavate allikatega valgustatud välja valgustuse võrdsuse tuvastamisele (vt joonis 30.9). Vaatleja silm uurib valget kolmnurkset prismat, mis on paigaldatud mustaks tõmbunud toru keskele. Prismat valgustavad allikad ja. Muutes kaugusi allikatest prismani, saate võrdsustada pinna valgustust ja . Siis , kus ja on valguse intensiivsused, vastavalt allikad ja . Kui ühe allika valgustugevus on teada (võrdlusallikas), siis saab määrata ka teise allika valgustugevuse valitud suunas. Mõõtes allika valgustugevust erinevates suundades, leitakse summaarne valgusvoog, valgustus jne. Etalonallikaks on hõõglamp, mille valgustugevus on teada.
Suutmatus muuta kauguse suhet väga laiades piirides sunnib kasutama muid voo summutamise meetodeid, näiteks valguse neeldumist muutuva paksusega filtriga - kiiluga (vt joonis 30.10).
Visuaalse fotomeetria meetodi üks variante on ekstinktsioonimeetod, mis põhineb silma konstantse lävetundlikkuse kasutamisel iga üksiku vaatleja jaoks. Silma tundlikkuse lävi on väikseim heledus (umbes 1 mikron), millele inimsilm reageerib. Olles eelnevalt kindlaks määranud silma tundlikkusläve, vähendatakse mingil moel (näiteks kalibreeritud neeldumiskiil) uuritava allika heledus tundlikkusläveni. Teades, mitu korda heledust nõrgeneb, saate määrata allika absoluutse heleduse ilma võrdlusallikata. See meetod on äärmiselt tundlik.
Allika kogu valgusvoo otsene mõõtmine toimub integreeritud fotomeetrites, näiteks sfäärilises fotomeetris (vt joonis 30.11). Uuritav allikas on riputatud kera sisemises õõnsuses, mille sees on matt pind. Sfääri sees valguse mitmekordse peegelduse tulemusena tekib valgustus, mille määrab keskmise tugevusega valgusallikas. Ekraaniga otseste kiirte eest kaitstud augu valgustus on võrdeline valgusvooga: , kus on seadme konstant, olenevalt selle suurusest ja värvist. Auk on kaetud piimja klaasiga. Piimaklaasi heledus on samuti võrdeline valgusvooga. Seda mõõdetakse ülalkirjeldatud fotomeetri või mõne muu meetodi abil. Tehnikas kasutatakse automatiseeritud sfäärilisi fotoelemente sisaldavaid fotomeetreid näiteks elektrilambitehase konveieril olevate hõõglampide juhtimiseks.
Objektiivsed meetodid Fotomeetria jaguneb fotograafiliseks ja elektriliseks. Fotograafiameetodid põhinevad sellel, et valgustundliku kihi mustaks muutumine on laias vahemikus võrdeline kihile langeva valgusenergia tihedusega selle valgustamisel, s.o eksponeerimisel (vt tabel 30.1). See meetod määrab suhteline intensiivsus kaks tihedalt asetsevad spektrijoonedühes spektris või võrrelda sama joone intensiivsust kahes kõrvuti asetsevas (ühele fotoplaadile tehtud) spektris, lähtudes fotoplaadi teatud alade mustaks muutumisest.
Visuaalsed ja fotograafilised meetodid asenduvad järk-järgult elektrilistega. Viimaste eeliseks on see, et nad teostavad lihtsalt automaatset tulemuste registreerimist ja töötlemist kuni arvuti kasutamiseni välja. Elektrilised fotomeetrid võimaldavad mõõta kiirguse intensiivsust väljaspool nähtavat spektrit.
PEATÜKK 31. SOOJUSKIIRGUS
31.1. Omadused soojuskiirgus
Piisavalt kõrge temperatuurini kuumutatud kehad helendavad. Kuumutamisest põhjustatud kehade kuma nimetatakse termiline (temperatuuri) kiirgus. Soojuskiirgus, mis on looduses kõige levinum, tekib energia tõttu termiline liikumine aine aatomitest ja molekulidest (s.o. tänu oma siseenergiale) ning on iseloomulik kõikidele kehadele temperatuuril üle 0 K. Soojuskiirgust iseloomustab pidev spekter, mille maksimumi asend sõltub temperatuurist. Kõrgel temperatuuril kiirgub lühiajalist (nähtavat ja ultraviolett) kiirgust elektromagnetlained, madalatel - valdavalt pikad (infrapuna).
Soojuskiirguse kvantitatiivne tunnus on spektraalne tihedus keha energeetiline heledus (emissioon).- kiirgusvõimsus keha pindalaühiku kohta laiuseühiku sagedusvahemikus:
Rv,T =, (31.1)
kus on energia elektromagnetiline kiirgus, mis kiirgub ajaühikus (kiirgusvõimsus) keha pindalaühikult sagedusalas v enne v+dv.
Energia heleduse spektraaltiheduse ühik Rv, T- džauli ruutmeetri kohta (J/m2).
Kirjutatud valemit saab esitada lainepikkuse funktsioonina:
=Rv, Tdv= R λ, T dλ. (31.2)
Sest с =λvυ, See dλ/dv = - c/ v 2 = - λ 2 /Koos,
kus miinusmärk näitab, et ühe koguse suurenemisega ( λ või v) teine kogus väheneb. Seetõttu jätame järgnevas miinusmärgi välja.
Seega
R υ,T =Rλ, T . (31.3)
Kasutades valemit (31.3), võite minna alates Rv, T To Rλ, T ja vastupidi.
Teades energeetilise heleduse spektraaltihedust, saame arvutada integraalne energia heledus(integraalne emissioon), kõigi sageduste summeerimine:
R T = . (31.4)
Kehade võimet neelata neile langevat kiirgust iseloomustab spektraalne neelduvus
A v, T =(31.5)
näitab, kui suure osa energiast toovad kehale langevad elektromagnetlained ajaühikus keha pindalaühiku kohta. v enne v+dv, imendub kehasse.
Spektraalne neeldumisvõime on mõõtmeteta suurus. Kogused Rv, T Ja A v, T sõltuvad keha olemusest, selle termodünaamilisest temperatuurist ja samal ajal erinevad erineva sagedusega kiirguse osas. Seetõttu nimetatakse neid väärtusi kindlateks T Ja v(või õigemini üsna kitsale sagedusvahemikule alates v enne v+dv).
