1. Флукс на зрачење. Концептот на спектарот на електромагнетното зрачење. Принципот на мерење на дистрибуција на флукс низ спектарот. Количини на енергија.
Флукс (моќ) на зрачење (F) yavl. главното количество во системот за мерење енергија. Моќноста (или флуксот) на зрачењето се зема како енергија пренесена по единица време. Вредноста на F е изразена во вати (W).
Опсег на електромагнетни бранови двоумење, именка во природата, тој е прилично широк и се протега од фракции на ангстром до еден километар.
Спектар на електромагнетно зрачење, микрони
Гама зраци _____________________________________ помали од 0,0001
Х-зраци________________________________ 0,01-0,0001
Ултравиолетови зраци________________________________ 0,38-0,01
Видлива светлина________________________________________________ 0,78-0,38
Инфрацрвени зраци ________________________________1000-0,78
Радио бранови________________________________________________ повеќе од 1000
Само дел од спектарот припаѓа на оптичкиот регион електромагнетно зрачењесо опсег на бранова должина од λmin= 0,01 µm до λmax=1000 µm Таквото зрачење се создава како резултат на електромагнетно возбудување на атомите, вибрационо и ротационо движењемолекули.
Оптичкиот спектар може да се подели на три главни региони: ултравиолетови, видливи и инфрацрвени.
Ултравиолетовото зрачење ги произведува најмоќните фотони и има силен фотохемиски ефект.
Радијација видлива светлина, и покрај прилично тесниот интервал, ни овозможи да ја видиме целата разновидност на светот околу нас. Значи, човечкото око практично не перцепира зрачење со екстремни бранови должини (тие имаат слаб ефект врз окото); во пракса, видливата светлина се смета за зрачење со опсег на бранова должина од 400-700 nm. Ова зрачење има значителни фотофизички и фотохемиски ефекти, но помалку од ултравиолетовото зрачење.
Фотоните имаат минимална енергија од целиот оптички регион на спектарот инфрацрвено зрачење. За ова зрачење е карактеристично термички ефекти, во многу помала мера, фотофизички и фотохемиски. акција.
2. Концептот на приемник на зрачење . Реакции на примачот. Класификација на наследници на зрачење. Линеарни и нелинеарни приемници. Спектрална чувствителност на приемникот на зрачење.
тела во кои таквите трансформации се случуваат под влијание оптичко зрачење, добиени во инженерството за осветлување заедничко име „приемници на зрачење“
Конвенционално, приемниците на зрачење се поделени на:
1. Природен примач на зрачење е човечкото око.
2. Фоточувствителни материјали кои се користат за оптичко снимање на слики.
3. Фотосензитивни елементи се и приемници мерни инструменти(дензитометри, колориметри)
Оптичкото зрачење има висока енергијаи затоа влијае на многу супстанции и физички тела.
Како резултат на апсорпцијата на светлината во медиумите и телата, цела линијафеномени (Слика 2.1, господине 48)
Телото кое апсорбирало зрачење почнува да зрачи самото. Во овој случај, секундарното зрачење може да има различен спектрален опсег во споредба со апсорбираното. На пример, кога е осветлено со ултравиолетова светлина, телото испушта видлива светлина.
Енергијата на апсорбираното зрачење се претвора во електрична енергија, како во случајот со фотоелектричниот ефект, или предизвикува промена електрични својстваматеријал кој се јавува во фотопроводниците. Таквите трансформации се нарекуваат фотофизички.
Друг тип на фотофизичка трансформација е транзицијата на енергијата на зрачењето во топлинска енергија. Овој феномен најде примена во термопарови кои се користат за мерење на моќноста на зрачењето.
Енергијата на зрачење влегува во хемиска енергија. Се случува фотохемиска трансформација на супстанцијата што ја апсорбира светлината. Оваа трансформација се случува во повеќето фотосензитивни материјали.
Телата во кои таквите трансформации се случуваат под влијание на оптичкото зрачење го добиле општото име во инженерството за осветлување. „приемници на зрачење“
Линеарни нелинеарни приемници??????????????????
