Šviesos srautas – šviesos energijos galia, efektyvi vertė matuojama liumenais:
Ф = (JQ/dt. (1.6)
Šviesos srauto vienetas yra liumenas (lm); 1 lm atitinka šviesos srautą, kurį vienetiniu erdvės kampu skleidžia taškinis izotropinis šaltinis, kurio šviesos stipris yra 1 kandela (kapdelos apibrėžimas bus mažesnis).
Monochromatinis šviesos srautas
F(A. dk) = Kt. m Fe,(L, dk)Vx = 683Fe,(A, dk)Vx.
Kompleksinės spinduliuotės šviesos srautas: su linijos spektru
Ф=683£Ф,(Л„ dk)VXh
su nuolatiniu spektru
čia n yra spektro linijų skaičius; F<>D, (A.) yra spektrinio spinduliavimo srauto tankio funkcija.
Sshsh tyrimas (šviesos energijos intensyvumas) 1e(x^ - erdvinio spinduliavimo srauto tankis, skaitiniu požiūriu lygus spinduliuotės srauto c1Fe ir erdvės kampo t/£2, kuriame srautas sklinda ir pasiskirsto tolygiai, santykiui:
>ea v=d Spinduliuotės stiprumas lemia spinduliuotės iš taškinio šaltinio, esančio erdvės kampo viršūnėje, erdvinį tankį (1.3 pav.). Kryptis 1ef laikoma erdvinio kampo dLl ašimi. orientuoti kampais a ir P išilginėje ir skersinėje plokštumose. Spinduliuotės galios vienetas W/sr neturi pavadinimo. Taškinio šaltinio spinduliuotės srauto erdvinį pasiskirstymą vienareikšmiškai lemia jo fotometrinis kūnas – erdvės dalis, kurią riboja paviršius, nubrėžtas per spinduliuotės jėgos spindulio vektorių galus. Fotometrinio gelio pjūvis plokštumoje, einančioje per pradžios tašką ir taškinį šaltinį, nustato šaltinio šviesos intensyvumo kreivę (LIC) tam tikroje pjūvio plokštumoje. Jei fotometrinis kūnas turi simetrijos ašį, spinduliuotės šaltinis apibūdinamas KSS išilginėje plokštumoje (1.4 pav.). Taškinio apskrito simetrinio spinduliuotės šaltinio spinduliuotės srautas F? = jle(a)dLi = 2л J le(a) sin ada, čia Dj yra zonos erdvės kampas, kuriuo sklinda šaltinio spinduliuotė; išilginėje plokštumoje nustatomi kampais „| ir a„. Taškinio šaltinio šviesos intensyvumas – šviesos srauto erdvinis tankis laf,=dФ/dQ. (1,8) Candela (cd) yra šviesos stiprio vienetas (vienas iš pagrindinių SI vienetų). Kandela yra lygi šviesos, skleidžiamos statmena kryptimi iš 1/600000 m2 juodo kūno ploto, esant platinos kietėjimo temperatūrai T = 2045 K ir slėgiui 101325 Pa, intensyvumui. IC šviesos srautą nustato KSS, jei fotometrinis kūnas turi simetrijos ašį. Jei KSS / (a) pateikiamas grafiku arba lentele, šaltinio šviesos srauto apskaičiavimas nustatomas pagal išraišką F=£/shdts-,+i, čia /w yra šviesos stiprio srslnss reikšmė zoniniame erdvės kampe; Dy, (+| = 2n(cos a, - cos a,_|) (žr. 1.1 lentelę). Energijos šviesumas (emisyvumas) yra spinduliuotės srauto, sklindančio iš nedidelio nagrinėjamo paviršiaus ploto, santykis su to ploto plotu: M e = (1Fe / dA; tinklelis>=Fe/A, (1,9) čia d$>e ir Ф(. yra paviršiaus ploto dA arba paviršiaus A skleidžiami spinduliuotės srautai. Energetinio šviesumo (W/m2) matavimo vienetas yra švitinimo srautas. išmetama iš 1 m2 paviršiaus; šis įrenginys neturi pavadinimo. Šviesumas yra šviesos srauto, sklindančio iš nedidelio paviršiaus ploto, santykis su šios srities plotu: M =
čia еФ ir Ф yra šviesos srautai, kuriuos skleidžia paviršiaus plotas dA arba paviršius A. Šviesumas matuojamas lm/m2 – tai šviesos srautas, skleidžiamas iš 1 m2. Energinis apšvietimas (apšvitinimas) – apšvitinto paviršiaus spinduliavimo srauto tankis E = (1Fe/c1A; Eecr = Fe/A, (1.11) kur Ee, Eсr yra atitinkamai paviršiaus ploto dA apšvita ir vidutinė paviršiaus A apšvita. Apšvitos vienetui. Vg/m2. jie priima tokią apšvitą, kuriai esant patenka 1 W spinduliavimo srautas ir yra tolygiai paskirstytas 1 m2 plote; šis įrenginys neturi pavadinimo. Apšvietimas – šviesos srauto tankis apšviečiamame paviršiuje dF.=d<>/dA Esr – F/L, (1,12) čia dE ir Eср yra paviršiaus ploto dA apšvietimas ir vidutinis paviršiaus A apšvietimas. Apšvietimo vienetas yra liuksas (lx). 1 liukso apšvietimas turi paviršių, ant kurio patenka 1 m2 šviesos ir ant jo tolygiai pasiskirsto 1 lm šviesos srautas. Kūno ar jo paviršiaus atkarpos energetinis šviesumas kryptimi a – spinduliavimo jėgos a kryptimi ir spinduliuojančio paviršiaus projekcijos į šiai krypčiai statmeną plokštumą santykis (1.5 pav.): ~ dIshkh / (dA cos ss), ~ ^ey. ^" (1-13) čia Leu ir Lcr yra paviršiaus ploto dA ir paviršiaus A energijos šviesumas kryptimi a, kurių projekcijos į plokštumą, statmeną šiai krypčiai, yra atitinkamai lygios dAcosa ir a; dleu ir 1еа yra atitinkamai spinduliavimo jėgos, skleidžiamos dA ir A kryptimi a. Energijos ryškumo vienetas laikomas plokščio paviršiaus energiniu ryškumu B 1 M“. kurių spinduliavimo jėga statmena kryptimi yra 1 Vg/sr. Šis įrenginys (W/srm2) neturi pavadinimo. Kūno ar jo paviršiaus dalies šviesumas a kryptimi yra lygus šviesos intensyvumo šia kryptimi ir paviršiaus projekcijos santykiui: La = dIa/(dAcosa); /.acr = /a/a, (1.14) kur /u ir Lacr yra paviršiaus ploto dA ir paviršiaus A ryškumas kryptimi a. kurių projekcijos į plokštumą, statmeną šiai krypčiai, yra atitinkamai lygios dA cos a ir a; dla. 1a - atitinkamai šviesos intensyvumas, skleidžiamas paviršių dA ir A kryptimi a. Ryškumo matavimo vienetas (cd/m2) – tai plokščio paviršiaus ryškumas, skleidžiantis 1 cd šviesos intensyvumą iš 1 m ploto statmena kryptimi. Lygiavertis ryškumas. Prieblandos regėjimo sąlygomis santykinis regėjimo organo spektrinis šviesos efektyvumas priklauso nuo adaptacijos lygio Y (X, /.) ir užima tarpinę padėtį tarp K (A) ir Y" (X), parodyta fig. 1.2 Esant tokioms sąlygoms, jų reikšmės yra skirtingos spektrinės sudėties, identiškos ryškumui dienos metu, tačiau skiriasi akies ryškumas (Purkinso efektas), pavyzdžiui, mėlyna bus ryškesnė nei raudona. vartojama ekvivalentinio ryškumo sąvoka. Galite pasirinkti tam tikros spektrinės sudėties spinduliuotę, kurios šviesumas visais lygiais laikomas proporcingu spinduliavimo galiai. A. A. Geršunas |1] pasiūlė tokį aiškinimą. vadinama nuoroda, naudokite juodo kūno spinduliuotę esant platinos kietėjimo temperatūrai. Skirtingos spektrinės sudėties spinduliuotė, kurios ryškumas lygus etaloninei, turės tą patį ekvivalentinį ryškumą, nors standartinis spinduliuotės ryškumas skirsis. Ekvivalentinis ryškumas leidžia palyginti skirtingas spinduliuotes pagal jų šviesos poveikį, net ir esant santykinio spektrinio jautrumo funkcijos neapibrėžčiai. Šviesos eilučių fotometrinių dydžių apibrėžimai ir matematiniai ryšiai tarp jų yra panašūs į atitinkamus energijos eilučių dydžius ir ryšius. Štai kodėl šviesos srautas, besitęsiantis kietojo kampo ribose, yra lygus . Šviesos srauto matavimo vienetas ( liumenas). Vienspalviai šviesai energijos ir šviesos kiekių santykis pateikiama pagal formules: kur vadinama konstanta mechaninis šviesos ekvivalentas. Šviesos srautas bangos ilgio intervale nuo lį , Kur j– energijos pasiskirstymo bangos ilgiais funkcija (žr. 30.1 pav.). Tada bendras šviesos srautas, kurį perduoda visos spektro bangos, yra