Nimetatakse keha, mis suudab igal temperatuuril täielikult neelata kogu talle langeva mis tahes sagedusega kiirgust must. Järelikult on musta keha spektraalne neeldumisvõime kõigil sagedustel ja temperatuuridel identselt võrdne ühtsusega ( A h v, T = 1). Looduses ei eksisteeri absoluutselt musti kehasid, kuid kehad nagu tahm, plaatinamust, must samet ja mõned teised on teatud sagedusvahemikus oma omadustelt neile lähedased.
Ideaalne mudel must keha on väikese auguga suletud õõnsus, sisepind mis on mustaks muutunud (joon. 31.1). Sisenev valguskiir Joon. 31.1.
selline õõnsus kogeb seintelt mitmeid peegeldusi, mille tulemusena on väljastatava kiirguse intensiivsus praktiliselt võrdne nulliga. Kogemused näitavad, et kui augu suurus on väiksem kui 0,1 õõnsuse läbimõõdust, neeldub kõigi sagedustega langev kiirgus täielikult. Järelikult avatud aknad majad paistavad tänavalt mustana, kuigi tubade seest on seintelt valguse peegeldumise tõttu üsna hele.
Koos musta keha mõistega kasutatakse mõistet hall keha- keha, mille neeldumisvõime on väiksem kui ühtsus, kuid on kõigil sagedustel sama ja sõltub ainult keha pinna temperatuurist, materjalist ja olekust. Seega halli keha jaoks Ja koos v,T< 1.
Kirchhoffi seadus
Kirchhoffi seadus: energeetilise heleduse spektraaltiheduse suhe spektraalsesse neeldumisvõimesse ei sõltu keha olemusest; see on kõigi kehade sageduse (lainepikkuse) ja temperatuuri universaalne funktsioon:
= rv,T(31.6)
Musta keha jaoks A h v, T=1, järeldub Kirchhoffi seadusest, et Rv, T musta keha jaoks on võrdne r v, T. Seega universaalne Kirchhoffi funktsioon r v, T pole midagi muud kui musta keha energia heleduse spektraalne tihedus. Seetõttu on Kirchhoffi seaduse kohaselt kõigi kehade puhul energeetilise heleduse spektraaltiheduse ja spektraalse neelduvuse suhe võrdne musta keha energeetilise heleduse spektraaltihedusega samal temperatuuril ja sagedusel.
Kirchhoffi seadusest järeldub, et mis tahes keha energia heleduse spektraalne tihedus spektri mis tahes piirkonnas on alati väiksem kui musta keha energia heleduse spektraalne tihedus (samade väärtuste korral T Ja v), sest A v, T < 1, и поэтому Rv, T < r v υ,T. Lisaks tuleneb (31.6)-st, et kui keha antud temperatuuril T ei neela elektromagnetlaineid sagedusvahemikus alates v, enne v+dv, siis on see temperatuuril selles sagedusvahemikus T ja ei eralda, mis ajast A v, T=0, Rv, T=0
Kasutades Kirchhoffi seadust, saab musta keha integraalenergia heleduse avaldise (31.4) kirjutada järgmiselt.
RT = .(31.7)
Hallile kehale R koos T-ga = A T = A T R e, (31.8)
Kus R e= -musta keha energia heledus.
Kirchhoffi seadus kirjeldab ainult soojuskiirgust, olles sellele nii iseloomulik, et võib olla usaldusväärne kriteerium kiirguse olemuse määramisel. Kiirgus, mis ei allu Kirchhoffi seadusele, ei ole termiline.
Praktilistel eesmärkidel tuleneb Kirchhoffi seadusest, et tumeda ja kareda pinnaga kehade neeldumistegur on lähedane 1. Seetõttu eelistatakse talvel kanda tumedaid, suvel heledaid riideid. Kuid ühtsusele lähedase neeldumisteguriga kehadel on ka vastavalt suurem energeetiline heledus. Kui võtta kaks ühesugust anumat, millest üks on tumeda kareda pinnaga ja teise seinad heledad ja läikivad, ning valada neisse sama palju keevat vett, siis jahtub esimene anum kiiremini.
31.3. Stefan-Boltzmanni seadused ja Viini nihked
Kirchhoffi seadusest järeldub, et musta keha energia heleduse spektraaltihedus on universaalne funktsioon, mistõttu selle selgesõnalise sõltuvuse leidmine sagedusest ja temperatuurist on soojuskiirguse teoorias oluline ülesanne.
Stefan, analüüsides katseandmeid, ja Boltzmann, kasutades termodünaamilist meetodit, lahendasid selle ülesande vaid osaliselt, tuvastades energia heleduse sõltuvuse R e temperatuuril. Vastavalt Stefan-Boltzmanni seadus,
Re = σ T 4, (31.9)
see tähendab, et musta keha energeetiline heledus on võrdeline neljandikuga tema termodünaamilise temperatuuri võimsusest; σ
- Stefan-Boltzmanni konstant: tema eksperimentaalne väärtus võrdub 5,67 × 10 -8 W/(m 2 × K 4).
Stefan-Boltzmanni seadus, mis määratleb sõltuvuse R e temperatuuri kohta ei anna vastust musta keha kiirguse spektraalse koostise kohta. Funktsiooni eksperimentaalsetest kõveratest r λ,T lainepikkusest λ (r λ,T =´ ´ r ν,T) erinevatel temperatuuridel (joonis 30.2) Joon 31.2.
sellest järeldub, et energiajaotus musta keha spektris on ebaühtlane. Kõigil kõveratel on selgelt määratletud maksimum, mis temperatuuri tõustes nihkub lühemate lainepikkuste suunas. Kõveraga ümbritsetud ala r λ,T alates λ ja x-telg, võrdeline energeetilise heledusega R e must keha ja seetõttu vastavalt Stefan-Boltzmanni seadusele temperatuuri veerandvõimsused.