Спектрална чувствителност на приемникот на зрачење.
Под влијание на оптичкото зрачење, во приемникот се случува фотохемиска и фотофизичка трансформација, менувајќи ги својствата на приемникот на даден начин.
Оваа промена се нарекува корисен одговор на примачот.
Сепак, не се троши целата енергија на упадното зрачење на корисна реакција.
Дел од енергијата на приемниците не се апсорбира и затоа не може да предизвика реакција. Апсорбираната енергија исто така не се претвора целосно корисно. На пример, покрај фотохемиската трансформација, може да дојде и до загревање на ресиверот. Практично искористениот дел од енергијата се нарекува. корисен, а практично користениот дел од моќноста на зрачењето (радијационен флукс F) е ефективниот флукс Ref.
Односот на ефективниот флукс Ref на флуксот на зрачење што се спушта на приемникот
повикани чувствителност на приемникот.
За повеќето приемници, спектралната чувствителност зависи од брановата должина.
Sλ= сРλ eff/Фλ и Рλ eff=КФλSλ
Количините се нарекуваат Фλ и Рλ, соодветно, монохроматски флукс на зрачење и монохроматски ефективен флукс, а Sλ се нарекува монохроматска спектрална чувствителност.
Знаејќи ја дистрибуцијата на моќноста преку спектарот Ф(λ) за инцидентот на зрачење на приемникот и спектралната чувствителност на приемникот S(λ), можеме да го пресметаме ефективниот флукс користејќи ја формулата – Ref=К ∫ Ф(λ)S(λ ) dλ
Мерењето се однесува на опсег од ∆λ, ограничен или од спектралната чувствителност на приемникот или од спектралниот опсег на мерењето.
3. Карактеристики на окото како приемник. Проток на светлина. Неговата поврзаност со флуксот на зрачење. Крива на видливост. Разликата во светлосните и енергетските текови е во опсег од 400-700 nm.
Карактеристики на окото како приемник.
Визуелниот апарат се состои од приемник на зрачење (очи), оптички нерви и визуелни области на мозокот. Во овие зони, сигналите што се генерираат во очите и се пренесуваат преку оптичките нерви се анализираат и се претвораат во визуелни слики.
Приемникот на зрачење се состои од две очни јаболка, од кои секое, со помош на шест надворешни мускули, лесно може да ротира во орбитата и во хоризонталната и во вертикалната рамнина. Кога гледате некој предмет, очите спазматично се движат, наизменично фиксирајќи се различни точкиобјект. Ова движење е по векторска природа, т.е. насоката на секој скок се одредува според предметот. Брзината на скокот е многу голема, а точките за фиксирање каде што окото застанува 0,2-0,5 секунди се наоѓаат главно на границите на деловите каде што има разлики во осветленоста. За време на „запирањата“, окото не мирува, туку прави брзи микро-движења во однос на точката на фиксација. И покрај овие микросакади, на точките за фиксирање, набљудуваната област на објектот е фокусирана на централната фовеа на фотосензитивната ретина на очите.
Сл.2.4 (Хоризонтален пресек на окото) стр.56
Проток на светлина(Ѓ) Светлосниот флукс, генерално, се подразбира како моќ на зрачење проценета со неговиот ефект врз човечкото око. Единица за мерење прозрачен флуксе лумен (lm).
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 на слаба осветленост (на пример, во светлината на месечината), окото ги гледа околните објекти користејќи шипки. На високи нивоаПочнува да работи апаратот за дневна визија, за кој се одговорни конусите.
Покрај тоа, конусите, врз основа на нивната супстанција чувствителна на светлина, се поделени во три групи со различна чувствителност во различни региони на спектарот. Затоа, за разлика од прачките, тие реагираат не само на светлосниот флукс, туку и на неговиот спектрален состав.
Во овој поглед, можеме да кажеме дека ефектот на светлината е дводимензионален. Квантитативна карактеристика на реакцијата на окото поврзана со нивото на осветлување, наречена. светлина. Квалитативна карактеристика поврзана со различни нивоареакции на три групи конуси, наречени хроматичност.
