За квантификацијаЗрачењето користи прилично широк опсег на количини, кои можат да се поделат на два системи на единици: енергија и светлина. При што енергетски количестваго карактеризираат зрачењето поврзано со целиот оптички регион на спектарот, и количини на осветлување– до видливо зрачење. Количините на енергија се пропорционални со соодветните количини на осветлување.
Главната количина во енергетскиот систем што ни овозможува да ја процениме количината на зрачење е Флукс на зрачење на Fe, или моќ на зрачење, т.е. количина на енергија В, емитирана, пренесена или апсорбирана по единица време:
Вредноста на Fe е изразена во вати (W). – енергетска единица
Во повеќето случаи тие не земаат предвид квантна природапојава на зрачење и сметаат дека е континуирано.
Квалитативна карактеристика на зрачењето е распределбата на флуксот на зрачење низ спектарот.
За зрачење со континуиран спектар, воведен е концептот густина на флукс на спектрално зрачење (j l)– односот на моќта на зрачење што паѓа на одреден тесен дел од спектарот до ширината на овој дел (сл. 2.2). За тесен спектрален опсег длфлуксот на зрачење е еднаков на dФ l.Оската на ординатите ги покажува спектралните густини на флуксот на зрачење j l = dФ l / dl,затоа, протокот е претставен со областа на елементарен дел од графикот, т.е.
Ако спектарот на зрачење лежи во опсегот л 1пред л 2, потоа големината на флуксот на зрачење
Под прозрачен флукс F, В општ случај, разберете ја моќта на радијација проценета според нејзиниот ефект врз човечкото око. Единица за мерење прозрачен флуксе лумен (lm). - единица за осветлување
Дејството на светлосниот флукс на окото предизвикува тоа да реагира на одреден начин. Во зависност од нивото на дејство на светлосниот флукс, функционира еден или друг вид на светлосензитивни рецептори на окото, наречени прачки или конуси. Во услови ниско нивоосветлување (на пример, во светлината на Месечината), окото ги гледа околните објекти поради прачките. На високи нивоаПо осветлувањето, апаратот за дневна визија, за кој се одговорни конусите, почнува да работи.
Покрај тоа, конусите, според нивната супстанција чувствителна на светлина, се поделени во три групи со различна чувствителност кај различни областиспектар Затоа, за разлика од прачките, тие реагираат не само на светлосниот флукс, туку и на неговиот спектрален состав.
Во овој поглед, може да се каже дека светлосниот ефект е дводимензионален.
Квантитативната карактеристика на реакцијата на очите поврзана со нивото на осветлување се нарекува леснотија.Квалитативна карактеристика поврзана со различни нивоасе нарекуваат реакции на три групи конуси хроматичноста.
Светлосен интензитет (I).Во инженерството за осветлување, оваа вредност се зема како главен. Овој избор нема принципиелна основа, туку е направен од причини на погодност, бидејќи Интензитетот на светлината не зависи од растојанието.
Концептот на светлосен интензитет се однесува само на точкести извори, т.е. до извори чии димензии се мали во споредба со растојанието од нив до осветлената површина.
Моќта на светлината точка изворво некоја насока има по единица цврст агол Впроток на светлина Ф, емитирана од овој извор во дадена насока:
I = Ф / Ω
ЕнергијаСветлосниот интензитет се изразува во вати по стерадиан ( Вто/Сред).
Зад инженерство за осветлувањеусвоена единица за јачина на светлина кандела(cd) е светлосниот интензитет на точкаст извор кој емитира прозрачен флукс од 1 lm, рамномерно распореден во цврст агол од 1 стерадиан (sr).
Цврст агол е дел од просторот ограничен со конусна површина и затворена заоблена контура што не поминува низ темето на аголот (сл. 2.3). Кога конусна површина е компресирана, димензиите на сферичната површина o стануваат бесконечно мали. Цврстиот агол во овој случај исто така станува бесконечно мал:
Слика 2.3 – Кон дефиницијата на концептот „цврст агол“
Осветлување (E).Под енергетско осветлување Е ахразберете го флуксот на зрачење единица површинаосветлена површина П:
Зрачењето се изразува во W/m2.
Светлосно осветлување Еизразена со густина на прозрачниот тек Фна површината осветлена од него (сл. 2.4):
Се зема единицата на светлосно осветлување луксуз, т.е. осветлување на површина која прима прозрачен флукс од 1 lm рамномерно распореден над неа на површина од 1 m2.
Меѓу другите количини што се користат во инженерството за осветлување, важни се енергијарадијација Ниеили светлосна енергија В, како и енергијата Неили светлина Низложба.
Вредностите на Ние и W се одредуваат со изразите
каде се функциите на промените во флуксот на зрачење и светлосниот тек со текот на времето, соодветно. Се мериме во џули или W s, a Ш -во lm s.
Под енергија H e или изложеност на светлинаразберете густина на површинатаенергија на зрачење Ние или светлосна енергија Всоодветно на осветлената површина.
Тоа е изложеност на светлина Hова е производ на осветлувањето Е, создаден од извор на зрачење, некое време тефектите на ова зрачење.
Дефинициите на фотометриските величини на светлосните серии и математичките односи меѓу нив се слични на соодветните количини и односи на енергетската серија. Затоа проток на светлина, кој се протега во цврстиот агол, е еднаков на . Единица за мерење на прозрачен флукс ( лумен). За монохроматско светло односот помеѓу количината на енергија и светлинасе дава со формулите:
каде се нарекува константа механички еквивалент на светлината.
Светлосен флукс по интервал на бранова должина од лпред,
, (30.8)
Каде ј– Функција за дистрибуција на енергија преку бранови должини (види Сл. 30.1). Тогаш вкупниот прозрачен флукс што го носат сите бранови на спектарот е
. (30.9)
Осветлување
Светлосниот флукс може да дојде и од тела кои самите не светат, туку ја рефлектираат или расфрлаат светлината што се спушта на нив. Во такви случаи, важно е да се знае каков прозрачен флукс паѓа на одредена област на површината на телото. За таа цел се користи физичката количина, наречена илуминација
. (30.10)
Осветлувањее нумерички еднаков на односот на вкупниот прозрачен флукс кој се спушта на површинскиот елемент до површината на овој елемент (види Сл. 30.4). За еднообразен излез на светлина
Единица за осветлување 
(луксуз). Луксе еднакво на осветлувањето на површина со површина од 1 m2 кога на неа паѓа прозрачен флукс од 1 lm. Слично се одредува и зрачењето
Единица за зрачење.
Осветленост
За многу пресметки за осветлување, некои извори може да се сметаат како точкести извори. Меѓутоа, во повеќето случаи изворите на светлина се поставени доволно блиску за да се разликува нивната форма, со други зборови, аголните димензии на изворот се во рамките на способноста на окото или оптичкиот инструмент да разликува продолжен предмет од точка. За такви извори се воведува физичка количина наречена осветленост. Концептот на осветленост не е применлив за извори чии аголни димензии се помали од резолуцијата на окото или оптичкиот инструмент (на пример, ѕвездите). Осветленоста го карактеризира зрачењето прозрачна површинаво одредена насока. Изворот може да свети со сопствена или рефлектирана светлина.
Дозволете ни да избереме прозрачен флукс што се шири во одредена насока во цврст агол од делот на светлечката површина. Оската на зракот формира агол со нормалата на површината (види Сл. 30.5).
Проекција на дел од прозрачната површина на површина нормална на избраната насока,
(30.14)
повикани видлива површинаелемент на изворната локација (види Сл. 30.6).
Вредноста на прозрачниот флукс зависи од површината на видливата површина, од аголот и од цврстиот агол:
Факторот на пропорционалност се нарекува осветленост оптички својствазрачи површина и може да биде различна за различни насоки. Од (30,5) осветленост
. (30.16)
Така, осветленостсе определува со прозрачниот флукс што го испушта во одредена насока единица видлива површина по единица цврст агол. Или со други зборови: осветленоста во одредена насока е нумерички еднаква на интензитетот на светлината создадена по единица површина на видливата површина на изворот.