Apšvietimas Šviesos srautas taip pat gali kilti iš kūnų, kurie patys nešviečia, bet atspindi arba išsklaido ant jų krintantį šviesą. Tokiais atvejais svarbu žinoti, koks šviesos srautas patenka į tam tikrą kūno paviršiaus vietą. Šiuo tikslu naudojamas fizinis dydis, vadinamas apšvietimu. Apšvietimas yra skaitine prasme lygus viso į paviršiaus elementą patenkančio šviesos srauto ir šio elemento ploto santykiui (žr. 30.4 pav.). Vienodai šviesos srautui Apšvietimo vienetas Švitinimo vienetas. Ryškumas Daugeliui apšvietimo skaičiavimų kai kurie šaltiniai gali būti laikomi taškiniais šaltiniais. Tačiau daugeliu atvejų šviesos šaltiniai yra pakankamai arti, kad atskirtų jų formą, kitaip tariant, šaltinio kampiniai matmenys yra tokie, kaip akis ar optinis instrumentas gali atskirti išplėstą objektą nuo taško. Tokiems šaltiniams įvedamas fizinis dydis, vadinamas ryškumu. Ryškumo sąvoka netaikoma šaltiniams, kurių kampiniai matmenys yra mažesni už akies ar optinio instrumento skiriamąją gebą (pavyzdžiui, žvaigždėms). Ryškumas apibūdina šviečiančio paviršiaus spinduliavimą tam tikra kryptimi. Šaltinis gali švytėti savo arba atspindėta šviesa. Šviečiančio paviršiaus dalies projekcija į plotą, statmeną pasirinktai krypčiai, paskambino matomas paviršiusšaltinio vietos elementas (žr. 30.6 pav.). Proporcingumo koeficientas vadinamas šviesumu. Jis priklauso nuo spinduliuojančio paviršiaus optinių savybių ir gali skirtis skirtingomis kryptimis. Nuo (30,5) ryškumo Taigi, ryškumą nustatomas pagal šviesos srautą, kurį tam tikra kryptimi skleidžia matomo paviršiaus vienetas erdvės kampo vienetui. Arba kitaip: ryškumas tam tikra kryptimi yra lygus šviesos intensyvumui, sukuriamam šaltinio matomo paviršiaus ploto vienetui. Apskritai ryškumas priklauso nuo krypties, tačiau yra šviesos šaltinių, kurių ryškumas nuo krypties nepriklauso. Tokie šaltiniai vadinami Lambertianas arba kosinusas, nes jiems galioja Lamberto dėsnis: šviesos intensyvumas tam tikra kryptimi yra proporcingas kampo tarp normaliosios į šaltinio paviršių ir šios krypties kosinusui: kur yra šviesos intensyvumas normaliosios į paviršių kryptimi ir kampas tarp normalios į paviršių ir pasirinktos krypties. Siekiant užtikrinti vienodą ryškumą visomis kryptimis, techniniai šviestuvai komplektuojami su pieno stiklo apvalkalais. Lamberto šaltiniai, skleidžiantys išsklaidytą šviesą, yra magnio oksidu padengti paviršiai, neglazūruotas porcelianas, piešimo popierius ir ką tik iškritęs sniegas. Ryškumo vienetas Mėnulis – 2,5 knt, liuminescencinė lempa – 7 knt, lemputės siūlelis – 5 MNT, saulės paviršius – 1,5 Gnt. Mažiausias žmogaus akies suvokiamas ryškumas yra apie 1 mikronas, o ryškumas, viršijantis 100 knt, sukelia akių skausmą ir gali pakenkti regėjimui. Balto popieriaus lapo ryškumas skaitant ir rašant turi būti ne mažesnis kaip 10 nitų. Energijos ryškumas nustatomas panašiai Švytėjimo matavimo vienetas. Šviesumas Panagrinėkime baigtinių matmenų šviesos šaltinį (šviečiantį savo arba atspindėta šviesa). Šviesumasšaltinis yra šviesos srauto paviršiaus tankis, kurį paviršius skleidžia visomis kryptimis, esant erdviniam kampui. Jei paviršiaus elementas skleidžia šviesos srautą, tada Kad šviesumas būtų vienodas, galime parašyti: Šviesumo matavimo vienetas. Panašiai nustatomas ir energetinis šviesumas Energetinio šviesumo vienetas. Šviesos dėsniai 1. Taškinio šviesos šaltinio paviršiaus apšvietimas kinta atvirkščiai proporcingai šaltinio atstumo nuo apšviečiamo paviršiaus kvadratui. Apsvarstykite taškinį šaltinį (žr. 30.7 pav.), skleidžiantį šviesą visomis kryptimis. Apibūdinkime sferas su spinduliais ir koncentrines su šaltiniu aplink šaltinį. Akivaizdu, kad šviesos srautas per paviršiaus sritis ir yra vienodas, nes sklinda tuo pačiu kieto kampu. Tada sričių apšvietimas bus atitinkamai ir . Išreikšdami sferinių paviršių elementus per erdvinį kampą, gauname: 2. Apšvietimas, kurį sukuria tam tikru kampu į jį patenkantis šviesos srautas elementariame paviršiaus plote, yra proporcingas kampo tarp spindulių krypties ir normaliojo paviršiaus kosinusui. Panagrinėkime lygiagretų spindulių spindulį (žr. 29.8 pav.), patenkantį į paviršių ir . Spinduliai patenka į paviršių išilgai normalaus, o ant paviršiaus - kampu į normalų. Tas pats šviesos srautas praeina per abi dalis. Pirmosios ir antrosios sekcijų apšvietimas bus atitinkamai Sujungę šiuos du dėsnius, galime suformuluoti pagrindinis apšvietimo dėsnis: taškinio šaltinio paviršiaus apšvietimas yra tiesiogiai proporcingas šaltinio šviesos stipriui, spindulių kritimo kampo kosinusui ir atvirkščiai proporcingas atstumo nuo šaltinio iki paviršiaus kvadratui Skaičiavimai pagal šią formulę duoda gana tikslų rezultatą, jei šaltinio linijiniai matmenys neviršija 1/10 atstumo iki apšviečiamo paviršiaus. Jei šaltinis yra 50 cm skersmens diskas, tada taške, kuris yra normalus disko centrui, santykinė skaičiavimų paklaida 50 cm atstumu siekia 25%, 2 m atstumu ji neviršija 1,5 %, o 5 m atstumui sumažėja iki 0,25 %. Jei yra keli šaltiniai, tai gautas apšvietimas yra lygus kiekvieno atskiro šaltinio sukurto apšvietimo sumai. Jei šaltinis negali būti laikomas taškiniu šaltiniu, jo paviršius skirstomas į elementarias dalis ir, nustačius kiekvieno iš jų sukuriamą apšvietimą, pagal įstatymą. Yra darbo vietų ir patalpų apšvietimo standartai. Ant klasių stalų apšvietimas turi būti ne mažesnis kaip 150 liuksų, knygų skaitymui reikalingas apšvietimas, o piešimui - 200 liuksų. Koridoriams apšvietimas laikomas pakankamu, gatvėms - . Svarbiausias šviesos šaltinis visai gyvybei Žemėje – Saulė – sukuria energetinį apšvietimą ties viršutine atmosferos riba, vadinamą saulės konstanta, ir 137 klx apšvietimą. Vasarą tiesioginių spindulių Žemės paviršiuje sukuriamas energijos apšvietimas yra du kartus mažesnis. Vidutinės platumos tiesioginių saulės spindulių sukuriamas apšvietimas vidurdienį yra 100 klx. Metų laikų kaita Žemėje paaiškinama saulės spindulių kritimo į jos paviršių kampo pasikeitimu. Šiauriniame pusrutulyje spindulių kritimo į Žemės paviršių kampas didžiausias žiemą, o vasarą – mažiausias. Apšvietimas atviroje vietoje po debesuotu dangumi yra 1000 liuksų. Apšvietimas šviesioje patalpoje prie lango yra 100 liuksų. Palyginimui pateikime apšvietimą iš Mėnulio pilnaties - 0,2 liukso ir iš naktinio dangaus naktį be mėnulio - 0,3 mlx. Atstumas nuo Saulės iki Žemės yra 150 milijonų kilometrų, tačiau dėl to, kad saulės šviesos stiprumas lygus , Saulės sukuriamas apšvietimas Žemės paviršiuje yra toks didelis. Šaltiniams, kurių šviesos intensyvumas priklauso nuo krypties, kartais jie naudojami vidutinis sferinis šviesos intensyvumas, kur yra bendras lempos šviesos srautas. Elektros lempos šviesos srauto ir jos elektros galios santykis vadinamas šviesos efektyvumas lempos:. Pavyzdžiui, 100 W kaitrinės lempos vidutinis sferinis