Важна карактеристика е кривата на дистрибуција на релативната спектрална чувствителност на окото (релативна спектрална светлосна ефикасност) на дневна светлина νλ =f(λ) Сл. 1.3 стр.9
Во пракса, утврдено е дека во услови на дневна светлина човечкото око има максимална чувствителност на зрачење со Ламбда = 555 nm (V555 = 1). Покрај тоа, секоја единица на прозрачен флукс од F555 има моќност на зрачење Ф555 = 0,00146 W. Односот на се нарекува светлечкиот флукс F555 до Ф555 спектрална прозрачна ефикасност.
К= F555/Ф555=1/0,00146=680 (lm/W)
Или за која било бранова должина на зрачење во видливиот опсег K=const:
К=1/V(λ) *F λ /Ф λ =680. (1)
Користејќи ја формулата (1) е можно да се воспостави врска помеѓу прозрачниот флукс и флуксот на зрачење.
Fλ = 680 *Vλ * Фλ
За интегрално зрачење
F= 680 ∫ Vλ Φλ dλ
4. Фотоактиничен проток. Генерални информацииза ефективен проток. Монохроматски и интегрални текови. Актинизам .
Во технологијата за осветлување и репродукција, се користат два вида ефективни флуксови: светло F и фотоактинично A.
Светлосниот флукс е поврзан со моќноста (зрачен флукс F) со следниов израз:
F=680 ∫ Ф(λ) V(λ) dλ
400 nm
каде Ф(λ) е распределба на моќноста на зрачењето низ спектарот, V(λ) е релативната спектрална крива на светлосна ефикасност (крива на видливост), а 680 е коефициентот што ви овозможува да се движите од вати во лумени. Се нарекува светлечки еквивалент на флуксот на зрачење и се изразува во lm/W.
Ако прозрачен флукс падне на која било површина, тоа густина на површинатанаречена илуминација. Осветлувањето Е е поврзано со прозрачниот флукс според формулата
Каде што Q е плоштината во m. Единицата за осветлување е лукс (cl)
За фотосензитивни материјали и фотодетектори на мерни инструменти користете фотоактиничен флуксА.
Ова е ефективниот тек дефиниран со
A = ∫ Ф (λ) S (λ) dλ
Ако спектралниот опсег во кој се врши мерењето е ограничен со брановите должини λ1 и λ2, тогаш изразот за фотоактиничен флуксќе ја земе формата
A = ∫ Ф(λ) * S (λ) dλ
λ 1
Мерната единица А зависи од единицата за мерење на спектралната чувствителност. Ако Sλ - релативна вредност, А се мери во вати. Ако Sλ има димензија, на пример
m/J, тогаш тоа ќе влијае на димензијата на фотоактинскиот флукс
Површинска густина на фотоактиничен флукс на осветлена површина наречено актинично зрачењеа, а= dA/ dQ
Ако површината на ресиверот е рамномерно осветлена, тогаш a = A/Q.
За монохроматско зрачење.
Fλ = 680 *Vλ * Фλ
За интегрално зрачење
F= 680 ∫ Vλ Φλ dλ
Актинизам-аналог на осветлување. Нејзината мерна единица зависи од димензијата А
Ако A – W, тогаш a-W/m
Сл.2.2 страна 52
Колку е поголема активноста на зрачењето, толку поефикасно се користи енергијата на зрачењето и толку е поголема, со други еднакви услови, одговорот на примачот ќе биде корисен.
За да се постигне максимална активност, пожелно е максималната спектрална чувствителност на приемникот и максималната моќност на зрачење да паднат во истите спектрални зони. Ова размислување го води изборот на извор на светлина за добивање слики на специфичен тип на фотосензитивни материјали.
На пример, процесот на копирање.
Слоевите за копирање што се користат за правење плочи за печатење се чувствителни на ултравиолетово и сино-виолетово зрачење. На зрачење од други зони видлив спектарне реагираат. Затоа, за извршување на процесот на копирање, тие користат
Метални халидни светилки, богати со ултравиолетова и сина светлина.