Општо земено, осветленоста зависи од насоката, но има извори на светлина за кои осветленоста не зависи од насоката. Таквите извори се нарекуваат Ламбертијанили косинус, бидејќи за нив важи законот на Ламберт: интензитетот на светлината во одредена насока е пропорционален на косинус на аголот помеѓу нормалата на површината на изворот и оваа насока:
каде што е интензитетот на светлината во правец на нормалата кон површината, и е аголот помеѓу нормалата кон површината и избраната насока. За да се обезбеди еднаква осветленост во сите правци, техничките светилки се опремени со школки од млечно стакло. Изворите на Ламберт кои испуштаат дифузна светлина вклучуваат површини обложени со магнезиум оксид, незастакнат порцелан, хартија за цртање и свежо паднат снег.
Единица за осветленост 
(гниди). Еве ги вредностите на осветленоста на некои извори на светлина:
Месечина - 2,5 knt,
флуоресцентна светилка - 7 knt,
влакно на сијалицата - 5 MNT,
сончева површина – 1,5 грн.
Најниската осветленост што ја согледува човечкото око е околу 1 μnt, а светлината што надминува 100 μnt предизвикува болна сензацијаво окото и може да го оштети видот. Светлината на лист бела хартија при читање и пишување треба да биде најмалку 10 нити.
Слично се одредува енергетската осветленост
. (30.18)
Мерна единица за зрачење.
Светлост
Да разгледаме извор на светлина со конечни димензии (осветлен со сопствена или рефлектирана светлина). Светлостизворот е површинската густина на прозрачниот флукс што се емитува од површината во сите правци во цврст агол. Ако површинскиот елемент испушта прозрачен флукс, тогаш
За рамномерна осветленост можеме да напишеме:
Мерна единица за осветленост.
Слично се одредува и енергетската осветленост
Единица енергетска сјајност.
Закони на просветлување
Фотометриските мерења се засноваат на два закони на осветлување.
1. Осветлувањето на површината со точкаст извор на светлина варира во обратна пропорција на квадратот на растојанието на изворот од осветлената површина. Размислете за точкаст извор (види Сл. 30.7) кој емитува светлина во сите правци. Да опишеме сфери со радиуси и концентрични со изворот околу изворот. Очигледно, прозрачниот флукс низ површините е ист, бидејќи се шири во истиот цврст агол. Тогаш осветлувањето на областите ќе биде, соодветно, и . Изразувајќи ги елементите на сферичните површини низ цврстиот агол, добиваме:
. (30.22)
2. Осветлувањето создадено на елементарна површина од прозрачниот флукс што се спушта на неа под одреден агол е пропорционален на косинус на аголот помеѓу насоката на зраците и нормалниот на површината. Да разгледаме паралелен сноп од зраци (види Сл. 29.8) кој се спушта на делови од површини и . Зраците паѓаат на површината по должината на нормалата, а на површината - под агол на нормалата. Истиот прозрачен флукс поминува низ двата дела. Осветлувањето на првиот и вториот дел ќе биде, соодветно, 
. Но, затоа,
Комбинирајќи ги овие два закони, можеме да формулираме основниот закон за осветлување: осветлувањето на површината со точкаст извор е директно пропорционално на светлосниот интензитет на изворот, косинус на аголот на инциденца на зраците и обратно пропорционален на квадратот на растојанието од изворот до површината
. (30.24)
Пресметките со помош на оваа формула даваат прилично точен резултат ако линеарните димензии на изворот не надминуваат 1/10 од растојанието до осветлената површина. Ако изворот е диск со дијаметар од 50 cm, тогаш во точка нормална на центарот на дискот релативна грешкаво пресметките за растојание од 50 cm достигнува 25%, за растојание од 2 m не надминува 1,5%, а за растојание од 5 m се намалува на 0,25%.
Ако има неколку извори, тогаш добиеното осветлување е еднакво на збирот на осветлувањето создадено од секој поединечен извор. Ако изворот не може да се смета за точкаст извор, неговата површина се дели на елементарни делови и, откако ќе се утврди осветлувањето создадено од секој од нив, според законот. 
, потоа се интегрираат низ целата површина на изворот.
Постојат стандарди за осветлување на работните места и просториите. На масите училнициОсветлувањето мора да биде најмалку 150 лукса за читање книги, потребно е осветлување, а за цртање - 200 лукс. За ходниците, осветлувањето се смета за доволно, за улиците - .
Најважниот извор на светлина за целиот живот на Земјата е Сонцето, кое создава горна границаатмосферата, енергетското зрачење наречено сончева константа - а осветлувањето е 137 klx. Енергетското осветлување создадено на површината на Земјата со директни зраци во лето е два пати помалку. Осветлувањето создадено од директна сончева светлина напладне на просечна географска ширина е 100 klx. Промената на годишните времиња на Земјата се објаснува со промена на аголот на инциденца сончеви зрацидо неговата површина. На северната хемисфера, аголот на инциденца на зраците на површината на Земјата е најголем во зима, а најмал во лето. Осветлувањето на отворен простор под облачно небо е 1000 лукс. Осветлувањето во светла просторија во близина на прозорец е 100 лукс. За споредба ви го претставуваме илуминацијата од полна месечина– 0,2 лукс и од ноќното небо во ноќ без месечина – 0,3 mlx. Растојанието од Сонцето до Земјата е 150 милиони километри, но поради фактот што силата сончева светлинаеднакво, осветлувањето создадено од Сонцето на површината на Земјата е толку големо.
За извори чијшто светлосен интензитет зависи од насоката, понекогаш тие користат просечен сферичен светлечки интензитет, каде е вкупниот прозрачен флукс на светилката. Сооднос на прозрачен флукс електрична светилкана неговата електрична моќност се нарекува прозрачна ефикасностсветилки: . На пример, блескаво светилка од 100 W има просечен сферичен интензитет на светлина од околу 100 cd. Вкупниот прозрачен флукс на таква светилка е 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm, а светлосната ефикасност е 12,6 lm/W. Светлосната ефикасност на флуоресцентните светилки е неколку пати поголема од онаа на светилките со вжарено и достигнува 80 lm/W. Дополнително, работниот век на флуоресцентните светилки надминува 10 илјади часа, додека за лампи со вжарено е помалку од 1000 часа.
Во текот на милиони години еволуција, човечкото око се приспособи на сончевата светлина, и затоа е пожелно спектралниот состав на светлината на светилката да биде што е можно поблизок до спектралниот состав на сончевата светлина. Флуоресцентните светилки во најголема мера го исполнуваат ова барање. Затоа се нарекуваат и флуоресцентни светилки. Осветленоста на влакното на сијалицата предизвикува болка во окото. За да се спречи ова, се користат млечни стаклени абажури и абажури.
Со сите свои предности, флуоресцентните светилки имаат и голем број на недостатоци: сложеност на колото за префрлување, пулсирање на светлосниот флукс (со фреквенција од 100 Hz), неможност за палење на студ (поради кондензација на жива), гас зуење (поради магнетострикција), еколошка опасност (жива од скршена светилка ја труе околината).
За да може спектралниот состав на зрачењето на ламбата со вжарено да биде ист како оној на Сонцето, би било неопходно да се загрее неговото влакно до температурата на површината на Сонцето, т.е. до 6200 К. Но, волфрам , најогноотпорниот метал, се топи веќе на 3660 К.