šviesos stipris yra apie 100 cd. Tokios lempos bendras šviesos srautas yra 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm, o šviesos efektyvumas – 12,6 lm/W. Liuminescencinių lempų šviesos efektyvumas yra kelis kartus didesnis nei kaitrinių ir siekia 80 lm/W. Be to, liuminescencinių lempų tarnavimo laikas viršija 10 tūkstančių valandų, o kaitinamųjų lempų – mažiau nei 1000 valandų. Per milijonus evoliucijos metų žmogaus akis prisitaikė prie saulės šviesos, todėl pageidautina, kad lempos šviesos spektrinė sudėtis būtų kuo artimesnė saulės šviesos spektrinei kompozicijai. Liuminescencinės lempos labiausiai atitinka šį reikalavimą. Štai kodėl jie taip pat vadinami liuminescencinėmis lempomis. Lemputės gijos ryškumas sukelia akių skausmą. Siekiant to išvengti, naudojami pieno stiklo gaubtai ir šviestuvai. Su visais privalumais fluorescencinės lempos taip pat turi nemažai trūkumų: perjungimo grandinės sudėtingumas, šviesos srauto pulsavimas (100 Hz dažniu), neįmanoma užvesti šaltyje (dėl gyvsidabrio kondensacijos), droselis. zvimbimas (dėl magnetostrikcijos), pavojus aplinkai (gyvsidabris iš sugedusios lempos nuodija aplinką). Kad kaitrinės lempos spinduliuotės spektrinė sudėtis būtų tokia pati kaip Saulės, reikėtų jos siūlą įkaitinti iki Saulės paviršiaus temperatūros, t.y. iki 6200 K. Bet volframas , ugniai atspariausias metalas, lydosi jau 3660 K temperatūroje. Temperatūra, artima Saulės paviršiaus temperatūrai, pasiekiama gyvsidabrio garų arba ksenono lankiniu išlydžiu, esant maždaug 15 atm slėgiui. Lankinės lempos šviesos intensyvumą galima padidinti iki 10 Mcd. Tokios lempos naudojamos kino projektoriuose ir prožektoriuose. Natrio garais užpildytos lempos išsiskiria tuo, kad jose nemaža dalis spinduliuotės (apie trečdalis) sutelkta matomoje spektro srityje (dvi intensyvios geltonos linijos 589,0 nm ir 589,6 nm). Nors natrio lempų emisija labai skiriasi nuo žmogaus akiai pažįstamos saulės šviesos, jos naudojamos greitkeliams apšviesti, nes jų privalumas – didelis šviesos efektyvumas, siekiantis 140 lm/W. Fotometrai Vadinami prietaisai, skirti matuoti šviesos intensyvumą arba šviesos srautus iš skirtingų šaltinių fotometrai. Remiantis registravimo principu, fotometrai yra dviejų tipų: subjektyvūs (vizualiniai) ir objektyvūs. Subjektyvaus fotometro veikimo principas pagrįstas akies gebėjimu pakankamai tiksliai užfiksuoti dviejų gretimų laukų apšvietimo (tiksliau – ryškumo) vienodumą, jei jie apšviečiami tos pačios spalvos šviesa. Nesugebėjimas pakeisti atstumo santykio labai plačiose ribose verčia naudoti kitus srauto slopinimo būdus, pavyzdžiui, šviesos sugertį kintamo storio filtru – pleištu (žr. 30.10 pav.). Viena iš vizualinės fotometrijos metodo atmainų yra ekstinkcijos metodas, pagrįstas pastovaus akies jautrumo slenksčio naudojimu kiekvienam atskiram stebėtojui. Akies jautrumo slenkstis yra mažiausias ryškumas (apie 1 mikronas), į kurį reaguoja žmogaus akis. Anksčiau nustačius akies jautrumo slenkstį, tam tikru būdu (pavyzdžiui, kalibruotu sugeriančiu pleištu) tiriamo šaltinio šviesumas sumažinamas iki jautrumo slenksčio. Žinodami, kiek kartų ryškumas susilpnėja, galite nustatyti absoliutų šaltinio ryškumą be atskaitos šaltinio. Šis metodas yra labai jautrus. Objektyvieji fotometrijos metodai skirstomi į fotografinius ir elektrinius. Fotografavimo metodai grindžiami tuo, kad šviesai jautraus sluoksnio juodėjimas plačiu diapazonu yra proporcingas šviesos energijos, patenkančios į sluoksnį jį apšviečiant, t. y. ekspozicijos, tankiui (žr. 30.1 lentelę). Šiuo metodu nustatomas santykinis dviejų glaudžiai išdėstytų spektro linijų intensyvumas viename spektre arba lyginamas tos pačios linijos intensyvumas dviejuose gretimuose (paimtuose vienoje fotoplokštėje) spektruose, pajuodant tam tikras fotografinės plokštelės sritis. Vizualinius ir fotografinius metodus pamažu keičia elektriniai. Pastarųjų privalumas yra tas, kad jie paprasčiausiai atlieka automatinį rezultatų registravimą ir apdorojimą iki pat kompiuterio naudojimo. Elektriniai fotometrai leidžia išmatuoti spinduliuotės intensyvumą už matomo spektro ribų. 31 SKYRIUS. ŠILUMINIS SPINDULIAVIMAS 31.1. Šiluminės spinduliuotės charakteristikos Iki pakankamai aukštos temperatūros įkaitinti kūnai švyti. Kūnų švytėjimas, kurį sukelia įkaitimas, vadinamas šiluminė (temperatūros) spinduliuotė. Šiluminė spinduliuotė, kuri yra labiausiai paplitusi gamtoje, atsiranda dėl medžiagos atomų ir molekulių šiluminio judėjimo energijos (t. y. dėl jos vidinės energijos) ir būdinga visiems kūnams esant aukštesnei nei 0 K temperatūrai. Šiluminė spinduliuotė apibūdinama ištisiniu spektru, kurio maksimumo padėtis priklauso nuo temperatūros. Esant aukštai temperatūrai, skleidžiamos trumpos (matomos ir ultravioletinės) elektromagnetinės bangos, o esant žemai – daugiausia ilgos (infraraudonosios) bangos. Kiekybinė šiluminės spinduliuotės charakteristika yra kūno energijos šviesumo (spinduliavimo) spektrinis tankis- spinduliuotės galia kūno paviršiaus ploto vienetui vieneto pločio dažnių diapazone: Rv, T =, (31.1) kur yra elektromagnetinės spinduliuotės energija, skleidžiama per laiko vienetą (spinduliavimo galia) kūno paviršiaus ploto vienetui dažnių diapazone vį v+dv. Energijos šviesumo spektrinio tankio vienetas Rv, T- džaulis vienam kvadratiniam metrui (J/m2). Parašyta formulė gali būti pavaizduota kaip bangos ilgio funkcija: =Rv, Tdv= R λ , T dλ. (31.2) Nes с =λvυ, Tai dλ/ dv = - c/ v 2 = - λ
2 /Su, kur minuso ženklas rodo, kad padidėjus vienam iš kiekių ( λ
arba v) kitas kiekis sumažėja. Todėl toliau praleisime minuso ženklą. Taigi, R υ, T =Rλ, T . (31.3) Naudodami formulę (31.3), galite pereiti nuo Rv, TĮ Rλ, T ir atvirkščiai. Žinodami energetinio šviesumo spektrinį tankį, galime apskaičiuoti integralios energijos šviesumas(integralioji spinduliuotė), susumavus visus dažnius: R T = . (31.4) Kūnų gebėjimas sugerti į juos patenkančią spinduliuotę būdingas spektrinė sugerties galia A v, T =(31.5) parodo, kokią energijos dalį per laiko vienetą kūno paviršiaus ploto vienetui atneša į jį krentančios elektromagnetinės bangos, kurių dažniai vį v+dv, yra absorbuojamas organizme. Spektrinė sugerties galia yra bematis dydis. Kiekiai Rv, T Ir A v, T priklauso nuo kūno prigimties, jo termodinaminės temperatūros ir tuo pačiu skiriasi skirtingo dažnio spinduliuotei. Todėl šios vertės vadinamos tam tikromis T Ir v(tiksliau, į gana siaurą dažnių diapazoną nuo vį v+dv). Kūnas, galintis bet kokioje temperatūroje visiškai sugerti bet kokio dažnio spinduliuotę, vadinamas ant jo juodas. Vadinasi, juodo kūno spektrinė sugerties geba esant visiems dažniams ir temperatūroms yra identiška vienybei ( A h v, T = 1). Gamtoje nėra absoliučiai juodų kūnų, tačiau tokie kūnai kaip suodžiai, platinos juodumas, juodasis aksomas ir kai kurie kiti, tam tikrame dažnių diapazone, yra artimi jiems savo savybėmis. Idealus juodo korpuso modelis – uždara ertmė su maža skylute, kurios vidinis paviršius pajuodęs (31.1 pav.). Šviesos spindulys, patenkantis 31.1 pav. tokia ertmė patiria daugybinius atspindžius nuo sienų, dėl kurių skleidžiamos spinduliuotės intensyvumas praktiškai lygus nuliui. Patirtis rodo, kad kai skylės dydis yra mažesnis nei 0,1 ertmės skersmens, visų dažnių krintanti spinduliuotė visiškai sugeriama. Dėl to atviri namų langai iš gatvės pusės atrodo juodi, nors patalpų vidus yra gana šviesus dėl šviesos atspindėjimo nuo sienų. Kartu su juodo kūno sąvoka vartojama sąvoka pilkas kūnas- kūnas, kurio sugerties geba yra mažesnė už vienetą, bet yra vienoda visiems dažniams ir priklauso tik nuo kūno paviršiaus temperatūros, medžiagos ir būklės. Taigi, pilkam kūnui Ir su v, T<