V. Vin, tuginedes termo- ja elektrodünaamika seadustele, tegi kindlaks lainepikkuse sõltuvuse λ max, mis vastab funktsiooni maksimumile r λ,T, temperatuuril T. Vastavalt Viini nihkeseadus,
λ max = b/T, (31.10)
st lainepikkus λ
max vastav maksimaalne väärtus spektraalne
heleduse tihedus r λ,T Musta keha väärtus on pöördvõrdeline selle termodünaamilise temperatuuriga. b - pidev süütunne selle katseväärtus on 2,9×10 -3 m×K.
Avaldist (31.10) nimetatakse Wieni nihkeseaduseks, see näitab funktsiooni maksimumi asukoha nihet r λ,T kui temperatuur tõuseb lühikeste lainepikkuste piirkonda. Wieni seadus selgitab, miks kuumutatud kehade temperatuuri langedes domineerib nende spektris üha enam pikalaineline kiirgus (näiteks üleminek valge kuumus muutub metalli jahtumisel punaseks).
Rayleigh-Jeansi ja Plancki valemid
Stefan-Boltzmanni ja Wieni seaduste käsitlemisest järeldub, et termodünaamiline lähenemine leidmise probleemi lahendamisele universaalne funktsioon Kirchhoff ei andnud soovitud tulemusi.
Range katse suhet teoreetiliselt järeldada r λ,T kuulub Rayleighile ja Jeansile, kes rakendasid soojuskiirguse meetodeid statistiline füüsika, kes kasutas ära klassikaline seadus ühtlane jaotus energiat vabadusastmete järgi.
Rayleigh-Jeansi valem musta keha spektraalse heleduse tiheduse jaoks on järgmine:
r ν, T = <E> = kT, (31.11)
Kus <Е>= kT– omasagedusega ostsillaatori keskmine energia ν .
Nagu kogemus on näidanud, on avaldis (31.11) kooskõlas katseandmetega ainult piisavalt madalate sageduste ja kõrgete temperatuuride piirkonnas. Kõrgete sageduste piirkonnas erineb see valem nii katsest kui ka Wieni nihkeseadusest. Ja Stefan-Boltzmanni seaduse saamine sellest valemist viib absurdini. Seda tulemust nimetati "ultraviolettkatastroofiks". Need. sees klassikaline füüsika ei suutnud selgitada energia jaotuse seadusi musta keha spektris.
Kõrgsagedusalas annab hea kokkuleppe katsega Wieni valem (Wieni kiirgusseadus):
r ν, T =Сν 3 А e –Аν/Т, (31.12)
Kus r ν, T- musta keha energia heleduse spektraalne tihedus, KOOS Ja A – konstandid. Tänapäevases noodikirjas kasutades
Plancki konstant Wieni kiirgusseadust saab kirjutada järgmiselt
r ν, T = . (31.13)
Musta keha energia heleduse spektraaltiheduse õige avaldise, mis on kooskõlas eksperimentaalsete andmetega, leidis Planck. Esitatud kvanthüpoteesi kohaselt kiirgavad aatomi ostsillaatorid energiat mitte pidevalt, vaid teatud osadena - kvantid ja kvanti energia on võrdeline võnkesagedusega
E 0 =hν = hс/λ,
Kus h=6,625 × 10 -34 J × s – Plancki konstant Kuna kiirgust kiirgatakse osade kaupa, siis ostsillaatori energia E saab võtta ainult teatud diskreetseid väärtusi , energia elementaarosade täisarvu kordsed E 0
E = nhν(n= 0,1,2…).
IN sel juhul keskmine energia<E> ostsillaatorit ei saa võtta võrdseks kT.
Arvestades, et ostsillaatorite jaotus võimalike diskreetsete olekute vahel järgib Boltzmanni jaotust, on keskmine ostsillaatori energia võrdne
<E> = , (31.14)
ja energeetilise heleduse spektraaltihedus määratakse valemiga
r ν, T = . (31.15)
Planck tuletas universaalse Kirchhoffi funktsiooni valemi
r ν, T = , (31.16)
mis on kooskõlas eksperimentaalsete andmetega musta keha kiirguse spektrite energiajaotuse kohta kogu sageduste ja temperatuuride vahemikus.
Plancki valemist, teades universaalseid konstante h,k Ja Koos, saame arvutada Stefan-Boltzmanni konstandid σ ja Vein b. Ja vastupidi. Plancki valem ühtib hästi eksperimentaalsete andmetega, kuid sisaldab ka soojuskiirguse eriseadusi, st. on täielik lahendus soojuskiirguse probleemid.
Optiline püromeetria
Kuumade ja isevalgustavate kehade (näiteks tähtede) temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse soojuskiirguse seadusi. Kõrgete temperatuuride mõõtmise meetodeid, mis kasutavad energia heleduse spektraaltiheduse või kehade integraalenergia heleduse sõltuvust temperatuurist, nimetatakse optiliseks püromeetriaks. Seadmeid kuumutatud kehade temperatuuri mõõtmiseks nende soojuskiirguse intensiivsuse põhjal spektri optilises piirkonnas nimetatakse püromeetriteks. Sõltuvalt sellest, millist soojuskiirguse seadust kasutatakse kehade temperatuuri mõõtmisel, eristatakse kiirguse, värvi ja heleduse temperatuure.
1. Kiirgustemperatuur- see on musta keha temperatuur, mille juures on selle energeetiline heledus R e võrdne energeetilise heledusega R t uuritav keha. Sel juhul registreeritakse uuritava keha energeetiline heledus ja arvutatakse selle kiirgustemperatuur Stefan-Boltzmanni seaduse järgi:
T r =.
Kiirgustemperatuur T r kehatemperatuur on alati madalam kui tema tegelik temperatuur T.
2.Värviline temperatuur. Hallide kehade (või nendega omadustelt sarnaste kehade) puhul energia heleduse spektraalne tihedus
R λ,Τ = Α Τ r λ,Τ,
Kus A t = konst < 1. Järelikult on halli keha kiirgusspektris sama energiajaotus, mis sama temperatuuriga musta keha spektris, mistõttu on hallide kehade puhul rakendatav Wieni nihkeseadus. Teades lainepikkust λ m ax, mis vastab energia heleduse maksimaalsele spektraaltihedusele Rλ, Τ uuritava keha temperatuurist saab määrata selle temperatuuri
T c = b/ λ m ah,
mida nimetatakse värvitemperatuuriks. Hallide kehade puhul langeb värvitemperatuur kokku tõelisega. Hallist väga erinevate kehade puhul (näiteks selektiivse neeldumisega) kaotab värvitemperatuuri mõiste tähenduse. Sel viisil määratakse temperatuur Päikese pinnal ( T c=6500 K) ja tähed.