Температури блиски до температурата на површината на Сонцето се постигнуваат во лак празнењево жива пареа или ксенон под притисок од околу 15 атм. Моќта на светлината лак светилкаможе да се зголеми до 10 ден. Таквите светилки се користат во филмски проектори и рефлектори. Светилките исполнети со натриумова пареа се одликуваат со тоа што во нив значителен дел од зрачењето (околу една третина) е концентрирано во видлива областспектар (две интензивни жолти линии 589,0 nm и 589,6 nm). Иако емисијата на натриумовите светилки е многу различна од сончевата светлина позната на човечкото око, тие се користат за осветлување на автопатиштата, бидејќи нивната предност е нивната висока светлосна ефикасност, достигнувајќи 140 lm/W.
Фотометри
Се нарекуваат инструменти дизајнирани за мерење на интензитетот на светлината или светлечките флуксови од различни извори фотометри. Врз основа на принципот на регистрација, фотометрите се од два вида: субјективни (визуелни) и објективни.
Принципот на работа на субјективен фотометар се заснова на способноста на окото да ја сними со доволна точност истоста на осветлувањето (поточно, осветленоста) на две соседни полиња, под услов тие да бидат осветлени со светлина со иста боја.
Фотометрите за споредување на два извора се дизајнирани на таков начин што улогата на окото се сведува на утврдување на истоста на осветлувањето на две соседни полиња осветлени од изворите што се споредуваат (види Сл. 30.9). Окото на набљудувачот испитува бела триаголна призма инсталирана во средината на поцрнета цевка внатре. Призмата е осветлена од извори и. Со менување на растојанијата од изворите до призмата, можете да го изедначите осветлувањето на површините и. Потоа, каде и се интензитетите на светлината, соодветно, изворите и . Ако е познат светлосниот интензитет на еден од изворите (референтен извор), тогаш може да се одреди светлосниот интензитет на другиот извор во избраната насока. Со мерење на интензитетот на светлината на изворот во различни насоки, се наоѓа вкупниот прозрачен флукс, осветлувањето и сл.
Неможноста да се промени односот на растојанието во многу широки граници ја принудува употребата на други методи за слабеење на флуксот, како што е апсорпција на светлина со филтер со променлива дебелина - клин (види Сл. 30.10).
Една од сортите на методот на визуелна фотометрија е методот на изумирање, кој се заснова на употреба на постојан праг на чувствителност на окото за секој поединечен набљудувач. Чувствителноста на прагот на окото е најниската осветленост (околу 1 микрон) на која реагира човечкото око. Откако претходно го одредив прагот на чувствителност на окото, на некој начин (на пример, калибриран впивачки клин) осветленоста на изворот што се проучува се намалува на прагот на чувствителност. Знаејќи колку пати осветленоста е ослабена, можете да ја одредите апсолутната осветленост на изворот без референтен извор. Овој метод е исклучително чувствителен.
Директно мерење на вкупниот прозрачен флукс на изворот се врши во интегрални фотометри, на пример, во сферичен фотометар (види Сл. 30.11). Изворот што се проучува е суспендиран во внатрешната празнина на сфера побелена со мат површина внатре. Како резултат на повеќекратните рефлексии на светлината во сферата, се создава осветлување, определено со средна јачинаизвор на светлина. Осветлувањето на дупката, заштитено од директни зраци на екранот, е пропорционално на прозрачниот флукс: , каде е константата на уредот, во зависност од неговата големина и боја. Дупката е покриена со млечно стакло. Светлината на млечното стакло е исто така пропорционална на прозрачниот флукс. Се мери со помош на фотометарот опишан погоре или со друг метод. Во технологијата, се користат автоматизирани сферични фотометри со фотоелементи, на пример, за контрола на блескаво светилки на транспортерот на постројка за електрична светилка.
Објективни методиФотометријата е поделена на фотографска и електрична. Фотографските методи се засноваат на фактот дека поцрнувањето на фотосензитивниот слој е, во широк опсег, пропорционално на густината на светлосната енергија што паѓа на слојот за време на неговото осветлување, т.е. изложеност (види Табела 30.1). Овој метод одредува релативен интензитетдве блиску лоцирани спектрални линииво еден спектар или споредете ги интензитетите на иста линија во два соседни (земени на една фотографска плоча) спектра врз основа на оцрнување на одредени области на фотографската плоча.
Визуелните и фотографските методи постепено се заменуваат со електрични. Предноста на второто е што тие сосема едноставно вршат автоматска регистрација и обработка на резултатите, до употреба на компјутер. Електричните фотометри овозможуваат мерење на интензитетот на зрачење надвор од видливиот спектар.
ГЛАВА 31. ТЕРМИЛНО ЗРАЧЕЊЕ
31.1. Карактеристики топлинско зрачење
Телата загреани на доволно високи температури светат. Сјајот на телата предизвикан од загревањето се нарекува термичко (температурно) зрачење. Термичкото зрачење, како најзастапено во природата, се јавува поради енергијата термичко движењеатоми и молекули на супстанцијата (т.е. поради нејзината внатрешна енергија) и е карактеристична за сите тела на температури над 0 К. Термичкото зрачење се карактеризира со континуиран спектар, чија положба на максимумот зависи од температурата. На високи температури се емитува краткотрајно (видливо и ултравиолетово) зрачење електромагнетни бранови, на ниски - претежно долги (инфрацрвени).
Квантитативна карактеристика на топлинското зрачење е спектрална густинаенергетска сјајност (емисивност) на телото- моќност на зрачење по единица површина на телото во фреквентен опсег на единица ширина:
Rv, T =, (31.1)
каде е енергијата електромагнетно зрачење, емитирана по единица време (моќ на зрачење) од единица површина на телото во опсегот на фреквенција vпред v+dv.
Единица за спектрална густина на сјајност на енергија Рв, Т- џул на метар квадрат (J/m2).
Пишаната формула може да се претстави како функција од брановата должина:
=Rv, Tdv= R λ ,T dλ. (31.2)
Бидејќи с =λvυ, Тоа dλ/ dv = - CV 2 = - λ 2 /Со,
каде знакот минус покажува дека со зголемување на една од количините ( λ или v) друга количина се намалува. Затоа, во следново ќе го испуштиме знакот минус.
Така,
R υ,T =Rλ, T . (31.3)
Користејќи ја формулата (31.3) можете да одите од Рв, ТДо Rλ, Tи обратно.
Знаејќи ја спектралната густина на енергетската сјајност, можеме да пресметаме интегрална енергетска осветленост(интегрална емисивност), сумирање на сите фреквенции:
Р Т = . (31.4)
Способноста на телата да ја апсорбираат радијацијата што се случува на нив се карактеризира со спектрална апсорпција
A v,T =(31.5)
покажувајќи колкав дел од енергијата донесена по единица време по единица површина на тело со електромагнетни бранови што се спуштаат на него со фреквенции од vпред v+dv, се апсорбира од телото.
Спектралниот капацитет на апсорпција е бездимензионална количина. Количини Рв, ТИ A v, Tзависат од природата на телото, неговата термодинамичка температура и во исто време се разликуваат за зрачење со различни фреквенции. Затоа, овие вредности се нарекуваат одредени ТИ v(или подобро, до прилично тесен фреквентен опсег од vпред v+dv).
Се нарекува тело способно целосно да го апсорбира на која било температура целото зрачење од која било фреквенција што спаѓа на него црна.Следствено, спектралниот капацитет на апсорпција на црното тело за сите фреквенции и температури е идентично еднаков на единството ( A h v, T = 1). Во природата нема апсолутно црни тела, но телата како саѓи, платинесто црно, црно кадифе и некои други, во одреден опсег на фреквенции, се блиску до нив по своите својства.
Идеален моделцрното тело е затворена празнина со мала дупка, внатрешна површинакоја е поцрнета (сл. 31.1). Светлосен зрак што влегува на Сл. 31.1.