1. Kirchhoffo dėsnis Kirchhoffo dėsnis: energetinio šviesumo spektrinio tankio ir spektrinės sugerties santykis nepriklauso nuo kūno prigimties; tai universali dažnio (bangos ilgio) ir temperatūros funkcija visiems kūnams: = rv, T(31.6) Juodam korpusui A h v, T=1, todėl iš Kirchhoffo dėsnio išplaukia, kad Rv, T nes juodas kūnas yra lygus r v, T. Taigi universali Kirchhoff funkcija r v, T yra ne kas kita, kaip juodo kūno energijos šviesumo spektrinis tankis. Todėl pagal Kirchhoffo dėsnį visiems kūnams energetinio šviesumo spektrinio tankio ir spektrinės sugerties santykis yra lygus juodo kūno energetinio šviesumo spektriniam tankiui esant tokiai pačiai temperatūrai ir dažniui. Iš Kirchhoffo dėsnio išplaukia, kad bet kurio kūno energijos šviesumo spektrinis tankis bet kurioje spektro srityje visada yra mažesnis už juodo kūno energijos šviesumo spektrinį tankį (esant toms pačioms vertėms T Ir v), nes A v, T < 1, и поэтому Rv, T < r v υ,T. Be to, iš (31.6) išplaukia, kad jei kūnas tam tikroje temperatūroje T nesugeria elektromagnetinių bangų dažnių diapazone nuo v, iki v+dv, tada jis yra šiame dažnių diapazone esant temperatūrai T ir neišskiria, nuo kada A v, T=0, Rv, T=0 Naudojant Kirchhoffo dėsnį, juodo kūno integralinės energijos šviesumo išraišką (31.4) galima parašyti kaip RT = .(31.7) Pilkam kūnui R su T = A T = A T R e, (31.8) Kur R e= -juodo kūno energijos šviesumas. Kirchhoffo dėsnis apibūdina tik šiluminę spinduliuotę, kuri yra tokia būdinga, kad gali būti patikimas kriterijus nustatant spinduliuotės pobūdį. Radiacija, kuri nepaklūsta Kirchhoffo dėsniui, nėra šiluminė. Praktiniais tikslais iš Kirchhoffo dėsnio išplaukia, kad tamsaus ir grublėto paviršiaus kūnų sugerties koeficientas yra artimas 1. Dėl šios priežasties žiemą jie mieliau dėvi tamsius drabužius, o vasarą – šviesius. Tačiau kūnai, kurių sugerties koeficientas artimas vienybei, taip pat turi atitinkamai didesnį energetinį šviesumą. Jei paimsite du vienodus indus, kurių vienas tamsaus, grublėto paviršiaus, o kito sienelės šviesios ir blizgios, ir į juos įpilsite tiek pat verdančio vandens, tai pirmasis indas greičiau atvės. 31.3. Stefano-Boltzmanno įstatymai ir Vienos poslinkiai Iš Kirchhoffo dėsnio išplaukia, kad juodo kūno energijos šviesumo spektrinis tankis yra universali funkcija, todėl nustatyti jo aiškią priklausomybę nuo dažnio ir temperatūros yra svarbi šiluminės spinduliuotės teorijos užduotis. Stefanas, analizuodami eksperimentinius duomenis, ir Boltzmannas, naudodami termodinaminį metodą, šią problemą išsprendė tik iš dalies, nustatydami energijos šviesumo priklausomybę. R e ant temperatūros. Pagal Stefano-Boltzmanno įstatymas,
R e = σ T 4, (31.9) Stefano-Boltzmanno dėsnis, apibrėžiantis priklausomybę R e temperatūra nepateikia atsakymo dėl juodojo kūno spinduliuotės spektrinės sudėties. Iš funkcijos eksperimentinių kreivių r λ,T nuo bangos ilgio λ
(r λ,T =´ ´ r ν, T) esant skirtingoms temperatūroms (30.2 pav.) 31.2 pav. iš to seka, kad energijos pasiskirstymas juodojo kūno spektre yra netolygus. Visos kreivės turi aiškiai apibrėžtą maksimumą, kuris, kylant temperatūrai, pasislenka link trumpesnių bangų ilgių. Kreivės aptvertas plotas r λ,T iš λ
ir x ašis, proporcinga energetiniam šviesumui R e juodas kūnas, taigi, pagal Stefano-Boltzmanno dėsnį, temperatūros ketvirčio laipsniai. V. Vin, remdamasis termo- ir elektrodinamikos dėsniais, nustatė bangos ilgio priklausomybę λ
max, atitinkantis funkcijos maksimumą r λ,T, ant temperatūros T. Pagal Vieno poslinkio įstatymas, λ max =b/T, (31.10) t.y. bangos ilgis λ
max, atitinkanti didžiausią spektrinę vertę Išraiška (31.10) vadinama Wien’o poslinkio dėsniu, ji parodo funkcijos maksimumo padėties poslinkį r λ,T temperatūrai kylant į trumpųjų bangų ilgių sritį. Wieno dėsnis paaiškina, kodėl, mažėjant įkaitusių kūnų temperatūrai, jų spektre vis labiau dominuoja ilgųjų bangų spinduliuotė (pavyzdžiui, metalui vėsstant baltos šilumos perėjimas į raudoną šilumą). Rayleigh-Jeans ir Planck formulės Atsižvelgus į Stefano-Boltzmanno ir Wieno dėsnius, darytina išvada, kad termodinaminis universalios Kirchhoff funkcijos nustatymo problemos sprendimo būdas nedavė norimų rezultatų. Griežtas bandymas teoriškai nustatyti santykius r λ,T priklauso Rayleigh ir Jeans, kurie taikė statistinės fizikos metodus šiluminei spinduliuotei, naudodami klasikinį vienodo energijos pasiskirstymo laisvės laipsniais dėsnį. Rayleigh-Jeans juodo kūno spektrinio šviesumo tankio formulė yra tokia: r ν, T = <E> = kT, (31.11) Kur <Е>= kT– vidutinė osciliatoriaus natūraliojo dažnio energija ν
. Kaip parodė patirtis, išraiška (31.11) atitinka eksperimentinius duomenis tik pakankamai žemų dažnių ir aukštų temperatūrų srityje. Aukštų dažnių srityje ši formulė skiriasi nuo eksperimento, taip pat nuo Wien poslinkio įstatymo. O Stefano-Boltzmanno dėsnio gavimas iš šios formulės veda į absurdą. Šis rezultatas buvo vadinamas „ultravioletinė katastrofa“. Tie. klasikinės fizikos rėmuose nebuvo įmanoma paaiškinti energijos pasiskirstymo juodo kūno spektre dėsnių. Aukšto dažnio diapazone gerą suderinamumą su eksperimentu suteikia Wien formulė (Wien radiacijos dėsnis): r ν, T =Сν 3 А e –Аν/Т, (31.12) Kur r ν, T- juodo kūno energijos šviesumo spektrinis tankis, SU Ir A– pastovios reikšmės. Šiuolaikiniu žymėjimu naudojant Planko konstanta Wien radiacijos dėsnį galima parašyti kaip r ν, T = . (31.13) Planckas nustatė teisingą juodo kūno energijos šviesumo spektrinio tankio išraišką, atitinkančią eksperimentinius duomenis. Pagal iškeltą kvantinę hipotezę, atominiai osciliatoriai skleidžia energiją ne nuolat, o tam tikromis dalimis - kvantus, o kvanto energija yra proporcinga virpesių dažniui. E 0 =hν = hс/λ, Kur h=6,625×10 -34 J×s – Planko konstanta Kadangi spinduliuotė skleidžiama dalimis, osciliatoriaus energija E gali turėti tik tam tikras atskiras reikšmes ,
sveikojo skaičiaus elementariųjų energijos dalių kartotiniai E 0 E = nhν(n= 0,1,2…). Šiuo atveju vidutinė energija<E> osciliatorius negali būti lygus kT.