3.Heleduse temperatuur T i, on musta keha temperatuur, mille juures teatud lainepikkuse korral on selle spektraalne heledustihedus võrdne uuritava keha energiaheleduse spektraaltihedusega, s.o.
r λ,Τ = R λ,Τ,
Kus T– tõeline kehatemperatuur, mis on alati heledusest kõrgem.
Heleduse püromeetrina kasutatakse tavaliselt kaduvat filamentpüromeetrit. Sel juhul muutub püromeetri hõõgniidi kujutis kuuma keha pinna taustal eristamatuks, st hõõgniit näib “kaovat”. Musta keha kalibreeritud milliampermeetri abil saab määrata heleduse temperatuuri.
Termilised valgusallikad
Valgusallikate loomiseks kasutatakse kuumade kehade sära. Mustad kehad peaksid olema parimad termilise valguse allikad, kuna nende spektraalne heleduse tihedus mis tahes lainepikkuse korral on suurem kui mittemustade kehade spektraalne heleduse tihedus samadel temperatuuridel. Siiski selgub, et mõne soojuskiirguse selektiivsusega keha (näiteks volfram) puhul on kiirgusele omistatava energia osa spektri nähtavas piirkonnas oluliselt suurem kui sama temperatuurini kuumutatud musta keha puhul. Seetõttu on volfram, millel on ka kõrge sulamistemperatuur parim materjal lambikiudude valmistamiseks.
Volframhõõgniidi temperatuur vaakumlampides ei tohiks ületada 2450K, kuna kõrgematel temperatuuridel on see tugevalt pritsitud. Maksimaalne kiirgus sellel temperatuuril vastab lainepikkusele 1,1 mikronit, st väga kaugel inimsilma maksimaalsest tundlikkusest (0,55 mikronit). Täitelampide silindrid inertgaasid(näiteks krüptooni ja ksenooni segu lämmastiku lisamisega) võimaldab rõhul 50 kPa tõsta hõõgniidi temperatuuri 3000 K-ni, mis toob kaasa kiirguse spektraalse koostise paranemise. Valgusvõimsus aga ei suurene, kuna hõõgniidi ja gaasi vahelise soojusvahetuse ja soojusjuhtivuse ning konvektsiooni tõttu tekivad täiendavad energiakadud. Soojusvahetusest tingitud energiakadude vähendamiseks ja gaasiga täidetud lampide valgusvõimsuse suurendamiseks on hõõgniit valmistatud spiraali kujul, mille üksikud pöörded soojendavad üksteist. Kell kõrge temperatuur selle spiraali ümber moodustub statsionaarne gaasikiht ja konvektsioonist tulenev soojusülekanne kaob. Energiatõhusus hõõglambid ei ületa praegu 5%.
Kiirguse energia ja selle mõju hindamiseks kiirgusvastuvõtjatele, mille hulka kuuluvad fotoelektrilised seadmed, soojus- ja fotokeemilised vastuvõtjad, aga ka silma, kasutatakse energia- ja valguskoguseid.
Energiakogused on karakteristikud optiline kiirgus, mis on seotud kogu optilise vahemikuga.
Silm pikka aega oli ainus optilise kiirguse vastuvõtja. Seetõttu on ajalooliselt välja kujunenud, et kiirguse nähtava osa kvalitatiivseks ja kvantitatiivseks hindamiseks kasutatakse valguse (fotomeetrilisi) suurusi, mis on võrdelised vastavate energiakogustega.
Kogu optilise ulatusega seotud kiirgusvoo mõiste esitati eespool. Kogus, mis valgussuuruste süsteemis vastab kiirgusvoole,
on valgusvoog Ф, st standardse fotomeetrilise vaatleja poolt hinnatud kiirgusvõimsus.
Vaatleme valguse suurusi ja nende ühikuid ning seejärel leiame seose nende suuruste ja energia suuruste vahel.
Kahe allika hindamiseks nähtav kiirgus võrreldakse nende luminestsentsi sama pinna suunas. Kui võtta ühe allika kuma ühtsusena, siis teise allika kuma esimesega võrreldes saame väärtuse, mida nimetatakse valgustugevuseks.
IN Rahvusvaheline süsteem Valgustugevuse ühiku SI ühikuks on kandela, mille määratlus kiideti heaks XVI peakonverentsil (1979).
Candela on Hz sagedusega monokromaatilist kiirgust kiirgava allika valgustugevus antud suunas, energia jõud mille valgus selles suunas on
valgustugevus või valgusvoo nurktihedus,
kus on ruuminurga sees valgusvoog teatud suunas
Täisnurk on ruumi osa, mis on piiratud suvalise koonilise pinnaga. Kui kirjeldame kera selle pinna ülaosast tsentrist, siis on koonilise pinnaga (joonis 85) lõigatud sfääriosa pindala võrdeline sfääri raadiuse ruuduga:
Proportsionaalsuskoefitsient on ruuminurga väärtus.
Ruuminurga ühik on steradiaan, mis on võrdne ruuminurgaga, mille tipp on kera keskpunktis, lõikades välja sfääri pinnal oleva ala, võrdne pindalaga küljega ruut võrdne raadiusega sfäärid. Terviklik kera moodustab täisnurga
Riis. 85. Täisnurk
Riis. 86. Kiirgus ruuminurgas
Kui kiirgusallikas asub parempoolse ringikujulise koonuse tipus, siis ruumis jaotatud ruuminurk on piiratud selle koonilise pinna sisemise õõnsusega. Teades tasapinnalise nurga väärtust telje ja koonilise pinna generatriksi vahel, saame määrata vastava ruuminurga.
Valime ruuminurgas lõpmata väikese nurga, mis lõikab sfäärist välja lõpmata kitsa rõngakujulise lõigu (joonis 86). See juhtum viitab kõige tavalisemale teljesümmeetrilisele valgustugevuse jaotusele.