таквата празнина доживува повеќекратни рефлексии од ѕидовите, како резултат на што интензитетот на емитираното зрачење е практично еднаков на нула. Искуството покажува дека кога големината на дупката е помала од 0,1 од дијаметарот на шуплината, инцидентното зрачење на сите фреквенции целосно се апсорбира. Следствено отворени прозорцикуќите изгледаат црни од улицата, иако внатрешноста на собите е прилично светла поради одразот на светлината од ѕидовите.
Заедно со концептот на црно тело, се користи концептот сиво тело- тело чиј капацитет на апсорпција е помал од единството, но е ист за сите фреквенции и зависи само од температурата, материјалот и состојбата на површината на телото. Така, за сивото тело И со v,T< 1.
Кирхофовиот закон
Кирхофовиот закон: односот на спектралната густина на енергетската осветленост до спектралната апсорпција не зависи од природата на телото; тоа е универзална функција на фреквенцијата (бранова должина) и температурата за сите тела:
= рв, Т(31.6)
За црно тело A h v, T=1, затоа од законот на Кирхоф произлегува дека Рв, Тза црно тело е еднакво на r v, T. Така, универзалната функција Кирхоф r v, Tне е ништо повеќе од спектралната густина на енергетската сјајност на црното тело. Според тоа, според Кирхофовиот закон, за сите тела односот на спектралната густина на енергетската осветленост до спектралната апсорпција е еднаков на спектралната густина на енергетската сјајност на црно тело на иста температура и фреквенција.
Од законот Кирхоф произлегува дека спектралната густина на енергетската осветленост на кое било тело во кој било регион на спектарот е секогаш помала од спектралната густина на енергетската сјајност на црно тело (за истите вредности ТИ v), бидејќи A v, T < 1, и поэтому Рв, Т < r v υ,T. Дополнително, од (31.6) следува дека ако тело на дадена температура Т не апсорбира електромагнетни бранови во фреквентниот опсег од v, пред v+dv, тогаш е во овој фреквентен опсег на температура Ти не испушта, од кога A v, T=0, Рв, Т=0
Користејќи го Кирхофовиот закон, изразот за интегралната енергетска сјајност на црно тело (31.4) може да се напише како
R T = .(31.7)
За сиво тело Р со Т = А Т = А Т Р е, (31.8)
Каде Р е= -енергетска сјајност на црно тело.
Законот на Кирхоф го опишува само топлинското зрачење, кое е толку карактеристично за него што може да послужи како сигурен критериум за одредување на природата на зрачењето. Зрачењето кое не го почитува Кирхофовиот закон не е термичко.
За практични цели, од законот на Кирхоф произлегува дека телата со темна и груба површина имаат коефициент на апсорпција блиску до 1. Поради оваа причина, тие претпочитаат да носат темна облека во зима, а светла во лето. Но, телата со коефициент на апсорпција блиску до единството имаат и соодветно поголема енергетска сјајност. Ако земете два идентични садови, едниот со темна, груба површина, а ѕидовите на другиот се светли и сјајни, и истурете во нив исто количество врела вода, тогаш првиот сад ќе се олади побрзо.
31.3. Штефан-Болцман закони и поместувања во Виена
Од законот на Кирхоф произлегува дека спектралната густина на енергетската осветленост на црното тело е универзална функција, затоа наоѓањето на нејзината експлицитна зависност од фреквенцијата и температурата е важна задача во теоријата на топлинското зрачење.
Стефан, анализирајќи ги експерименталните податоци и Болцман, користејќи термодинамички метод, го решија овој проблем само делумно, утврдувајќи ја зависноста на енергетската сјајност Р ена температура. Според Законот на Стефан-Болцман,
R e = σ T 4, (31.9)
односно енергетската осветленост на црното тело е пропорционална на четвртини од моќноста на неговата термодинамичка температура; σ
- Стефан-Болцман константа: неа експериментална вредностеднакво на 5,67 × 10 -8 W / (m 2 × K 4).
Законот на Стефан-Болцман, дефинирајќи ја зависноста Р ена температурата не дава одговор во однос на спектралниот состав на зрачењето на црното тело. Од експерименталните криви на функцијата r λ, Tод бранова должина λ (r λ,T =´ ´ r ν,T) на различни температури (сл. 30.2) Сл. 31.2.
произлегува дека распределбата на енергијата во спектарот на црното тело е нерамномерна. Сите кривини имаат јасно дефиниран максимум, кој се поместува кон пократки бранови должини како што температурата се зголемува. Областа затворена со кривата r λ, Tод λ и x-оска, пропорционална на енергетската сјајност Р ецрно тело и, според тоа, според законот Стефан-Болцман, четвртина моќи на температурата.
V. Vin, потпирајќи се на законите на термо- и електродинамиката, ја утврди зависноста на брановата должина λ max што одговара на максимумот на функцијата r λ, T, на температура T. Според Виенски закон за поместување,
λ max =b/T, (31.10)
односно бранова должина λ
максимум соодветно максимална вредностспектрален
густина на сјајност r λ, Tна црно тело е обратно пропорционална на неговата термодинамичка температура. б - постојана винанеговата експериментална вредност е 2,9×10 -3 m×K.
Изразот (31.10) се нарекува виенски закон за поместување, тој го покажува поместувањето на положбата на максимумот на функцијата r λ, Tкако што температурата се зголемува во регионот на кратки бранови должини. Законот на Виена објаснува зошто, како што температурата на загреаните тела се намалува, зрачењето со долги бранови сè повеќе доминира во нивниот спектар (на пример, транзицијата бела топлинастанува црвено кога металот се лади).
Формулите на Рејли-Џинс и Планк
Од разгледувањето на законите Стефан-Болцман и Виена произлегува дека термодинамичкиот пристап кон решавањето на проблемот на пронаоѓање универзална функцијаКирхоф не ги даде посакуваните резултати.
Ригорозен обид теоретски да се заклучи врската r λ, Tприпаѓа на Рејли и Џенс, кои примениле методи на топлинско зрачење статистичка физика, кој ја искористи предноста класично право униформа дистрибуцијаенергија по степени на слобода.
Рејли-Џинсовата формула за густината на спектралната осветленост на црното тело ја има формата:
r ν, Т = <Е> = kT, (31.11)
Каде <Е>= kT– просечна енергија на осцилаторот со природна фреквенција ν .
Како што покажа искуството, изразот (31.11) е конзистентен со експерименталните податоци само во регионот на доволно ниски фреквенции и високи температури. Во регионот на високи фреквенции, оваа формула се разликува од експериментот, како и од законот за поместување на Виена. И добивањето на законот Стефан-Болцман од оваа формула води до апсурд. Овој резултат беше наречен „ултравиолетова катастрофа“. Оние. во рамките класична физикане успеа да ги објасни законите за дистрибуција на енергија во спектарот на црно тело.
Во опсегот на висока фреквенција, добра согласност со експериментот е дадена со формулата на Виена (Винов закон за зрачење):
r ν, T =Сν 3 А e –Аν/Т, (31.12)
Каде r ν, Т- спектрална густина на енергетската осветленост на црно тело, СОИ А – константи. Во модерната нотација со користење
Планкова константаЗаконот за радијација на Виена може да се напише како
r ν, T =. (31.13)
Правилниот израз за спектралната густина на енергетската осветленост на црно тело, во согласност со експерименталните податоци, беше пронајден од Планк. Според поставената квантна хипотеза, атомските осцилатори емитуваат енергија не постојано, туку во одредени делови - кванти, а енергијата на квантот е пропорционална на фреквенцијата на осцилација
Е 0 =hν = hс/λ,
Каде ч=6,625×10 -34 J×s – Планкова константа Бидејќи зрачењето се емитува во делови, осцилаторната енергија Еможе да земе само одредени дискретни вредности , множители на цел број на елементарни делови на енергија Е 0
E = nhν(n= 0,1,2…).
ВО во овој случајпросечна енергија<Е> осцилаторот не може да се земе еднаков kT.