Apytiksliai osciliatorių pasiskirstymas per galimas atskiras būsenas paklūsta Boltzmanno skirstiniui, vidutinė osciliatoriaus energija yra lygi <E> = ,
(31.14) o energetinio šviesumo spektrinis tankis nustatomas pagal formulę r ν, T = .
(31.15) Planckas išvedė universalios Kirchhoff funkcijos formulę r ν, T = , (31.16) kuri atitinka eksperimentinius duomenis apie energijos pasiskirstymą juodojo kūno spinduliuotės spektruose visame dažnių ir temperatūrų diapazone. Iš Plancko formulės, žinant universaliąsias konstantas h,k Ir Su, galime apskaičiuoti Stefano-Boltzmanno konstantas σ
ir Vynas b. Ir atvirkščiai. Plancko formulė puikiai sutampa su eksperimentiniais duomenimis, tačiau joje yra ir tam tikrų šiluminės spinduliuotės dėsnių, t.y. yra pilnas šiluminės spinduliuotės problemos sprendimas. Optinė pirometrija Šiluminės spinduliuotės dėsniai naudojami karštų ir savaime šviečiančių kūnų (pavyzdžiui, žvaigždžių) temperatūrai matuoti. Aukštų temperatūrų matavimo metodai, kuriuose naudojama energijos šviesumo spektrinio tankio arba integralinio kūnų energijos šviesumo priklausomybė nuo temperatūros, vadinami optine pirometrija. Prietaisai, skirti šildomų kūnų temperatūrai matuoti pagal jų šiluminės spinduliuotės intensyvumą optiniame spektro diapazone, vadinami pirometrais. Priklausomai nuo to, koks šiluminės spinduliuotės dėsnis taikomas matuojant kūnų temperatūrą, išskiriamos spinduliuotės, spalvos ir ryškumo temperatūros. 1. Radiacijos temperatūra- tai juodo kūno temperatūra, kurioje jo energetinis šviesumas R e lygus energetiniam šviesumui R t tiriamas kūnas. Šiuo atveju fiksuojamas tiriamo kūno energinis šviesumas ir apskaičiuojama jo spinduliavimo temperatūra pagal Stefano-Boltzmanno dėsnį: T r =. Radiacijos temperatūra T r kūno temperatūra visada yra mažesnė už tikrąją jo temperatūrą T. 2.Spalvos temperatūra. Pilkiems kūnams (ar savybėmis į juos panašiems kūnams) energijos šviesumo spektrinis tankis R λ,Τ = Α Τ r λ,Τ, Kur A t = konst <
1. Vadinasi, pilko kūno spinduliuotės spektre energijos pasiskirstymas yra toks pat kaip juodo kūno, kurio temperatūra tokia pati, spektre, todėl pilkiems kūnams galioja Wieno poslinkio dėsnis. Žinant bangos ilgį λ
m ax atitinka didžiausią energijos šviesumo spektrinį tankį Rλ, Τ tiriamo kūno, galima nustatyti jo temperatūrą T c = b/ λ
m ah, kuri vadinama spalvos temperatūra. Pilkiems kūnams spalvos temperatūra sutampa su tikrąja. Kūnams, kurie labai skiriasi nuo pilkos spalvos (pavyzdžiui, turintiems selektyvią absorbciją), spalvos temperatūros sąvoka praranda prasmę. Tokiu būdu nustatoma temperatūra Saulės paviršiuje ( T c=6500 K) ir žvaigždės. 3.Ryškumo temperatūra T i, yra juodo kūno temperatūra, kuriai esant tam tikram bangos ilgiui, jo spektrinis šviesumo tankis lygus tiriamo kūno energetinio šviesumo spektriniam tankiui, t.y. r λ,Τ = R λ,Τ, Kur T– tikroji kūno temperatūra, kuri visada yra aukštesnė už ryškumo temperatūrą. Kaip ryškumo pirometras dažniausiai naudojamas nykstantis gijų pirometras. Tokiu atveju pirometro gijos vaizdas tampa nebeatskiriamas karšto kūno paviršiaus fone, t. y. atrodo, kad siūlas „dingsta“. Ryškumo temperatūrą galima nustatyti naudojant juodojo kūno kalibruotą miliametrą. Šiluminiai šviesos šaltiniai Šviesos šaltiniams sukurti naudojamas karštų kūnų švytėjimas. Juodi kūnai turėtų būti geriausi šiluminės šviesos šaltiniai, nes jų spektrinis šviesumo tankis bet kokiam bangos ilgiui yra didesnis už nejuodų kūnų spektrinį šviesumo tankį, paimtą esant toms pačioms temperatūroms. Tačiau paaiškėja, kad kai kuriuose kūnuose (pavyzdžiui, volframo), kurie turi šiluminės spinduliuotės selektyvumą, spinduliuotei priskiriamos energijos dalis matomoje spektro srityje yra žymiai didesnė nei juodo kūno, įkaitinto iki tokios pat temperatūros. Todėl volframas, kuris taip pat turi aukštą lydymosi temperatūrą, yra geriausia medžiaga lempos gijų gamybai. Volframo kaitinamojo siūlelio temperatūra vakuuminėse lempose neturi viršyti 2450K, nes aukštesnėje temperatūroje jis stipriai išpurškiamas. Didžiausia spinduliuotė šioje temperatūroje atitinka 1,1 mikrono bangos ilgį, t.y. labai toli nuo didžiausio žmogaus akies jautrumo (0,55 mikrono). Lempos cilindrų užpildymas inertinėmis dujomis (pavyzdžiui, kriptono ir ksenono mišiniu, pridedant azoto) esant 50 kPa slėgiui leidžia padidinti kaitinamojo siūlo temperatūrą iki 3000 K, o tai pagerina spektrinę sudėtį. radiacija. Tačiau šviesos srautas nepadidėja, nes atsiranda papildomų energijos nuostolių dėl šilumos mainų tarp kaitinamojo siūlelio ir dujų dėl šilumos laidumo ir konvekcijos. Siekiant sumažinti energijos nuostolius dėl šilumos mainų ir padidinti dujomis užpildytų lempų šviesos našumą, kaitinimo siūlas yra pagamintas spiralės pavidalu, kurio atskiri posūkiai šildo vienas kitą. Esant aukštai temperatūrai, aplink šią spiralę susidaro nejudantis dujų sluoksnis ir šilumos perdavimas dėl konvekcijos pašalinamas. Energijos efektyvumas kaitinamosios lempos šiuo metu neviršija 5 proc. Fotometrija yra optikos šaka, nagrinėjanti šviesos srautų ir su tokiais srautais susijusių dydžių matavimą. Fotometrijoje naudojami šie kiekiai: 1) energijos
– charakterizuoti optinės spinduliuotės energetinius parametrus, neatsižvelgiant į jos poveikį spinduliuotės imtuvams; 2) šviesos
– apibūdina fiziologinį šviesos poveikį ir yra vertinamas pagal poveikį akiai (remiantis vadinamuoju vidutiniu akies jautrumu) ar kitiems spinduliuotės imtuvams. 1. Energijos kiekiai. Radiacijos srautas
Φ e – vertė lygi energijos santykiui W spinduliuotė pagal laiką t, kurio metu įvyko spinduliuotė: Spinduliuotės srauto vienetas yra vatas (W). Energetinis šviesumas (spindulys)
R e– vertė, lygi paviršiaus skleidžiamo spinduliuotės srauto Φ e ir ploto santykiui S skerspjūvis, per kurį praeina šis srautas: tie. reiškia paviršiaus spinduliuotės srauto tankį. Energetinio šviesumo vienetas yra vatas kvadratiniam metrui (W/m2). Radiacijos intensyvumas: kur Δ S– nedidelis paviršius, statmenas spinduliuotės sklidimo krypčiai, per kurį perduodamas srautas ΔΦ e. Spinduliuotės intensyvumo matavimo vienetas yra toks pat kaip ir energetinio šviesumo – W/m2. Norėdami nustatyti vėlesnius kiekius, turėsite naudoti vieną geometrinę koncepciją - kietasis kampas