СЛИКА 2.3. Страна 53 прирачник
5. Температура на бојата. Криви на осветленост на апсолутно црно тело на различни температури. Концептот на нормализирана крива. Дефиниција на терминот „температура на бојата“. Насоката на промена на бојата на зрачењето со промена на температурата на бојата.
Температурата на бојата значи температура во Келвини на целосно црно тело на кое зрачењето има иста боја како онаа што се разгледува. За лампи со вжарено влакно со волфрамово влакно, спектралната дистрибуција на зрачењето е пропорционална со спектралната дистрибуција на зрачењето на црното тело во опсегот на бранова должина 360-1000 nm. Да се пресмета спектралниот состав на зрачењето на црното тело во дадено апсолутна температуразагревајќи го, можете да ја користите формулата на Планк:
e -5 s 2 / λ t
Rλ = С1 λ (е -1)
ух
Каде што Rλ е спектралната енергетска осветленост, C1 и C2 се константи, е-база природни логаритми, Т-апсолутна температура, К
Експериментално, температурата на бојата се одредува според вредноста на сино-црвениот сооднос на актиностите. Активност-осветленост ефикасна во однос на фотодетекторот:
Ал = Фλ Sλ / Q = Eλ Sλ
Каде што F е флукс на зрачење, Sλ е чувствителноста на фотодетекторот, Qλ е неговата површина
Ако лукс метар се користи како фотодетектор, тогаш актиничноста е осветлувањето определено со заштитување на фотоќелијата со филтри за сина и црвена светлина.
Технички, мерењето се врши на следниов начин.
Фотоќелијата на луксметарот наизменично се прекрива со специјално избрани филтри за сина и црвена светлина. Светлосните филтри мора да бидат зонски и да имаат иста мноштво во зоната на пренос. Галванометарот на луксметарот го одредува осветлувањето од измерениот извор за секој од филтрите. Пресметајте го соодносот сино-црвена со помош на формулата
K = Ac / Ak = Es / Ek
РАСПОРЕД страница 6 лабораториски роб
Фл. За да го направите ова, користете ја формулата на Планк за да ги пресметате вредностите на спектралот енергетска сјајност. Следно, добиената функција е нормализирана. Нормализацијата се состои од пропорционално намалување или зголемување на сите вредности на таков начин
така што функцијата поминува низ точката со координати λ = 560 nm, log R560 = 2,0
или λ = 560 nm, R560 rel = 100 Во овој случај, се смета дека секоја вредност се однесува на спектралниот интервал ∆λ што одговара на пресметковниот чекор.
∆λ=10 nm, осветленоста 100 W*m одговара на бранова должина од 560 nm во опсегот на бранова должина 555-565 nm.
Сл. 1.2 Страна 7 лабораториски роб
Користејќи ја функцијата на спектрална зависност Rλ = f λ, можете да ги најдете функциите E λ = Фλ = f λ За да го направите ова, треба да ги користите формулите
Е-осветленост, R- осветленост, Ф- проток на енергија, Q-област
6. Извор на светлина. Нивните спектрален одговор. Класификација на изворите на светлина по вид на зрачење. Формула на Планк и Виена.
7. Фотометриски својства на изворите на зрачење. Класификација по геометриски величини: точкасти и продолжени извори на светлина, фотометриско тело.
Во зависност од односот на димензиите на емитерот и неговото растојание до теренската точка што се проучува, изворите на зрачење можат да се поделат во 2 групи:
1) точкасти извори на зрачење
2) извор со конечни димензии (линеарен извор) Изворот на зрачење чии димензии се значително помали од растојанието до предметната точка се нарекува точкаст извор. Во пракса, точен извор се смета за оној чија максимална големина е најмалку 10 пати помала од растојанието до приемникот на зрачење. За такви извори на зрачење се почитува законот инверзни квадратирастојанија.