При приближување дека распределбата на осцилаторите преку можни дискретни состојби се покорува на распределбата на Болцман, просечната енергија на осцилаторот е еднаква на
<Е> = , (31.14)
а спектралната густина на енергетската сјајност се одредува со формулата
r ν, Т = . (31.15)
Планк ја изведе формулата за универзалната функција Кирхоф
r ν, Т = , (31.16)
што е во согласност со експерименталните податоци за распределбата на енергијата во спектрите на зрачењето на црното тело во целиот опсег на фреквенции и температури.
Од формулата на Планк, знаејќи ги универзалните константи ч,кИ Со, можеме да ги пресметаме Стефан-Болцмановите константи σ и вино б. И обратно. Формулата на Планк добро се согласува со експерименталните податоци, но содржи и посебни закони за топлинско зрачење, т.е. е целосно решениепроблеми со топлинското зрачење.
Оптичка пирометрија
Законите на топлинското зрачење се користат за мерење на температурата на топли и самосветлечки тела (на пример, ѕвезди). Методите за мерење високи температури кои ја користат зависноста на спектралната густина на енергетската сјајност или интегралната енергетска сјајност на телата од температурата се нарекуваат оптичка пирометрија. Уредите за мерење на температурата на загреаните тела врз основа на интензитетот на нивното топлинско зрачење во оптичкиот опсег на спектарот се нарекуваат пирометри. Во зависност од тоа кој закон за топлинско зрачење се користи при мерење на температурата на телата, се разликуваат температурите на зрачење, боја и осветленост.
1. Температура на зрачење- ова е температурата на црно тело на која неговата енергетска сјајност Р ееднаква на енергетската сјајност Р ттелото што се проучува. Во овој случај, енергетската осветленост на телото што се испитува се евидентира и неговата температура на зрачење се пресметува според законот Стефан-Болцман:
T r =.
Температура на зрачење Т рТелото е секогаш помало од неговата вистинска температура Т.
2.Шарена температура. За сиви тела (или тела слични на нив по својства), спектралната густина на енергетската сјајност
R λ,Τ = Α Τ r λ,Τ,
Каде A t =конст < 1. Следствено, дистрибуцијата на енергија во спектарот на зрачење на сиво тело е иста како и во спектарот на црно тело со иста температура, затоа виенскиот закон за поместување е применлив за сиви тела. Познавање на брановата должина λ m секира што одговара на максималната спектрална густина на енергетската осветленост Rλ, Τна телото што се испитува, може да се одреди неговата температура
Т в = б/ λ м ах,
која се нарекува температура на бојата. За сивите тела, температурата на бојата се совпаѓа со вистинската. За телата кои се многу различни од сивата (на пример, оние со селективна апсорпција), концептот на температура на бојата го губи своето значење. На овој начин се одредува температурата на површината на Сонцето ( Т в=6500 K) и ѕвезди.
3.Температура на осветленоста T i, е температурата на црно тело на која, за одредена бранова должина, неговата спектрална густина на сјајност еднаква на спектралната густина на енергетската сјајност на телото што се проучува, т.е.
r λ,Τ = R λ,Τ,
Каде Т– вистинска телесна температура, која е секогаш повисока од температурата на осветленоста.
Како пирометар за осветленост обично се користи пирометар на филамент што исчезнува. Во овој случај, сликата на пирометарската нишка станува неразлична на позадината на површината на жешкото тело, т.е. се чини дека влакното „исчезнува“. Со помош на милиамметар калибриран црно тело, може да се одреди температурата на осветленоста.
Извори на топлинска светлина
Сјајот на жешките тела се користи за создавање извори на светлина. Црните тела треба да бидат најдобри извори на топлинска светлина, бидејќи нивната густина на спектрална сјајност за која било бранова должина е поголема од густината на спектралната сјајност на нецрните тела земени на исти температури. Сепак, излегува дека за некои тела (на пример, волфрам) кои имаат селективност на топлинското зрачење, процентот на енергија што му се припишува на зрачењето во видливиот регион на спектарот е значително поголем отколку за црно тело загреано на иста температура. Затоа, волфрам, кој има и висока точка на топење, е најдобриот материјалза производство на филаменти на светилки.
Температурата на волфрамовото влакно во вакуумските светилки не треба да надминува 2450 K, бидејќи на повисоки температури е силно распрскано. Максималното зрачење на оваа температура одговара на бранова должина од 1,1 микрони, т.е., многу далеку од максималната чувствителност на човечкото око (0,55 микрони). Цилиндрите на светилката за полнење инертни гасови(на пример, мешавина од криптон и ксенон со додавање на азот) при притисок од 50 kPa овозможува да се зголеми температурата на филаментот до 3000 K, што доведува до подобрување на спектралниот состав на зрачењето. Сепак, излезот на светлината не се зголемува, бидејќи дополнителните загуби на енергија се јавуваат поради размена на топлина помеѓу влакното и гасот поради топлинска спроводливост и конвекција. За да се намалат загубите на енергија поради размена на топлина и да се зголеми излезната светлина на светилките наполнети со гас, влакното е направено во форма на спирала, чии поединечни вртења се загреваат едни со други. На висока температураоколу оваа спирала се формира стационарен слој на гас и преносот на топлина поради конвекцијата се елиминира. Енергетска ефикасност блескаво светилки во моментов не надминуваат 5%.
За да се процени енергијата на зрачењето и нејзиниот ефект врз приемниците на зрачење, кои вклучуваат фотоелектрични уреди, термички и фотохемиски приемници, како и око, се користат количества енергија и светлина.
Енергетските количини се карактеристики оптичко зрачење, што се однесува на целиот оптички опсег.
Око за долго времебеше единствениот примач на оптичко зрачење. Затоа, историски се развило дека за квалитативна и квантитативна проценка на видливиот дел од зрачењето се користат светлосни (фотометриски) величини кои се пропорционални на соодветните енергетски величини.
Концептот на флукс на зрачење кој се однесува на целиот оптички опсег беше даден погоре. Количината што во системот на количества светлина одговара на флуксот на зрачење,
е светлосниот флукс Ф, т.е. моќноста на зрачењето проценета од стандарден фотометриски набљудувач.
Да ги разгледаме лесните количини и нивните единици, а потоа да ја најдеме врската помеѓу овие количини и енергетските.
Да се оцени два извора видливо зрачењесе споредува нивната луминисценција во правец на истата површина. Ако сјајот на еден извор се земе како единство, тогаш со споредување на сјајот на вториот извор со првиот добиваме вредност наречена светлосен интензитет.
ВО Меѓународен системЕдиниците SI за единицата на светлосен интензитет е канделата, чија дефиниција беше одобрена од XVI Генерална конференција (1979).
Кандела е светлосен интензитет во дадена насока на извор кој емитува монохроматско зрачење со фреквенција од Hz, енергетска силачија светлина во оваа насока е
Светлосен интензитет или аголна густина на прозрачниот флукс,
каде е светлосниот флукс во одредена насока во цврстиот агол
Цврст агол е дел од просторот ограничен со произволна конусна површина. Ако опишеме сфера од врвот на оваа површина како од центарот, тогаш површината на делот на сферата отсечена од конусната површина (слика 85) ќе биде пропорционална на квадратот на радиусот на сферата:
Коефициентот на пропорционалност е вредноста на цврстиот агол.
Единицата за цврст агол е стерадиан, кој е еднаков на цврстиот агол со неговото теме во центарот на сферата, отсекувајќи ја површината на површината на сферата, еднаква на површинатаквадрат со страна еднаков на радиусотсфери. Целосната сфера формира цврст агол
Ориз. 85. Цврст агол
Ориз. 86. Зрачење во цврст агол
Ако изворот на зрачење се наоѓа на темето на десниот кружен конус, тогаш цврстиот агол доделен во просторот е ограничен од внатрешната празнина на оваа конусна површина. Знаејќи ја вредноста на аголот на рамнината помеѓу оската и генератриксот на конусната површина, можеме да го одредиме соодветниот цврст агол.