Rõngakujulise sektsiooni pindala on kaugus koonuse teljest kitsa rõnga laiuseni
Vastavalt joonisele fig. kus on sfääri raadius.
Seetõttu kus
Tasapinnalisele nurgale vastav ruuminurk
Poolkera puhul on sfääri ruuminurk -
Valemist (160) järeldub, et valgusvoog
Kui ühest suunast teise liikudes valguse intensiivsus ei muutu, siis
Tõepoolest, kui ruuminurga tippu asetada valgustugevusega valgusallikas, siis sama valgusvoog saabub igasse koonilise pinnaga piiratud alasse, mis eristab seda ruuminurka. Võtame näidatud alad kujul kontsentriliste sfääride lõikudest, mille keskpunkt on ruuminurga tipus. Seejärel, nagu kogemus näitab, on nende alade valgustusaste pöördvõrdeline nende sfääride raadiuste ruutudega ja otseselt võrdeline alade suurusega.
Seega kehtib järgmine võrdsus: st valem (165).
Antud valemi (165) põhjendus kehtib ainult juhul, kui valgusallika ja valgustatud ala vaheline kaugus on allika suurusega võrreldes piisavalt suur ning kui allika ja valgustatud ala vaheline keskkond ei neelab või valgusenergiat hajutada.
Valgusvoo ühik on luumen (lm), mis on ruuminurk, kui ruuminurga tipus asuva allika valgustugevus on võrdne
Langevate kiirte suhtes normaalse ala valgustus määratakse valgustustiheduse E suhtega:
Valem (166) ja ka valem (165) toimuvad tingimusel, et valguse intensiivsus I ei muutu antud ruuminurga piires ühest suunast teise liikudes. IN muidu see valem kehtib ainult lõpmatu väikese ala puhul
Kui langevad kiired moodustavad valgustatud ala normaalnurgad, siis valemid (166) ja (167) muutuvad, kuna valgustatud ala suureneb. Selle tulemusena saame:
Kui sait on valgustatud mitmest allikast, siis selle valgustus
kus kiirgusallikate arv, st kogu valgustus on võrdne igast allikast saadud valgustuse summaga.
Valgustuse ühikuks loetakse koha valgustust, kui sellele langeb valgusvoog (koht on langevate kiirte suhtes normaalne). Seda seadet nimetatakse luksuseks
Kui kiirgusallika mõõtmeid ei saa tähelepanuta jätta, on paljude probleemide lahendamiseks vaja teada selle allika valgusvoo jaotust selle pinnal. Pinnaelemendist lähtuva valgusvoo ja selle elemendi pindala suhet nimetatakse heleduseks ja seda mõõdetakse luumenites. ruutmeeter Heledus iseloomustab ka peegeldunud valgusvoo jaotust.
Seega heledus
kus on allika pindala.
Valguse intensiivsuse suhet antud suunas helendava pinna projektsioonialasse selle suunaga risti olevale tasapinnale nimetatakse heleduseks.
Seetõttu heledus
kus on nurk koha ja valguse intensiivsuse suuna vahel
Väärtuse asendamine [vt. valem (160)), saame, et heledus
Valemist (173) järeldub, et heledus on voo teine tuletis piirkonna ruuminurga suhtes.
Heleduse ühikuks on kandela ruutmeetri kohta
Langeva kiirguse valgusenergia pinnatihedust nimetatakse kokkupuuteks:
Üldiselt võib valemis (174) sisalduv valgustus aja jooksul muutuda
Ekspositsioonil on suur praktiline tähtsus, näiteks fotograafias ja seda mõõdetakse lukssekundites
Valemeid (160)-(174) kasutatakse nii valguse kui ka energia suuruste arvutamiseks esiteks monokromaatilise kiirguse, st teatud lainepikkusega kiirguse jaoks ja teiseks kiirguse spektraaljaotuse puudumisel, mis tavaliselt esineb visuaalsetes optilistes instrumentides.
Kiirguse spektraalne koostis - kiirgusvõimsuse jaotus lainepikkuste vahel on suur tähtsus energiakoguste arvutamiseks selektiivsete kiirgusvastuvõtjate kasutamisel. Nende arvutuste jaoks võeti kasutusele spektraalse kiirgusvoo tiheduse mõiste [vt. valemid (157)-(159)].
Piiratud lainepikkuste vahemikus on meil vastavalt:
Valemitega määratud energiakogused kehtivad ka spektri nähtava osa kohta.
Peamised fotomeetrilised ja energiasuurused, neid määravad valemid ja SI ühikud on toodud tabelis. 5.
Fotomeetria on optika haru, mis tegeleb valgusvoogude ja selliste voogudega seotud suuruste mõõtmisega. Fotomeetrias kasutatakse järgmisi koguseid:
1) energiat – iseloomustada optilise kiirguse energiaparameetreid, sõltumata selle mõjust kiirgusvastuvõtjatele;
2) valgus – iseloomustavad valguse füsioloogilist toimet ja hinnatakse silmale (silma nn keskmise tundlikkuse alusel) või teistele kiirgusvastuvõtjatele avalduva mõju järgi.
1. Energiakogused. Kiirgusvoog Φ e – väärtus, võrdne suhtega energiat W kiirgus aja järgi t, mille käigus kiirgus toimus:
Kiirgusvoo ühik on vatt (W).
Energeetiline heledus (kiirgusvõime) R e– väärtus, mis võrdub pinna poolt kiiratava kiirgusvoo Φ e suhtega pindalasse S ristlõige, mida see vool läbib:
need. tähistab pinna kiirgusvoo tihedust.
Energeetilise heleduse ühikuks on vatt ruutmeetri kohta (W/m2).
Kiirguse intensiivsus:
kus Δ S – väike pind, risti kiirguse levimise suunaga, mille kaudu kantakse üle voog ΔΦ e.
Kiirguse intensiivsuse mõõtühik on sama mis energeetilise heleduse mõõtühik – W/m2.