E=I/r 2 косинус алфа, каде што алфа=агол помеѓу светлосниот зрак и нормалното на површината C.
Ако од точката во која се наоѓа точкаст извор на зрачење се исцртаат вектори со единица јачина на зрачење во различни насоки на просторот и се провлекува површина низ нивните краеви, тогаш се добива ФОТОМЕТРИСКО ТЕЛО на силата на зрачење на изворот. Таквото тело целосно ја карактеризира дистрибуцијата на флуксот на зрачење на даден извор во просторот што го опкружува.
8. Трансформација на зрачење со оптички медиуми. Карактеристики на конверзија на зрачење: коефициенти на светлина, множители, оптички густини, врски меѓу нив. Светлосни филтри Дефиниција на поимот. Спектрална крива како универзална карактеристикасветлосен филтер.
Кога ќе погоди флуксот на зрачење F0 вистинско тело(оптички медиум), дел од него F(ro) се рефлектира од површината, дел од F(алфа) се апсорбира од телото, а дел од F(tau) поминува низ него. Способноста на телото (оптичка средина) да претрпи таква трансформација се карактеризира со коефициентот на рефлексија rho=Fro/F0, коефициентот tau=Ftau/F0.
Ако коефициентите се одредуваат со конвертирање на светлосни флуксови (F, lm), тогаш тие се нарекуваат светлина (фотометриски)
Росв = Фо/Фо; Алфасв=Фалфа/Фо;таусв=Фтау/Фо
За оптичките и светлосните коефициенти, изјавата е точна дека нивниот збир е еднаков на 1,0 (по+алфа+тау=1)
Постојат уште два типа на коефициенти - монохроматски и зонски. Првиот го оценува ефектот на оптичкиот медиум врз монохроматското зрачење со ламбда бранова должина.
Зонските коефициенти ја оценуваат конверзијата на зрачењето кое зафаќа од зоните на спектарот (сино со делта ламбда = 400-500 nm, зелено со делта ламбда = 500-600 nm и црвено со делта ламбда = 600-700 nm)
9. Закон Бугер-Ламбер-Бир. Количини обврзани со закон. Адитивност на оптичките густини, како главен заклучок од законот Бугер-Ламбер-Бир. Индикатори за расејување на светлината, заматеност на медиумот. Видови расејување на светлина.
F 0 /F t =10 kl, k-индекс на апсорпција. Пивото утврди дека индексот на апсорпција зависи и од концентрацијата на супстанцијата што апсорбира светлина c, k = Xc, x е индексот на моларна апсорпција, изразен како реципроцитет на дебелината на слојот што ја ослабува светлината 10 пати кога концентрацијата на супстанција што апсорбира светлина во него е 1 mol/l.
Конечната равенка што го изразува законот Буге-Ламбер-Бир изгледа вака: Ф0/Фт=10 со моќност Хс1
Светлосниот флукс што го пренесува слојот е поврзан со упадниот флукс експоненцијално преку коефициентот на моларна апсорпција, дебелината на слојот и концентрацијата на супстанцијата што апсорбира светлина. Од разгледуваниот закон следува физичко значењеконцепти на оптичка густина. Со интегрирање на изразот Ф0/Фт=10 на моќта на Хс1
Добиваме D=X*s*l, оние. Оптичка густинаживотната средина зависи од нејзината природа, е пропорционална на нејзината дебелина и концентрацијата на супстанцијата што апсорбира светлина. Бидејќи законот Буге-Ламбер-Бир ја карактеризира фракцијата на апсорбираната светлина преку делот на пренесената светлина, тој не ја зема предвид рефлектираната и расеана светлина. Дополнително, добиената врска што го изразува законот Бугер-Ламбер-Бер е валидна само за хомогени медиуми и не го зема предвид губењето на рефлексијата на светлината од површината на телата. Отстапувањето од законот доведува до неаддитивност на оптичките медиуми.