Дозволете ни да избереме во цврстиот агол бесконечно мал агол што отсекува бескрајно тесен прстенест пресек на сферата (сл. 86). Овој случај се однесува на најчестата осносиметрична распределба на светлосен интензитет.
Областа на прстенестиот пресек е местото каде што растојанието од оската на конусот до тесната ширина на прстенот
Според сл. каде е радиусот на сферата.
Затоа каде
Цврст агол што одговара на рамен агол
За хемисфера, цврстиот агол на сферата е -
Од формулата (160) произлегува дека прозрачниот флукс
Ако интензитетот на светлината не се менува при движење од една во друга насока, тогаш
Навистина, ако изворот на светлина со светлосен интензитет е поставен на темето на цврст агол, тогаш истиот прозрачен флукс пристигнува на сите области ограничени со конусна површина што го разликува овој цврст агол во просторот на пресеци на концентрични сфери со центар на темето на цврстиот агол . Потоа, како што покажува искуството, степенот на осветлување на овие области е обратно пропорционален на квадратите на радиусите на овие сфери и директно пропорционален на големината на областите.
Така, важи следната еднаквост: т.е. формула (165).
Даденото оправдување за формулата (165) важи само во случај кога растојанието помеѓу изворот на светлина и осветлената област е доволно големо во споредба со големината на изворот и кога медиумот помеѓу изворот и осветлената област не апсорбира или расејува светлосна енергија.
Единицата на прозрачен флукс е луменот (lm), што е флукс во цврст агол кога светлосниот интензитет на изворот лоциран на темето на цврстиот агол е еднаков на
Осветлувањето на областа нормална на упадните зраци се определува со односот наречен осветлување Е:
Формулата (166), како и формулата (165), се одвиваат под услов интензитетот на светлината I да не се менува при движење од една насока во друга во даден цврст агол. ВО во спротивнооваа формула ќе важи само за бесконечно мала област
Ако упадните зраци формираат агли со нормалата на осветлената област, тогаш формулите (166) и (167) ќе се променат, бидејќи осветлената област ќе се зголеми. Како резултат добиваме:
Кога локацијата е осветлена од неколку извори, неговото осветлување
каде што бројот на извори на зрачење, односно вкупното осветлување е еднакво на збирот на осветлувањето што го добива локацијата од секој извор.
Единицата на осветлување се зема како осветлување на локацијата кога на неа паѓа прозрачен флукс (локацијата е нормална на упадните зраци). Оваа единица се нарекува луксуз
Ако димензиите на изворот на зрачење не можат да се занемарат, тогаш за да се решат голем број проблеми потребно е да се знае распределбата на светлосниот флукс на овој извор над неговата површина. Односот на прозрачниот флукс што произлегува од површинскиот елемент до површината на овој елемент се нарекува осветленост и се мери во лумени по квадратен метарСветлината, исто така, ја карактеризира дистрибуцијата на рефлектираниот светлосен флукс.
Така, осветленоста
каде е површината на изворот.
Односот на интензитетот на светлината во дадена насока до областа на проекција на прозрачната површина на рамнина нормална на оваа насока се нарекува осветленост.
Затоа, осветленоста
каде е аголот помеѓу нормалата на местото и насоката на интензитетот на светлината
Замена на вредноста [види. формулата (160)), добиваме дека осветленоста
Од формулата (173) следува дека осветленоста е вториот дериват на флуксот во однос на цврстиот агол на површината.
Единицата за осветленост е кандела по квадратен метар
Површинската густина на светлосната енергија на инцидентното зрачење се нарекува изложеност:
Општо земено, осветлувањето вклучено во формулата (174) може да се промени со текот на времето
Изложбата има голем практично значење, на пример во фотографијата и се мери во лукс секунди
Формулите (160)-(174) се користат за пресметување на количествата светлина и енергија, прво, за монохроматско зрачење, т.е. зрачење со одредена бранова должина, и второ, во отсуство на земање предвид на спектралната дистрибуција на зрачењето, што обично се јавува во визуелните оптички инструменти.
Спектралниот состав на зрачењето - распределбата на моќта на зрачењето над брановите должини има големо значењеза пресметување на количините на енергија при користење на селективни приемници на зрачење. За овие пресметки, беше воведен концептот на густина на флукс на спектрално зрачење [види. формули (157)-(159)].
Во ограничен опсег на бранови должини, соодветно имаме:
Енергетските количини утврдени со формулите се применуваат и на видливиот дел од спектарот.
Главните фотометриски и енергетски величини, нивните дефинирачки формули и SI единици се дадени во Табела. 5.
Фотометријае гранка на оптика која се занимава со мерење на светлосните текови и количините поврзани со таквите текови. Следниве количини се користат во фотометријата:
1) енергија – карактеризирање на енергетските параметри на оптичкото зрачење без оглед на неговото влијание врз приемниците на зрачење;
2) светлина – го карактеризираат физиолошкиот ефект на светлината и се оценуваат според ефектот врз окото (врз основа на таканаречената просечна чувствителност на окото) или други приемници на зрачење.
1. Количини на енергија. Флукс на зрачење Φ e – вредност, еднаков на односотенергија Взрачење по време т, при што настанало зрачењето:
Единицата за флукс на зрачење е вати (W).
Енергетска осветленост (емисивност) Р е– вредност еднаква на односот на флуксот на зрачење Φ e емитуван од површината со површината Спресек низ кој минува овој тек:
тие. ја претставува густината на површинскиот флукс на зрачење.
Единицата за енергетска осветленост е вати по квадратен метар (W/m2).
Интензитетот на зрачење:
каде Δ С – мала површина, нормално на правецот на ширење на зрачењето, низ кој се пренесува флуксот ΔΦ e.
Мерната единица за интензитет на зрачење е иста како и за енергетската осветленост – W/m2.
За да ги одредите следните вредности, ќе треба да користите една геометриски концепт – цврст агол , што е мерка за отворање на некоја конусна површина. Како што е познато, мерката на рамниот агол е односот на лакот на кругот лдо радиусот на овој круг р, т.е. (Сл. 3.1 а). Слично на тоа, цврстиот агол Ω се одредува (сл. 3.1 б) како однос на површината сегмент на топка S до квадратот на радиусот на сферата:
Мерната единица за цврст агол е стерадиски (ср) е цврст агол, чие теме се наоѓа во центарот на сферата и кое отсекува површина на површината на сферата еднаква на квадратот на радиусот: Ω = 1 ср, ако . Лесно е да се потврди дека вкупниот цврст агол околу една точка е еднаков на 4π стерадијани - за да го направите ова, треба да ја поделите површината на сферата со квадратот на нејзиниот радиус.
Енергетскиот интензитет на светлината (моќ на зрачење ) Односноутврдени со користење концепти за точкаст извор на светлина – извор чија големина во споредба со растојанието до местото на набљудување може да се занемари. Енергетскиот интензитет на светлината е вредност еднаква на односот на изворниот флукс на зрачење со цврстиот агол Ω во кој се шири ова зрачење:
Единицата за светлечка енергија е вати по стерадиан (W/sr).
Енергетска осветленост (зрачење) V е– вредност еднаква на односот на енергетскиот интензитет на светлината ΔI eелемент на површината што зрачи во областа ΔSпроекција на овој елемент на рамнина нормална на насоката на набљудување:
. (3.6)
Единицата за зрачење е вати по стерадиски метар на квадрат (W/(sr m2)).
Енергетско осветлување (зрачење) Тааја карактеризира количината на флукс на зрачење што се спушта на единица на осветлена површина. Единицата за зрачење е иста како и единицата за осветленост (W/m2).