, kuris yra tam tikro kūginio paviršiaus atsivėrimo matas. Kaip žinoma, plokštumos kampo matas yra apskritimo lanko santykis l iki šio apskritimo spindulio r, t.y. (3.1 pav. a). Panašiai erdvės kampas Ω apibrėžiamas (3.1 pav. b) kaip rutulio atkarpos S paviršiaus ir rutulio spindulio kvadrato santykis: Kietojo kampo matavimo vienetas yra steradianas
(ср) – erdvinis kampas, kurio viršūnė yra rutulio centre ir iš sferos paviršiaus išpjauna plotą, lygų spindulio kvadratui: Ω = 1 ср, jei . Nesunku patikrinti, ar bendras erdvės kampas aplink tašką yra lygus 4π steradianams - kad tai padarytumėte, sferos paviršių reikia padalyti iš jo spindulio kvadrato. Šviesos energijos intensyvumas (spinduliavimo galia
) aš e nustatyta naudojant sampratos apie taškinį šviesos šaltinį
– šaltinis, kurio dydis, palyginti su atstumu iki stebėjimo vietos, gali būti nepaisomas. Šviesos energetinis intensyvumas yra dydis, lygus šaltinio spinduliuotės srauto ir erdvės kampo Ω santykiui, kuriuo ši spinduliuotė sklinda: Šviesos energijos vienetas yra vatas steradianui (W/sr). Energijos ryškumas (spindulys)
V e– reikšmė, lygi šviesos energijos intensyvumo santykiui ΔI e spinduliuojančio paviršiaus elementas ΔSšio elemento projekcija į plokštumą, statmeną stebėjimo krypčiai: Šviesos vienetas yra vatas steradianiniam metrui kvadratu (W/(sr m2)). Energinis apšvietimas (švitinimas)
Ji apibūdina spinduliuotės srauto, patenkančio į apšviesto paviršiaus vienetą, kiekį. Apšvitos vienetas yra toks pat kaip ir šviesumo vienetas (W/m2). 2. Šviesos kiekiai. Atliekant optinius matavimus, naudojami įvairūs spinduliuotės detektoriai (pavyzdžiui, akies, fotoelementai, fotodaugintuvai), kurių jautrumas skirtingų bangos ilgių energijai nėra vienodas, todėl yra atrankinis (atrankinis)
. Kiekvienas šviesos imtuvas pasižymi jautrumo kreive skirtingo bangos ilgio šviesai. Todėl šviesos matavimai, būdami subjektyvūs, skiriasi nuo objektyvių, energetinių, ir jiems šviesos vienetai,
naudojamas tik matomai šviesai. Pagrindinis šviesos blokas
SI yra šviesos stiprio vienetas - kandela
(cd), kuris apibrėžiamas kaip šaltinio, skleidžiančio monochromatinę spinduliuotę, kurios dažnis yra 540,10 12 Hz, šviesos stipris tam tikra kryptimi, kurio šviesos energijos stipris šia kryptimi yra 1/683 W/sr. Šviesos vienetų apibrėžimas yra panašus į energijos vienetus. Šviesos srautas
Φ šviesa apibrėžiama kaip optinės spinduliuotės galia, pagrįsta jos sukeliamu šviesos pojūčiu (apie jos poveikį selektyviam šviesos imtuvui, turinčiam tam tikrą spektrinį jautrumą). Šviesos srauto vienetas – liumenas
(lm): 1 lm – taškinio šaltinio, kurio šviesos stipris yra 1 cd, skleidžiamas šviesos srautas, esantis 1 sr erdvės kampo viduje (su spinduliavimo lauko vienodumu erdvės kampo viduje) (1 lm = 1 cd sr). Šviesos galia Aš šv. yra susijęs su šviesos srautu ryšiu Kur dΦ Šv– šviesos srautas, skleidžiamas iš šaltinio kietuoju kampu dΩ. Jeigu Aš šv. nepriklauso nuo krypties, vadinamas šviesos šaltinis izotropinis.
Dėl izotropinio šaltinio Energijos srautas .
Φ e, matuojamas vatais, ir šviesos srautas Φ Šv., matuojami liumenais, yra susiję su ryšiu: Kur Šviesumas
R Šv yra nulemtas santykio Šviesumo vienetas yra liumenas kvadratiniam metrui (lm/m2). Ryškumas
Į φšviečiančio paviršiaus plotas S tam tikra kryptimi, sudarančioje kampą φ su normaliu paviršiumi, yra reikšmė, lygi šviesos intensyvumo tam tikra kryptimi santykiui su šviečiančio paviršiaus projekcijos į statmeną plokštumą plotu. šia kryptimi: Vadinami šaltiniai, kurių ryškumas visomis kryptimis yra vienodas Lambertianas
(pagal Lamberto dėsnį) arba kosinusas
(tokio šaltinio paviršiaus elemento siunčiamas srautas yra proporcingas ). Tik visiškai juodas kūnas griežtai laikosi Lamberto dėsnio. Ryškumo vienetas yra kandela vienam kvadratiniam metrui (cd/m2). Apšvietimas
E– vertė, lygi ant paviršiaus krintančio šviesos srauto ir šio paviršiaus ploto santykiui: Apšvietimo vienetas - prabanga
(lx): 1 lx – paviršiaus, ant kurio 1 m2 patenka 1 lm šviesos srautas (1 lm = 1 lx/m2), apšvietimas. Darbo tvarka Užduotis 1. Lazerio šviesos intensyvumo nustatymas. Išmatavę besiskiriančio lazerio pluošto skersmenį dviejose jo atkarpose, atskirtose atstumu, galime rasti mažąjį pluošto divergencijos kampą ir erdvės kampą, kuriuo sklinda spinduliuotė (3.2 pav.): Šviesos intensyvumas kandelose nustatomas pagal formulę: Kur Eksperimentuokite 1. Sumontuokite 2 modulį ant optinio stendo ir sureguliuokite montavimą pagal metodą, aprašytą puslapyje . Įsitikinę, kad įrenginys sureguliuotas, išimkite 2 modulį. 2. Uždėkite objektyvo priedą ant emiterio (42 objektas). Sumontuokite kondensatoriaus lęšį (5 modulis) stendo gale taip, kad ekranas būtų atsuktas į emiterį. Nustatykite jos vertintojų rizikos koordinates. Naudodami kondensatoriaus ekraną, nustatykite lazerio spindulio skersmenį. 3. Perkelkite kondensatorių prie lazerio 50 - 100 mm. Nustatykite ženklo koordinatę ir atitinkamai nustatykite spindulio skersmenį naudodami kondensatoriaus ekraną. 4. Apskaičiuokite tiesinį pluošto divergencijos kampą pagal (3.13) formulę, imdami . Apskaičiuokite pluošto divergencijos erdvinį kampą pagal (3.14) formulę, o šviesos intensyvumą – pagal (3.15) formulę. Atlikite standartinį klaidų įvertinimą. 5. Eksperimentą atlikite dar 4 kartus su kitomis kondensatoriaus padėtimis. 6. Įveskite matavimo rezultatus į lenteles: 2 užduotis. Intensyvumas sferinėje bangoje Lazerio spinduliuotės spindulį surenkantis lęšis paverčia sferine banga, pirmiausia susiliejančia prie židinio, o po židinio – divergiančia. Reikia atsekti intensyvumo kitimo pobūdį koordinate - . Voltmetro rodmenys naudojami kaip vertės, nekeičiant į absoliučiąsias vertes. Eksperimentuokite 1. Nuimkite difuzoriaus objektyvo priedą nuo emiterio. Laisvo stendo gale sumontuokite mikroprojektorių (2 modulis) ir uždarykite priešais jį kondensatoriaus lęšį (5 modulis). Įsitikinkite, kad perkeliant 5 modulį nuo 2 modulio, keičiasi vietos dydis montavimo ekrane ir spinduliavimo intensyvumas taško centre. Grąžinkite kondensatorių į pradinę padėtį. 2. Įdėkite fotojutiklį - objektą 38 - į mikroprojektoriaus objekto plokštumą, prijunkite fotojutiklį prie multimetro, nustatykite multimetrą į pastovios įtampos matavimo režimą (matavimo diapazonas - iki 1 V) ir pašalinkite įtampos priklausomybę nuo voltmetras ant 5 modulio koordinatės su 10 mm žingsniu, imant atskaitos tašką 2 modulio rizikos koordinates. Atlikite 20 matavimų. 4. Pateikite pagrindinių fotometrinių dydžių (energijos ir šviesos), nurodančių matavimo vienetus, apibrėžimus. 5. Koks yra pagrindinis šviesos vienetas SI? Kaip tai nustatoma? 