Järgmiste väärtuste määramiseks peate kasutama ühte geomeetriline kontseptsioon – täisnurk , mis on mõne koonilise pinna avanemise mõõt. Nagu teada, on tasapinna nurga mõõt ringikaare suhe l selle ringi raadiuses r, st. (joonis 3.1 a). Samamoodi määratakse ruuminurk Ω (joonis 3.1 b) pinna suhtena palli segment S sfääri raadiuse ruudus:
Ruuminurga mõõtühik on steradiaan (ср) on ruuminurk, mille tipp asub kera keskel ja mis lõikab sfääri pinnalt välja raadiuse ruuduga võrdse ala: Ω = 1 ср, kui . Lihtne on kontrollida, kas kogu ruuminurk punkti ümber on võrdne 4π steradiaaniga - selleks peate jagama sfääri pinna selle raadiuse ruuduga.
Valguse energiaintensiivsus (kiirgusvõimsus ) St määratakse kasutades mõisted punktvalgusallika kohta – allikas, mille suurus võrreldes vaatluskoha kaugusega võib jääda tähelepanuta. Valguse energeetiline intensiivsus on väärtus, mis võrdub allika kiirgusvoo ja ruuminurga Ω suhtega, mille piires see kiirgus levib:
Valgusenergia ühik on vatt steradiaani kohta (W/sr).
Energia heledus (kiirgus) Ve– väärtus, mis võrdub valguse energiaintensiivsuse suhtega ΔI e piirkonda kiirgava pinna element ΔS selle elemendi projektsioon vaatlussuunaga risti olevale tasapinnale:
. (3.6)
Kiirgustugevuse ühik on vatt steradiaanmeetri ruudu kohta (W/(sr m2)).
Energia valgustus (kiirgustihedus) Tema iseloomustab valgustatud pinna ühikule langeva kiirgusvoo hulka. Kiirguse ühik on sama mis heledusühik (W/m2).
2. Kerged kogused. Optilistel mõõtmistel kasutatakse erinevaid kiirgusdetektoreid (näiteks silm, fotoelemendid, fotokordistajad), mis ei ole erinevate lainepikkuste energia suhtes sama tundlikkusega, seega selektiivne (selektiivne) . Iga vastuvõtja valguskiirgus mida iseloomustab tundlikkuse kõver erineva lainepikkusega valguse suhtes. Sellepärast valguse mõõtmised, olles subjektiivsed, erinevad objektiivsetest, energilistest ja nende jaoks tutvustatakse valgusühikud, kasutatakse ainult nähtava valguse jaoks. Põhiline valgusseade SI-s on valgustugevuse ühik - kandela (cd), mis on määratletud kui 540,10 12 Hz sagedusega monokromaatilist kiirgust kiirgava allika valgustugevus antud suunas, mille valgusenergia intensiivsus selles suunas on 1/683 W/sr. Valgusühikute määratlus on sarnane energiaühikutega.
Valgusvoog Φ valgust defineeritakse kui optilise kiirguse võimsust, mis põhineb selle tekitatud valgustundlikkusel (umbes selle mõju antud spektraalse tundlikkusega selektiivsele valgusvastuvõtjale).
Valgusvoo ühik - luumen (lm): 1 lm – valgusvoog, mida kiirgab punktallikas valgustugevusega 1 cd ruuminurga 1 sr sees (kiirgusvälja ühtlusega ruuminurga sees) (1 lm = 1 cd sr).
Valguse jõud I St. on valgusvooga seotud suhtega
, (3.7)
Kus dΦ St– ruuminurga all oleva allika poolt kiiratav valgusvoog dΩ. Kui I St. ei sõltu suunast, kutsutakse valgusallikat isotroopne. Isotroopse allika jaoks
. (3.8)
Energiavool . Φ e, mõõdetuna vattides, ja valgusvoog Φ St., mõõdetuna luumenites, on seotud suhtega:
, lm, (3,9)
Kus 
- konstantne, on nähtavuse funktsioon, mille määrab inimsilma tundlikkus erineva lainepikkusega kiirgusele. Maksimaalne väärtus saavutatakse kell 
. Kompleksis kasutatakse lainepikkusega laserkiirgust 
. Sel juhul .
Heledus R St määrab seos
. (3.10)
Heleduse ühikuks on luumen ruutmeetri kohta (lm/m2).
Heledus In φ helendav pind S kindlas suunas, mis moodustab pinna normaalnurgaga nurga φ, on väärtus, mis on võrdne antud suunas valguse intensiivsuse suhtega helendava pinna projektsioonipinnaga risti olevale tasapinnale. see suund:
. (3.11)
Nimetatakse allikaid, mille heledus on igas suunas ühesugune Lambertian (Lamberti seaduse alusel) või koosinus (sellise allika pinnaelemendi poolt saadetud voog on võrdeline ). Ainult täiesti must keha järgib rangelt Lamberti seadust.
Heleduse ühikuks on kandela ruutmeetri kohta (cd/m2).
Valgustus E– väärtus, mis võrdub pinnale langeva valgusvoo ja selle pinna pindala suhtega:
.
(3.12)
Valgustusühik - luksus (lx): 1 lx – pinna valgustamine 1 m2-le, millest langeb valgusvoog 1 lm (1 lm = 1 lx/m2).
Töökäsk
 Riis. 3.2. |
Ülesanne 1. Laseri valguse intensiivsuse määramine.
Mõõtes lahkneva laserkiire läbimõõtu kahes, vahemaaga eraldatud sektsioonis, saame leida kiire väikese divergentsinurga ja ruuminurga, milles kiirgus levib (joonis 3.2):
, (3.13)
Kandelade valgustugevus määratakse järgmise valemiga:
, (3.15)
Kus 
- konstantne, kiirgusvõimsus on seatud miinimumile - võrdne (laservoolu reguleerimisnupp on keeratud äärmuslik positsioon vastupäeva), on nähtavuse funktsioon, mille määrab inimsilma tundlikkus erineva lainepikkusega kiirgusele. Maksimaalne väärtus saavutatakse kell . Kompleksis kasutatakse lainepikkusega laserkiirgust . Sel juhul .
Katse
1. Paigaldage moodul 2 optilisele pingile ja reguleerige paigaldust vastavalt leheküljel kirjeldatud meetodile. Kui olete veendunud, et paigaldus on reguleeritud, eemaldage moodul 2.