2. Лесни количини.Во оптичките мерења се користат различни детектори за зрачење (на пример, око, фотоелементи, фотомултипликатори), кои немаат иста чувствителност на енергијата на различни бранови должини, со што се селективен (селективен) . Секој приемник светлосно зрачењесе карактеризира со неговата крива на чувствителност на светлина со различни бранови должини. Затоа светлосни мерења, кои се субјективни, се разликуваат од објективни, енергични и за нив се воведени светлосни единици, се користи само за видлива светлина. Основна светлосна единица во SI е единицата за интензитет на светлина - кандела (cd), што е дефинирано како интензитет на светлина во дадена насока на извор кој емитува монохроматско зрачење со фреквенција од 540·10 12 Hz, чијшто интензитет на светлечка енергија во оваа насока е 1/683 W/sr. Дефиницијата за светлосни единици е слична на енергетските единици.
Проток на светлина Φ светлината се дефинира како моќта на оптичкото зрачење врз основа на светлосната сензација што ја предизвикува (за нејзиниот ефект врз селективен приемник на светлина со дадена спектрална чувствителност).
Единица за прозрачна флукс - лумен (lm): 1 lm – прозрачен флукс испуштен од точкаст извор со светлосен интензитет од 1 cd во цврст агол од 1 sr (со униформност на полето на зрачење во цврстиот агол) (1 lm = 1 cd sr).
Моќта на светлината Јас Св.е поврзан со светлечкиот флукс со релацијата
, (3.7)
Каде dΦ Св– прозрачен флукс испуштен од извор во цврст агол dΩ. Ако Јас Св.не зависи од насоката, се нарекува изворот на светлина изотропни. За изотропен извор
. (3.8)
Проток на енергија . Φ e, мерено во вати, и прозрачен флукс Φ Св., мерени во лумени, се поврзани со односот:
, lm, (3,9)
Каде 
- константа, е функција на видливоста, одредена од чувствителноста на човечкото око на зрачење со различни бранови должини. Максималната вредност се постигнува на 
. Комплексот користи ласерско зрачење со бранова должина 
. Во овој случај .
Светлост Р Свсе определува со релацијата
. (3.10)
Единицата за осветленост е лумен на квадратен метар (lm/m2).
Осветленост Во φпрозрачна површина Сво одредена насока формирајќи агол φ со нормалата на површината, има вредност еднаква на односот на интензитетот на светлината во дадена насока до областа на проекција на светлечката површина на рамнина нормална на оваа насока:
. (3.11)
Се нарекуваат извори чија осветленост е иста во сите правци Ламбертијан (предмет на законот на Ламберт) или косинус (флуксот испратен од површинскиот елемент на таков извор е пропорционален на ). Само целосно црно тело строго го следи законот на Ламберт.
Единицата за осветленост е кандела на метар квадрат (cd/m2).
Осветлување Е- вредност еднаква на односот на прозрачниот флукс што се спушта на површината до површината на оваа површина:
.
(3.12)
Единица за осветлување - луксуз (lx): 1 lx – осветлување на површина на 1 m2 од кои паѓа светлечки флукс од 1 lm (1 lm = 1 lx/m2).
Работниот ред
 Ориз. 3.2. |
Задача 1. Одредување на интензитетот на ласерската светлина.
Со мерење на дијаметарот на дивергентниот ласерски зрак во два негови делови, разделени со растојание, можеме да го најдеме аголот на дивергенција на малиот зрак и цврстиот агол во кој се шири зрачењето (сл. 3.2):
, (3.13)
Светлосниот интензитет во канделите се одредува со формулата:
, (3.15)
Каде 
- константна, моќноста на зрачењето е поставена на минимум - еднаква (копчето за прилагодување на ласерската струја е свртено на екстремна положбаспротивно од стрелките на часовникот), е функција на видливоста одредена од чувствителноста на човечкото око на зрачење со различни бранови должини. Максималната вредност се постигнува на . Комплексот користи ласерско зрачење со бранова должина . Во овој случај .
Експериментирајте
1. Инсталирајте го модулот 2 на оптичката клупа и прилагодете ја инсталацијата според методот опишан на страницата. Откако ќе се уверите дека инсталацијата е прилагодена, отстранете го модулот 2.
2. Ставете го додатокот за објективот на емитерот (објект 42). Инсталирајте ја кондензаторската леќа (модул 5) на крајот од клупата со екранот свртен кон емитер. Поправете ја координатата на ризиците на нејзините оценувачи. Со помош на екранот на кондензаторот, одреди го дијаметарот на ласерскиот зрак.
3. Поместете го кондензаторот на ласерот 50 - 100 mm. Поправете ја координатата на ознаката и, соодветно, одредете го дијаметарот на зракот со помош на екранот на кондензаторот.
4. Пресметај линеарен аголдивергенција на зракот според формулата (3.13), земајќи . Пресметајте го цврстиот агол на дивергенција на зракот користејќи ја формулата (3.14) и интензитетот на светлината користејќи ја формулата (3.15). Производство стандардно оценувањегрешки.
5. Изведете го експериментот уште 4 пати со други позиции на кондензаторот.
6. Внесете ги резултатите од мерењето во табелите:
| № | , | , | ||||
| № | , % | ||||
Задача 2. Интензитет во сферичен бран
Зракот на ласерското зрачење се трансформира со собирна леќа во сферичен бран, прво конвергирање кон фокусот, а по фокусот - дивергирање. Потребно е да се следи природата на промената на интензитетот со координатата - . Читањата на волтметарот се користат како вредности без конверзија во апсолутни вредности.
Експериментирајте
1. Отстранете го додатокот за објективот на дифузорот од емитерот. На крајот од слободната клупа, инсталирајте микропроектор (модул 2) и затворете пред него кондензаторска леќа (модул 5). Погрижете се кога го оддалечувате модулот 5 од модулот 2, големината на местото на екранот за инсталација и интензитетот на зрачењето во центарот на местото да се менуваат. Вратете го кондензаторот во првобитната положба.
2. Ставете фотосензор - објект 38 - во објектната рамнина на микропроекторот, поврзете го фотосензорот со мултиметарот, поставете го мултиметарот во режим на мерење DC напон(мерен опсег - до 1 V) и отстранете ја зависноста на напонот од волтметарот од координатата на модулот 5 со чекор од 10 mm, земајќи ја координатата на ознаките на модулот 2 како референтна точка.
4. Дајте дефиниции за главните фотометриски величини (енергија и светлина) што укажуваат на мерните единици.
5. Која е основната единица на светлината во SI? Како се одредува?
6. Како се поврзани флуксот на зрачење и прозрачниот тек?
7. Кој извор на светлина се нарекува изотропен? Како се поврзани светлосниот интензитет и прозрачниот флукс на изотропниот извор? Зошто?
8. Кога изворот на светлина се нарекува Ламбертијан? Наведи пример за строго Ламбертовски извор.
9. Како интензитетот на светлосниот бран емитиран од изотропниот точкаст извор зависи од растојанието до изворот? Зошто?
Прашање 2. Фотометриски величини и нивни единици.
Фотометријата е гранка на оптиката која се занимава со проблеми со мерењето. енергетски карактеристикиоптичко зрачење во процесите на ширење и интеракција со материјата. Фотометријата користи енергетски количества кои ги карактеризираат енергетските параметри на оптичкото зрачење, без оглед на неговото влијание врз примачите на зрачење, а исто така користи и светлосни количини кои ги карактеризираат физиолошките ефекти на светлината и се проценуваат според нивниот ефект врз човечките очи или другите приемници.
Количини на енергија.
Проток на енергијаФ e – количина нумерички еднаква на енергија Взрачење што минува низ дел нормално на насоката на пренос на енергија по единица време
Ф e = В/ т, вати (В).
Протокот на енергија е еквивалентен на енергетската моќност.
Емитирана енергија вистински изворво околниот простор, распореден по неговата површина.