6. Kaip yra susiję spinduliuotės srautas ir šviesos srautas? 7. Kuris šviesos šaltinis vadinamas izotropiniu? Kaip yra susiję izotropinio šaltinio šviesos intensyvumas ir šviesos srautas? Kodėl? 8. Kada šviesos šaltinis vadinamas Lambertiniu? Pateikite griežtai Lamberto šaltinio pavyzdį. 9. Kaip izotropinio taškinio šaltinio skleidžiamos šviesos bangos intensyvumas priklauso nuo atstumo iki šaltinio? Kodėl? Laboratorinis darbas Nr.4 Spinduliuotės energijai ir jos poveikiui spinduliuotės imtuvams, kuriuos sudaro fotoelektriniai prietaisai, šiluminiai ir fotocheminiai imtuvai bei akiai įvertinti, naudojami energijos ir šviesos kiekiai. Energijos dydžiai yra optinės spinduliuotės charakteristikos, susijusios su visu optiniu diapazonu. Ilgą laiką akis buvo vienintelis optinės spinduliuotės imtuvas. Todėl istoriškai susiklostė, kad kokybiniam ir kiekybiniam matomos spinduliuotės dalies įvertinimui naudojami šviesos (fotometriniai) dydžiai, proporcingi atitinkamiems energijos kiekiams. Spinduliuotės srauto samprata, susijusi su visu optiniu diapazonu, buvo pateikta aukščiau. Dydis, kuris šviesos dydžių sistemoje atitinka spinduliuotės srautą, yra šviesos srautas Ф, ty spinduliavimo galia, įvertinta standartinio fotometrinio stebėtojo. Panagrinėkime šviesos dydžius ir jų vienetus, tada suraskime ryšį tarp šių ir energetinių dydžių. Norint įvertinti du matomos spinduliuotės šaltinius, lyginamas jų švytėjimas to paties paviršiaus kryptimi. Jei vieno šaltinio švytėjimas laikomas vienetu, tada lyginant antrojo šaltinio švytėjimą su pirmuoju gauname reikšmę, vadinamą šviesos intensyvumu. Tarptautinėje vienetų sistemoje SI šviesos stiprio vienetas yra kandela, kurios apibrėžimą patvirtino XVI Generalinė konferencija (1979). Kandela – šaltinio, skleidžiančio monochromatinę spinduliuotę, kurios dažnis Hz, šviesos stipris tam tikra kryptimi, kurio energinis šviesos stipris šia kryptimi yra Šviesos intensyvumas arba šviesos srauto kampinis tankis, kur yra šviesos srautas tam tikra kryptimi kietojo kampo viduje Kietasis kampas yra erdvės dalis, kurią riboja savavališkas kūgio formos paviršius. Jei sferą nuo šio paviršiaus viršaus apibūdinsime kaip nuo centro, tai rutulio atkarpos plotas, nupjautas kūginiu paviršiumi (85 pav.), bus proporcingas rutulio spindulio kvadratui: Proporcingumo koeficientas yra kietojo kampo reikšmė. Kietojo kampo vienetas yra steradianas, lygus erdviniam kampui, kurio viršūnė yra rutulio centre, išpjaunant rutulio paviršiuje plotą, lygų kvadrato plotui, kurio kraštinė lygi sferos spindulys. Visa sfera sudaro vientisą kampą Ryžiai. 85. Kietasis kampas Ryžiai. 86. Spinduliuotė kietuoju kampu Jei spinduliuotės šaltinis yra dešiniojo apskrito kūgio viršūnėje, tada erdvėje paskirstytą kietojo kampą riboja vidinė šio kūginio paviršiaus ertmė. Žinodami plokštumos kampo tarp ašies ir kūginio paviršiaus generatricos reikšmę, galime nustatyti atitinkamą erdvinį kampą. Kietajame kampe parinksime be galo mažą kampą, išpjaunantį be galo siaurą žiedinę rutulio atkarpą (86 pav.). Šis atvejis susijęs su labiausiai paplitusiu ašies simetriniu šviesos intensyvumo pasiskirstymu. Žiedinės sekcijos plotas yra atstumas nuo kūgio ašies iki siauro žiedo pločio Pagal pav. kur yra sferos spindulys. Todėl kur Kietasis kampas, atitinkantis plokštumos kampą Pusrutulio kietasis kampas yra - Iš (160) formulės išplaukia, kad šviesos srautas Jei judant iš vienos krypties į kitą šviesos intensyvumas nekinta, tai Iš tiesų, jei šviesos intensyvumo šviesos šaltinis yra į kietojo kampo viršūnę, tai tas pats šviesos srautas patenka į bet kurias sritis, apribotas kūginiu paviršiumi, išskiriančiu šį erdvinį kampą. Paimkime nurodytas formas koncentrinių rutulių, kurių centras yra erdvinio kampo viršūnėje, atkarpų. Tada, kaip rodo patirtis, šių sričių apšvietimo laipsnis yra atvirkščiai proporcingas šių sferų spindulių kvadratams ir tiesiogiai proporcingas plotų dydžiui. Taigi galioja ši lygybė: t.y. (165) formulė. Pateiktas (165) formulės pagrindimas galioja tik tuo atveju, kai atstumas tarp šviesos šaltinio ir apšviečiamos zonos yra pakankamai didelis, palyginti su šaltinio dydžiu ir kai terpė tarp šaltinio ir apšviestos srities nesugeria arba išsklaidyti šviesos energiją. Šviesos srauto vienetas yra liumenas (lm), kuris yra srautas erdvinio kampo viduje, kai šaltinio, esančio erdvės kampo viršūnėje, šviesos stipris yra lygus Kritusiems spinduliams normalios srities apšvietimas nustatomas pagal santykį, vadinamą apšviestumu E: Formulė (166), taip pat formulė (165), vyksta su sąlyga, kad šviesos intensyvumas I nesikeičia judant iš vienos krypties į kitą tam tikru kampu. Priešingu atveju ši formulė galios tik be galo mažam plotui Jei krintantys spinduliai sudaro kampus su normaliu apšviestos srities kampu, tada (166) ir (167) formulės pasikeis, nes apšviestas plotas padidės. Rezultate gauname: Kai svetainę apšviečia keli šaltiniai, jos apšvietimas kur spinduliuotės šaltinių skaičius, t. y. bendras apšvietimas yra lygus apšvietimo, kurį svetainė gauna iš kiekvieno šaltinio, sumai. Apšvietimo vienetu laikomas vietos apšvietimas, kai ant jos patenka šviesos srautas (vieta yra normali krintantiems spinduliams). Šis vienetas vadinamas prabanga Jei negalima nepaisyti spinduliuotės šaltinio matmenų, norint išspręsti daugybę problemų, būtina žinoti šio šaltinio šviesos srauto pasiskirstymą jo paviršiuje. Šviesos srauto, sklindančio iš paviršiaus elemento, santykis su šio elemento plotu vadinamas šviesumu ir matuojamas liumenais kvadratiniame metre. Šviesumas taip pat apibūdina atspindėto šviesos srauto pasiskirstymą. Taigi, šviesumas kur yra šaltinio paviršiaus plotas. Šviesos intensyvumo tam tikra kryptimi santykis su šviečiančio paviršiaus projekcijos plokštuma, statmena šiai krypčiai, vadinamas ryškumu. Todėl ryškumas kur yra kampas tarp normalios vietos ir šviesos intensyvumo krypties Vertės pakeitimas [žr. formulė (160)), gauname, kad ryškumas Iš (173) formulės matyti, kad ryškumas yra antrasis srauto išvestinis ploto erdvės kampo atžvilgiu. Ryškumo vienetas yra kandela kvadratiniam metrui Kritančios spinduliuotės šviesos energijos paviršiaus tankis vadinamas ekspozicija: Apskritai apšvietimas, įtrauktas į formulę (174), laikui bėgant gali keistis Ekspozicija turi didelę praktinę reikšmę, pavyzdžiui, fotografijoje ir matuojama liukso sekundėmis Formulės (160)-(174) naudojamos tiek šviesos, tiek energijos dydžiams apskaičiuoti, pirma, monochromatinei spinduliuotei, ty tam tikro bangos ilgio spinduliuotei, ir, antra, kai neatsižvelgiama į spinduliuotės spektrinį pasiskirstymą, kuris paprastai atsiranda vizualiniuose optiniuose prietaisuose. Spinduliuotės spektrinė sudėtis – spinduliuotės galios pasiskirstymas pagal bangos ilgius turi didelę reikšmę skaičiuojant energijos kiekius naudojant selektyvius spinduliuotės imtuvus. Šiems skaičiavimams buvo įvesta spektrinio spinduliuotės srauto tankio sąvoka [žr formulės (157)-(159)]. Ribotame bangos ilgių diapazone atitinkamai turime: Formulių nustatyti energijos kiekiai taip pat taikomi matomai spektro daliai. Pagrindiniai fotometriniai ir energijos dydžiai, juos apibrėžiančios formulės ir SI vienetai pateikti lentelėje. 