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 еднаква на односот на енергијата 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 нормална на правецот на ширење на зрачењето низ која 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 решението на некои 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 што емитува монохроматско зрачење со фреквенција од 540 10 12 Hz, енергетска силасветлината 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 – емитуван прозрачен флукс точка изворсветлосен 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 проекцијата на прозрачната површина на рамнина нормална во 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. Направете 20 мерења.
4. Дефинирајте ја главната фотометриски величини(енергија и светлина) што покажува мерни единици.
5. Која светлосна единицамерењето е главното 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?
Лабораториска работа бр.4
За да се измери зрачењето, се користи прилично широк опсег на количини, кои можат условно да се поделат на два системи на единици: енергија и светлина. Во овој случај, енергетските количини го карактеризираат зрачењето поврзано со целиот оптички регион на спектарот, а количините на осветлување го карактеризираат видливото 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, квантната природа на генерирањето на зрачење не се зема предвид и се смета за континуирано.
Квалитативна карактеристика на зрачењето е распределбата на флуксот на зрачење низ спектарот.
За зрачење со континуиран спектар, воведен е концептот густина на флуксот на спектрално зрачење ( ) – 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 г флуксот на зрачење е еднаков на dФ . Оската на ординатите ги покажува спектралните густини на флуксот на зрачење = dФ /г , затоа, протокот е претставен со областа на елементарен дел од графикот, т.е.
Слика 2.2 – Зависност спектрална густинапроток зрачење од бранова должина
Е 
Ако емисиониот спектар се наоѓа во опсегот
1
пред
2
, потоа големината на флуксот на зрачење
Под прозрачен флукс Ф, генерално, ја разбираат моќта на радијација проценета според нејзиниот ефект врз човечкото око. Мерната единица за прозрачниот флукс е 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 на слаба осветленост (на пример, под светлината на Месечината), окото ги гледа околните објекти користејќи шипки. На високо ниво на светлина, апаратот за дневна визија, за кој се одговорни конусите, почнува да работи.
Покрај тоа, конусите, врз основа на нивната супстанција чувствителна на светлина, се поделени во три групи со различна чувствителност во различни региони на спектарот. 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.Квалитативната карактеристика поврзана со различни нивоа на реакција на трите групи конуси се нарекува хроматичноста.
Моќта на светлината (Јас). 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.
Светлосниот интензитет на точкаст извор во одредена насока е по единица цврст агол проток на светлина Ф, емитирана од овој извор во дадена насока:
Јас =F/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 ухразберете го флуксот на зрачење единица површинаосветлена површина П:
Зрачењето се изразува во W/m 2 .
Светлосно осветлување Е изразена 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 Вух или светлосна енергија В, како и енергијата Неили светлина Н изложба.
Вредностите на Ние и W се одредуваат со изразите
Каде 
– соодветно, функции на промени во флуксот на зрачење и светлосниот тек со текот на времето. Се мериме во џули или W s, a В
–
во lm s.
Под енергија Н ух или изложеност на светлинада ја разбере густината на енергијата на површинското зрачење В ух или светлосна енергија Всоодветно на осветлената површина.
Тоа е светлаи јасизложеност Hова е производ на осветлувањето Е, создаден од изворот 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 прозрачна 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 спектар бранови,
. (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 може да се разликува нивната форма, со други зборови, аголни димензииизворите лежат во 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 ја карактеризира емисијата на прозрачна површина во 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.Зависи од 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 микронт, а светлината што надминува 100 knt предизвикува болка во 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)
Единица за осветленост 
.
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 за 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 горната 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. Односот на светлиот флукс на електрична светилка до 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. Ова барање во во најголема мерареагираат флуоресцентните светилки. 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
Инструменти дизајнирани за мерење на интензитетот на светлината или прозрачните текови различни извори, се нарекуваат 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, осветлување 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 просечниот светлечки интензитет на изворот. 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.