2. Asetage objektiivi kinnitus emitterile (objekt 42). Paigaldage kondensaatori lääts (moodul 5) pingi otsa nii, et ekraan oleks emitteri poole. Parandage selle hindajate riskide koordinaat. Määrake kondensaatori ekraani abil laserkiire läbimõõt.
3. Liigutage kondensaator laserile 50–100 mm. Kinnitage märgi koordinaat ja määrake vastavalt kondensaatori ekraani abil tala läbimõõt.
4. Arvutage lineaarne nurk tala lahknevus valemi (3.13) järgi, võttes . Valemi (3.14) abil arvutatakse kiire divergentsi ruuminurk ja valemi (3.15) abil valgustugevus. Toota standardhinnang vead.
5. Korrake katset veel 4 korda kondensaatori teiste asenditega.
6. Sisestage mõõtmistulemused tabelitesse:
| № | , | , | ||||
| № | , % | ||||
Ülesanne 2. Intensiivsus sfäärilisel lainel
Laserkiirguse kiir muundatakse koguva läätse abil sfääriliseks laineks, mis esmalt koondub fookusesse ja pärast fookust lahkneb. Intensiivsuse muutuse olemust on vaja jälgida koordinaadiga - . Voltmeetri näitu kasutatakse väärtustena ilma absoluutväärtusteks teisendamata.
Katse
1. Eemaldage difuusori objektiivi kinnitus emitteri küljest. Paigaldage vaba pingi lõppu mikroprojektor (moodul 2) ja sulgege selle ette kondensaatorlääts (moodul 5). Veenduge, et mooduli 5 moodulist 2 eemale viimisel muutub paigaldusekraanil oleva koha suurus ja kiirguse intensiivsus koha keskel. Viige kondensaator tagasi algasendisse.
2. Asetage fotosensor - objekt 38 - mikroprojektori objekti tasapinnale, ühendage fotosensor multimeetriga, seadke multimeeter mõõtmisrežiimi DC pinge(mõõtevahemik - kuni 1 V) ja eemaldage pinge sõltuvus voltmeetrist mooduli 5 koordinaadist sammuga 10 mm, võttes võrdluspunktiks mooduli 2 märkide koordinaadi.
4. Määratlege peamised fotomeetrilised suurused (energia ja valgus), mis näitavad mõõtühikuid.
5. Mis on valguse põhiühik SI-s? Kuidas see määratakse?
6. Kuidas on seotud kiirgusvoog ja valgusvoog?
7. Millist valgusallikat nimetatakse isotroopseks? Kuidas on isotroopse allika valgustugevus ja valgusvoog seotud? Miks?
8. Millal nimetatakse valgusallikat Lambertiaks? Tooge näide rangelt Lamberti allikast.
9. Kuidas sõltub isotroopse punktallika poolt kiiratava valguslaine intensiivsus kaugusest allikani? Miks?
Küsimus 2. Fotomeetrilised suurused ja nende ühikud.
Fotomeetria on optika haru, mis tegeleb mõõtmisprobleemidega. energiaomadused optiline kiirgus levimisprotsessides ja ainega vastasmõjus. Fotomeetria kasutab energiakoguseid, mis iseloomustavad optilise kiirguse energiaparameetreid, sõltumata selle mõjust kiirgusvastuvõtjatele, samuti kasutatakse valguse füsioloogilisi mõjusid iseloomustavaid valguskoguseid, mida hinnatakse nende mõju järgi inimese silmadele või teistele vastuvõtjatele.
Energia kogused.
EnergiavoolF e – energiaga arvuliselt võrdne suurus W kiirgus, mis ajaühikus läbib energiaülekande suunaga risti olevat lõiku
F e = W/ t, vatti (W).
Energiavoog võrdub energia võimsusega.
Eraldatud energia tõeline allikasümbritsevasse ruumi, jaotunud üle selle pinna.
Energeetiline heledus(emissioon) R e – kiirgusvõimsus pinnaühiku kohta kõikides suundades:
R e = F e/ S, (W/m 2),
need. tähistab pinna kiirgusvoo tihedust.
Valguse energiajõud (kiirguse tugevus) I e määratakse punktvalgusallika mõiste abil – allikas, mille mõõtmed, võrreldes vaatluskoha kaugusega, võib tähelepanuta jätta. Valguse energiajõud I e väärtus, mis on võrdne kiirgusvoo suhtega F e allikast ruuminurgale ω , mille sees see kiirgus levib:
I e = F e/ ω , (W/kolmap) - vatt steradiaani kohta.
Täisnurk on teatud koonilise pinnaga piiratud ruumiosa. Ruuminurkade erijuhud on kolm- ja mitmetahulised nurgad. Täisnurk ω mõõdetuna pindala suhte järgi S see osa kerast, mille keskpunkt asub koonilise pinna tipus ja mis on selle ruuminurgaga lõigatud, kera raadiuse ruuduga, s.o. ω = S/r 2. Terviklik kera moodustab ruuminurga, mis on võrdne 4π steradiaaniga, s.o. ω = 4π r 2 /r 2 = 4π kolmap.
Allika valgustugevus sõltub sageli kiirguse suunast. Kui see ei sõltu kiirguse suunast, siis nimetatakse sellist allikat isotroopseks. Isotroopse allika puhul on valgustugevus
I e = F e/4π.
Laiendatud allika puhul saame rääkida selle pinna elemendi valgustugevusest dS.
Energia heledus (sära) IN e – väärtus, mis võrdub valguse energiaintensiivsuse suhtega Δ I e piirkonda kiirgava pinna element ΔS selle elemendi projektsioon vaatlussuunaga risti olevale tasapinnale:
IN e = Δ I e/Δ S. [(W/(keskm 2)].
Energia valgustus (kiirgustihedus) E e iseloomustab pinna valgustusastet ja on võrdne valgustatud pinna ühikule langeva kiirgusvoo hulgaga kõikidest suundadest ( W/m 2).
Fotomeetria kasutab seadust pöördruudud(Kepleri seadus): tasapinna valgustamine ristisuunas punktallikast jõuga I e kaugusel r see on võrdne:
E e = I e/ r 2 .