Енергетска сјајност(емисивност) Р e – моќност на зрачење по единица површина во сите правци:
Р e = Фд/ С, (В/м 2),
тие. ја претставува густината на површинскиот флукс на зрачење.
Енергетска моќ на светлината (јачина на зрачење) Јас e се одредува со користење на концептот на точка извор на светлина - извор чии димензии, во споредба со растојанието до местото на набљудување, може да се занемарат. Енергетска моќ на светлината Јас e вредност еднаква на односот на флуксот на зрачење Фе извор до цврст агол ω , во кој ова зрачење се шири:
Јас e = Фд/ ω , (В/ср) - вати по стерадиан.
Цврст агол е дел од просторот ограничен со одредена конусна површина. Посебни случаи на цврсти агли се триедарните и полиедарните агли. Цврст агол ω мерено со односот на површината Соној дел од сферата со центар на темето на конусната површина, кој е пресечен со овој цврст агол, до квадратот на радиусот на сферата, т.е. ω = С/р 2. Целосната сфера формира цврст агол еднаков на 4π стерадијани, т.е. ω = 4π р 2 /р 2 = 4π ср.
Светлосниот интензитет на изворот често зависи од насоката на зрачењето. Ако не зависи од насоката на зрачењето, тогаш таков извор се нарекува изотроп. За изотропниот извор, светлосниот интензитет е
Јас e = Ф e/4π.
Во случај на продолжен извор, можеме да зборуваме за светлосниот интензитет на елементот на неговата површина dS.
Енергетска осветленост (сјај) ВО e – вредност еднаква на односот на енергетскиот интензитет на светлината Δ Јасе елемент од површината што зрачи во областа ΔSпроекција на овој елемент на рамнина нормална на насоката на набљудување:
ВО e = Δ Јас e/Δ С. [(В/(просечно.м 2)].
Енергетско осветлување (зрачење) Е e го карактеризира степенот на осветлување на површината и е еднаков на количината на флукс на зрачење од сите правци што се спушта на единица на осветлена површина ( В/м 2).
Во фотометријата се користи законот инверзни квадрати(Кеплеровиот закон): осветлување на рамнина од нормална насока од точкаст извор со сила Јасд на далечина ртоа е еднакво на:
Е e = Јасд/ р 2 .
Отстапување на зрак на оптичко зрачење од нормално на површината за агол α доведува до намалување на осветлувањето (законот на Ламберт):
Е e = Јасекос α /р 2 .
Важна улогаПри мерењето на енергетските карактеристики на зрачењето, улога играат временската и спектралната дистрибуција на неговата моќност. Ако времетраењето на оптичкото зрачење е помало од времето на набљудување, тогаш зрачењето се смета за импулсно, а ако е подолго, се смета за континуирано. Изворите можат да испуштаат зрачење со различни бранови должини. Затоа, во пракса, се користи концептот на спектар на зрачење - распределба на моќта на зрачење по скалата на бранова должина λ (или фреквенции). Речиси сите извори различно емитуваат на различни областиспектар
За бесконечно мал интервал на бранова должина dλвредноста на која било фотометриска величина може да се определи со помош на нејзината спектрална густина. На пример, спектралната густина на енергетската сјајност
Р eλ = dW/dλ,
Каде dW– енергија емитирана од единица површина по единица време во опсегот на бранова должина од λ пред λ + dλ.
Лесни количини. За оптички мерења, се користат различни приемници на зрачење, спектрални карактеристикичија чувствителност на светлина со различна бранова должина е различна. Спектралната чувствителност на фотодетекторот за оптичко зрачење е односот на количината што го карактеризира нивото на одговор на приемникот на флуксот или енергијата на монохроматското зрачење што ја предизвикува оваа реакција. Има апсолутна спектрална чувствителност изразена во именувани единици (на пример, А/В, ако одговорот на приемникот се мери во А), и бездимензионална релативна спектрална чувствителност - односот на спектралната чувствителност при дадена бранова должина на зрачење до максималната вредност на спектралната чувствителност или до спектралната чувствителност на одредена бранова должина.
Спектралната чувствителност на фотодетекторот зависи само од неговите својства, таа е различна за различни приемници. Релативна спектрална чувствителност на човечкото око В(λ ) е прикажано на сл. 5.3.
Окото е најчувствително на зрачење со бранова должина λ =555 nm. Функција В(λ ) за оваа бранова должина се зема еднаква на единство.
Со истиот енергетски флукс, визуелно проценетиот интензитет на светлина за други бранови должини се покажува помал. Релативната спектрална чувствителност на човечкото око за овие бранови должини е помала од единството. На пример, вредноста на функцијата значи дека светлината со дадена бранова должина мора да има густина на енергетски флукс 2 пати поголема од светлината за која , за визуелните сензации да бидат исти.
Системот на количества светлина е воведен земајќи ја предвид релативната спектрална чувствителност на човечкото око. Затоа, мерењата на светлината, бидејќи се субјективни, се разликуваат од објективните, енергетските, а за нив се воведени светлосни единици кои се користат само за видлива светлина. Основната единица на светлината во системот SI е интензитетот на светлината - кандела (cd), што е еднакво на интензитетот на светлината во дадена насока на извор кој емитува монохроматско зрачење со фреквенција од 5,4 10 14 Hz, чија светлечка енергија во оваа насока е 1/683 W/sr. Сите други светлечки количини се изразени во кандела.
Дефиницијата за светлосни единици е слична на енергетските единици. За мерење на количества светлина користете специјални техникии инструменти – фотометри.
Проток на светлина . Единицата на прозрачниот флукс е лумен (лм). Тоа е еднакво на прозрачниот флукс што го емитува изотропниот извор на светлина со интензитет од 1 cdво цврст агол од еден стерадиан (со униформност на полето на зрачење во цврстиот агол):
1 лм = 1 cd· 1 ср.
Експериментално е утврдено дека прозрачен флукс од 1 lm генериран од зрачење со бранова должина λ = 555nmодговара на проток на енергија од 0,00146 В. Светлосен флукс во 1 лм, формирана од зрачење со различна бранова должина λ , одговара на протокот на енергија
Ф e = 0,00146/ В(λ ), В,
тие. 1 лм = 0,00146 В.
Осветлување Е- вредност во однос на односот на прозрачниот флукс Фпаѓа на површината, на областа Соваа површина:
Е = Ф/С, луксуз (добро).
1 добро– осветлување на површината, по 1 м 2 од кои светлечкиот флукс паѓа на 1 лм (1добро = 1 лм/м 2). За мерење на осветлувањето се користат инструменти кои го мерат флуксот на оптичкото зрачење од сите правци - лукс метри.
Осветленост Р C (светлина) на светлечка површина во одредена насока φ е количина еднаква на односот на интензитетот на светлината Јасво оваа насока кон плоштадот Спроекција на светлечката површина на рамнина нормална на дадена насока:
Р C= Јас/(С cos φ ), (cd/м 2).
Општо земено, осветленоста на изворите на светлина е различна за различни насоки. Изворите чија осветленост е иста во сите правци се нарекуваат Ламбертијан или косинус, бидејќи прозрачниот флукс што го емитува површинскиот елемент на таков извор е пропорционален на cosφ. Само апсолутно црно тело строго ја задоволува оваа состојба.
Секој фотометар со ограничен агол на гледање во суштина е мерач на осветленост. Мерењето на спектралната и просторната дистрибуција на осветленоста и зрачењето овозможува сите други фотометриски величини да се пресметаат со интеграција.
1. Што е тоа? физичко значење апсолутен индикатор
прекршување на медиумот?
2. Што е релативен индикаторрефракција?
3. Под кои услови се набљудува? целосен одраз?
4. Кој е принципот на работа на светлосни водилки?
5. Кој е принципот на Ферма?
6. Како се разликуваат количините на енергија и светлина во фотометријата?