Објективните методи на фотометрија се поделени на фотографски и електрични. 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 материјата (т.е. поради нејзината внатрешна енергија) и е карактеристично за сите тела на температури над 0 К. Топлинското 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 густина на енергетска сјајност (емисивност) на тело- моќност на зрачење по единица површина на телото во фреквентен интервал од единица ширина:
Rv, T =, (31.1)
каде е енергијата на електромагнетното зрачење што се емитува по единица време (моќ на зрачење) по единица површина на телото во опсегот на фреквенции 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 со која било фреквенција спаѓа во 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 речиси еднаква 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 Кирхофовиот закон 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 задачатеорија на топлинско 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; 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 праворамномерна распределба на енергијата низ степените 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 на класичната физика, не беше можно да се објаснат 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
Планковата константа, Виенскиот закон за радијација 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, енергијата на осцилаторот 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 исто така има висока точка на топење, е најдобриот материјал за правење 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. При високи температури, околу оваа спирала се формира неподвижен слој на гас и преносот на топлина поради конвекцијата се елиминира. Енергетска ефикасност светилки со вжарено во моментов не надминуваат 5%.
Светлосен флукс - моќта на светлосната енергија, ефективна вредност измерена во лумени:
Ф = (JQ/dt. (1,6)
Единицата на прозрачен флукс е лумен (lm); 1 lm одговара на прозрачниот флукс што е емитиран во единечен цврст агол од точкаст изотропен извор со светлосен интензитет од 1 кандела (дефиницијата за капдела ќе биде помала).
Монохроматски прозрачен флукс
F(A. dk) = Kt. m Fe,(L, dk)Vx = 683Fe,(A, dk)Vx.
Светлосен флукс на сложено зрачење: со линиски сениште
Ф=683£Ф,(Л„ dk)VXh
со континуиран спектар
каде n е бројот на линии во спектарот; Ф<>D, (A.) е функција на спектралната густина на флуксот на зрачење.
Sshsh студија (енергетскиот интензитет на светлината) 1e(x^ - густина на флукс на просторно зрачење, нумерички еднаква на односот на флуксот на зрачење c1Fe до цврстиот агол t/£2, во рамките на кој флуксот се шири и е рамномерно распределен:
>ea v=d Јачината на зрачењето ја одредува просторната густина на зрачењето од точкаст извор кој се наоѓа на врвот на цврстиот агол (сл. 1.3). Насоката 1ef се зема како оска на цврстиот агол dLl. ориентирани со аглите a и P во надолжната и попречната рамнина. Единицата за моќност на зрачење W/sr нема име. Просторната дистрибуција на флуксот на зрачење на точка извор е уникатно одредена од неговото фотометриско тело - дел од просторот ограничен со површината извлечена низ краевите на векторите на радиусот на силата на зрачење. Пресек на фотометриски гел со рамнина што минува низ потеклото и точкаст извор ја одредува кривата на интензитет на светлина (LIC) на изворот за дадена рамнина на пресек. Ако фотометриското тело има оска на симетрија, изворот на зрачење се карактеризира со KSS во надолжната рамнина (сл. 1.4). Тек на зрачење на точка кружно симетричен извор на зрачење F? = jle(a)dLi = 2л J le(a) sin ada, каде што Dj е зонален цврст агол во кој се шири изворното зрачење; определена во надолжната рамнина со аглите „| и а„. Светлосен интензитет на точкаст извор - просторна густина на прозрачниот флукс laf,=dФ/dQ. (1.8) Кандела (cd) е единица за светлосен интензитет (една од основните SI единици). Канделата е еднаква на интензитетот на светлината што се емитува во нормална насока од површина од 1/600000 m2 црно тело при температура на зацврстување на платина T = 2045 K и притисок од 101325 Pa. Светлосниот флукс на IC се одредува со KSS ако фотометриското тело има оска на симетрија. Ако KSS / (a) е дадена