Optilise kiirguse kiire kõrvalekalle pinnaga risti olevast nurgast α viib valgustuse vähenemiseni (Lamberti seadus):
E e = Iökod α /r 2 .
Tähtis roll Kiirguse energiaomaduste mõõtmisel mängib rolli selle võimsuse ajaline ja spektraalne jaotus. Kui optilise kiirguse kestus on lühem kui vaatlusaeg, siis loetakse kiirgus impulssiks ja kui pikem, siis pidevaks. Allikad võivad kiirata erineva lainepikkusega kiirgust. Seetõttu kasutatakse praktikas kiirgusspektri mõistet - kiirgusvõimsuse jaotust lainepikkuseskaalal λ (või sagedused). Peaaegu kõik allikad kiirgavad erinevalt erinevad valdkonnad spekter
Lõpmatult väikese lainepikkuse intervalli jaoks dλ mis tahes fotomeetrilise suuruse väärtust saab määrata selle spektraaltiheduse abil. Näiteks energia heleduse spektraalne tihedus
R eλ = dW/dλ,
Kus dW– energia, mis kiirgub pinnaühikust ajaühiku kohta lainepikkuste vahemikus alates λ enne λ + dλ.
Kerged kogused. Optiliseks mõõtmiseks kasutatakse erinevaid kiirgusvastuvõtjaid, spektraalsed omadused mille tundlikkus erineva lainepikkusega valguse suhtes on erinev. Optilise kiirguse fotodetektori spektraalne tundlikkus on vastuvõtja reaktsiooni taset iseloomustava suuruse ja seda reaktsiooni põhjustava monokromaatilise kiirguse voo või energia suhe. Seal on absoluutne spektraalne tundlikkus, mida väljendatakse nimetatud ühikutes (näiteks A/W, kui vastuvõtja vastust mõõdetakse A) ja mõõtmeteta suhteline spektraalne tundlikkus - spektraalse tundlikkuse suhe antud kiirguse lainepikkusel spektraalse tundlikkuse maksimaalse väärtuse või spektraalse tundlikkuse suhe teatud lainepikkusel.
Fotodetektori spektraalne tundlikkus sõltub ainult selle omadustest, see on erinevate vastuvõtjate puhul erinev. Inimsilma suhteline spektraalne tundlikkus V(λ ) on näidatud joonisel fig. 5.3.
Silm on kõige tundlikum lainepikkusega kiirguse suhtes λ =555 nm. Funktsioon V(λ ) on selle lainepikkuse jaoks võrdne ühtsusega.
Sama energiavoo korral osutub visuaalselt hinnatud valguse intensiivsus teiste lainepikkuste puhul väiksemaks. Inimsilma suhteline spektraalne tundlikkus nende lainepikkuste puhul on väiksem kui ühtsus. Näiteks funktsiooni väärtus tähendab, et antud lainepikkusega valguse energiavoo tihedus peab olema 2 korda suurem kui valgusel, mille puhul visuaalsed aistingud oleksid ühesugused.
Valgussuuruste süsteem võetakse kasutusele võttes arvesse inimsilma suhtelist spektritundlikkust. Seetõttu erinevad valguse mõõtmised, olles subjektiivsed, objektiivsetest, energiamõõtmistest ning nende jaoks võetakse kasutusele valgusühikud, mida kasutatakse ainult nähtava valguse jaoks. Valguse põhiühik SI-süsteemis on valgustugevus - kandela (cd), mis võrdub sagedusega 5,4 10 14 monokromaatilist kiirgust kiirgava allika valguse intensiivsusega antud suunas Hz, mille valgusenergia selles suunas on 1/683 W/sr. Kõik muud valgussuurused on väljendatud kandelades.
Valgusühikute määratlus on sarnane energiaühikutega. Valguse koguste mõõtmiseks kasutage spetsiaalsed tehnikad ja instrumendid – fotomeetrid.
Valgusvoog . Valgusvoo ühik on luumen (lm). See on võrdne valgusvooga, mida kiirgab isotroopne valgusallikas intensiivsusega 1 cdühe steradiaani ruuminurga piires (kiirgusvälja ühtsusega ruuminurga piires):
1 lm = 1 cd·1 kolmap.
Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et lainepikkusega kiirguse tekitatud valgusvoog 1 lm λ = 555nm vastab energiavoolule 0,00146 W. Valgusvoog 1-s lm, mille moodustab erineva lainepikkusega kiirgus λ , vastab energiavoolule
F e = 0,00146/ V(λ ), W,
need. 1 lm = 0,00146 W.
Valgustus E- valgusvoo suhtega seotud väärtus F pinnale, alale kukkudes S see pind:
E = F/S, luksus (Okei).
1 Okei– pinna valgustus, 1 kohta m 2 millest valgusvoog langeb 1 lm (1Okei = 1 lm/m 2). Valgustuse mõõtmiseks kasutatakse instrumente, mis mõõdavad optilise kiirguse voogu kõikidest suundadest – luksimeetreid.
Heledus R Valguspinna C (heledus) teatud suunas φ on suurus, mis võrdub valgustugevuse suhtega I selles suunas väljakule S helendava pinna projektsioon tasapinnale, mis on risti etteantud suunaga:
R C= I/(S cos φ ), (cd/m 2).
Üldiselt on valgusallikate heledus eri suundades erinev. Allikad, mille heledus on kõigis suundades sama, nimetatakse Lamberti või koosinuslikuks, kuna sellise allika pinnaelemendi poolt kiiratav valgusvoog on võrdeline cosφ-ga. Sellele tingimusele vastab rangelt ainult täiesti must keha.
Iga piiratud vaatenurgaga fotomeeter on sisuliselt heleduse mõõtja. Heleduse ja kiirgustiheduse spektraalse ja ruumilise jaotuse mõõtmine võimaldab kõiki teisi fotomeetrilisi suurusi arvutada integreerimise teel.
1. Mis see on? füüsiline tähendus absoluutne näitaja
keskkonna murdumine?
2. Mis on suhteline näitaja murdumine?
3. Millistel tingimustel seda järgitakse? täielik peegeldus?
4. Mis on valgusjuhtide tööpõhimõte?
5. Mis on Fermat' põhimõte?
6. Kuidas erinevad energia- ja valguskogused fotomeetrias?