со график или табела, пресметката на прозрачниот флукс на изворот се одредува со изразот F=£/shdts-,+i, каде што /w е вредноста srslnss на светлосниот интензитет во зоналниот цврст агол; Dy, (+| = 2n(cos a, - cos a,_|) (види Табела 1.1). Енергетската осветленост (емисивност) е односот на флуксот на зрачење што произлегува од малата површина што се разгледува со површината на областа: M e = (1Fe / dA; Mesh>=Fe/A, (1,9) каде што d$>e и Ф(. се флуксот на зрачење што ги емитува површината dA или површината A. Единицата за мерење на енергетската осветленост (W/m2) е флуксот на зрачење. се испушта од 1 m2 површина; оваа единица нема име. Светлината е односот на прозрачниот флукс што произлегува од малата површина што се разгледува до површината на оваа област: М =
каде што еФ и Ф се светлечките флукс емитувани од површината dA или површината A. Светлината се мери во lm/m2 - тоа е прозрачниот флукс што се емитува од 1 m2. Енергетско осветлување (зрачење) - густината на зрачниот флукс на озрачената површина E = (1Fe/c1A; Eecr = Fe/A, (1.11) каде што Ee, Eсr се, соодветно, зрачењето на површината dA и просечното зрачење на површината A. По единица зрачење. Vg/m2. тие прифаќаат такво зрачење при кое паѓа 1 W зрачен флукс и е рамномерно распореден на површина од 1 m2; оваа единица нема име. Осветлување - густината на прозрачниот флукс на осветлената површина dF.=d<>/dA Esr - F/L, (1.12) каде што dE и Еср се осветлувањето на површината dA и просечното осветлување на површината A. Единицата за осветлување е лукс (lx). Осветлувањето од 1 лукс има површина на која паѓа 1 m2 светлина и светлечки флукс од 1 lm е рамномерно распореден над неа. Енергетската осветленост на телото или дел од неговата површина во насока a е односот на силата на зрачењето во насока a до проекцијата на површината што зрачи на рамнина нормална на оваа насока (сл. 1.5): ~ dIshkh / (dA cos ss), ~ ^ey. ^“ (1-13) каде Leu и Lcr се енергетските осветлености на површината dA и површината A во насока a, чиишто проекции на рамнина нормална на оваа насока се соодветно еднакви на dAcosa и a; dleu и 1еа се соодветно силите на зрачење што ги емитираат dA и A во правец на a. Единицата за енергетска осветленост се зема како енергетска осветленост на рамна површина B 1 M“. со сила на зрачење од 1 Vg/sr во нормална насока. Оваа единица (W/srm2) нема име. Светлината во насока a на телото или дел од неговата површина е еднаква на односот на интензитетот на светлината во оваа насока и проекцијата на површината: La = dIa/(dAcosa); /.acr = /a/a, (1.14) каде што /u и Lacr се осветленоста на површината dA и површината A во насока a. чии проекции на рамнина нормална на оваа насока се соодветно еднакви на dA cos a и a; дла. 1а - соодветно, светлосните интензитети што ги емитираат површините dA и A во насока a. Единицата за мерење на осветленоста (cd/m2) е осветленоста на рамна површина која емитира светлосен интензитет од 1 cd од површина од 1 m во нормална насока. Еквивалентна осветленост. Во услови на видот на самракот, релативната спектрална светлосна ефикасност на органот за вид зависи од нивото на адаптација Y(X, /.) и зазема средна позиција помеѓу K(A) и Y"(X), прикажано на сл. 1.2. Под овие услови, нивните вредности се различен спектрален состав, идентични по осветленост за дневна светлина, ќе бидат со различна осветленост за окото (ефект Пуркинс). На пример, сината ќе биде посветла од црвената. Во полето на самракот визија, се користи концептот на еквивалентна осветленост. Можете да изберете зрачење од одреден спектрален состав, за кој се претпоставува дека осветленоста на сите нивоа е пропорционална на моќноста на зрачењето. A. A. Gershun |1] предложен како такво толкување. наречена референца, користете зрачење на црно тело на температура на зацврстување на платината. Зрачењето со различен спектрален состав, еднакво по осветленост на референтниот, ќе има иста еквивалентна осветленост, иако стандардната осветленост на зрачењето ќе биде различна. Еквивалентна осветленост овозможува да се споредат различните зрачења според нивниот прозрачен ефект, дури и во услови на несигурност во функцијата на релативната спектрална чувствителност.