5. Spinduliuotės kiekybiniam įvertinimui naudojamas gana platus dydžių diapazonas, kurį sąlyginai galima suskirstyti į dvi vienetų sistemas: energijos ir šviesos. Šiuo atveju energijos dydžiai apibūdina spinduliuotę, susijusią su visa spektro optine sritimi, o apšvietimo dydžiai – matomą spinduliuotę. Energijos kiekiai yra proporcingi atitinkamiems apšvietimo kiekiams. Fe vertė išreiškiama vatais (W). – energijos vienetas Daugeliu atvejų į spinduliuotės generavimo kvantinį pobūdį neatsižvelgiama ir ji laikoma nuolatine. Kokybinė spinduliuotės charakteristika yra spinduliuotės srauto pasiskirstymas spektre. Įvedama nepertraukiamo spektro spinduliuotės koncepcija spektrinio spinduliavimo srauto tankis (j l)– spinduliuotės galios, patenkančios į tam tikrą siaurą spektro atkarpą, ir šios atkarpos pločio santykis (2.2 pav.). Siauram spektriniam diapazonui dl spinduliuotės srautas lygus dФ l. Ordinačių ašyje rodomi spinduliuotės srauto spektriniai tankiai j l = dФ l / dl, todėl srautas vaizduojamas elementarios grafiko atkarpos plotu, t.y. Pagal šviesos srautas F, apskritai, suprasti spinduliuotės galią, įvertintą pagal jos poveikį žmogaus akiai. Šviesos srauto matavimo vienetas yra liumenas (lm). – apšvietimo blokas Šviesos srauto poveikis akiai priverčia ją reaguoti tam tikru būdu. Priklausomai nuo šviesos srauto veikimo lygio, veikia vienoks ar kitoks šviesai jautrių akies receptorių tipas, vadinami strypeliais arba kūgiais. Esant silpnam apšvietimui (pavyzdžiui, mėnulio šviesoje), akis aplinkinius objektus mato naudodama strypus. Esant dideliam apšvietimo lygiui, pradeda veikti dienos matymo aparatas, už kurį atsakingi kūgiai. Be to, kūgiai, atsižvelgiant į jų šviesai jautrią medžiagą, skirstomi į tris grupes, kurių jautrumas skirtinguose spektro regionuose yra skirtingas. Todėl, skirtingai nei strypai, jie reaguoja ne tik į šviesos srautą, bet ir į jo spektrinę sudėtį. Šiuo atžvilgiu galima sakyti, kad. šviesos efektas yra dvimatis Akių reakcijos kiekybinė charakteristika, susijusi su apšvietimo lygiu, vadinama lengvumas. Kokybinė charakteristika, susijusi su skirtingų trijų kūgių grupių reakcijos lygiais, vadinama. spalvingumasŠviesos intensyvumas (I). Apšvietimo inžinerijoje ši vertė laikoma kaip pagrindinis . Šis pasirinkimas iš principo neturi pagrindo, bet yra padarytas patogumo sumetimais, nes Šviesos intensyvumas nepriklauso nuo atstumo. Šviesos stiprio sąvoka taikoma tik taškiniams šaltiniams, t.y. prie šaltinių, kurių matmenys yra maži, palyginti su atstumu nuo jų iki apšviečiamo paviršiaus. W Taškinio šaltinio šviesos stipris tam tikra kryptimi yra erdvinio kampo vienetui šviesos srautas F , skleidžiamas šio šaltinio tam tikra kryptimi: I = Ф / Ω Energija Šviesos intensyvumas išreiškiamas vatais steradianui (). Antradienis/Trečiadienis Už apšvietimo inžinerija kandela priimtas šviesos stiprio vienetas (cd) – taškinio šaltinio, skleidžiančio 1 lm šviesos srautą, tolygiai paskirstytą 1 steradiano (sr) erdvinio kampo, šviesos stipris. Kietasis kampas – tai erdvės dalis, apribota kūginio paviršiaus ir uždaro lenkto kontūro, nepereinanti per kampo viršūnę (2.3 pav.). Suspaudus kūginį paviršių, sferinio ploto o matmenys tampa be galo maži. Kietasis kampas šiuo atveju taip pat tampa be galo mažas: 2.3 pav. Sąvokos „vientisas kampas“ apibrėžimo link Apšvietimas (E). Esant energetiniam apšvietimui Ech suprasti įjungtą spinduliuotės srautą ploto vienetas apšviestas paviršius:
K Švitinimas išreiškiamas W/m2. E išreikštas šviesos srauto tankiu F ant jo apšviesto paviršiaus (2.4 pav.): Imamas šviesos apšvietimo vienetas prabanga, t.y. Paviršiaus apšvietimas, gaunantis 1 lm šviesos srautą, tolygiai paskirstytas ant jo 1 m2 plote. Tarp kitų apšvietimo inžinerijoje naudojamų kiekių yra svarbūs energijos radiacija Mes arba šviesos energija W,
taip pat energijos Ne arba šviesa N ekspozicija. We ir W reikšmės nustatomos pagal išraiškas kur yra atitinkamai spinduliuotės srauto ir šviesos srauto pokyčių laikui bėgant funkcijos. Mes matuojami džauliais arba W s, a W – lm s. Pagal energijos H e arba šviesos poveikio suprasti paviršiaus spinduliuotės energijos tankį Mes
arba šviesos energija W atitinkamai ant apšviesto paviršiaus. Tai yra šviesos ekspozicija H tai yra apšvietimo produktas E kurį laiką sukuria spinduliuotės šaltinis tšios spinduliuotės poveikį.
, (30.8)
. (30.9)
. (30.10)
(prabanga). Liuksas lygus 1 m2 ploto paviršiaus apšvietimui, kai ant jo patenka 1 lm šviesos srautas. Apšvita nustatoma panašiai
Parinkime tam tikra kryptimi kietuoju kampu sklindantį šviesos srautą iš šviečiančio paviršiaus atkarpos. Sijos ašis sudaro kampą su normaliu paviršiumi (žr. 30.5 pav.).
(30.14)
Šviesos srauto vertė priklauso nuo matomo paviršiaus ploto, nuo kampo ir nuo erdvinio kampo:
. (30.16)
(nitas). Štai kai kurių šviesos šaltinių ryškumo reikšmės:
. (30.18)
Fotometriniai matavimai pagrįsti dviem apšvietimo dėsniais.
. (30.22)
. Bet todėl,
. (30.24)
, tada integruojami visame šaltinio paviršiuje.
Dviejų šaltinių palyginimo fotometrai suprojektuoti taip, kad akies vaidmuo būtų sumažintas iki dviejų gretimų laukų, apšviestų lyginamų šaltinių, apšvietimo vienodumo nustatymo (žr. 30.9 pav.). Stebėtojo akis apžiūri baltą trikampę prizmę, įtaisytą viduje pajuodusio vamzdžio viduryje. Prizmė apšviečiama šaltiniais ir. Keičiant atstumus nuo šaltinių iki prizmės, galima išlyginti paviršių apšvietimą ir. Tada , kur ir yra šviesos intensyvumas, atitinkamai šaltiniai ir . Jei žinomas vieno iš šaltinių šviesos stipris (atskaitos šaltinis), tai galima nustatyti kito šaltinio šviesos stiprumą pasirinkta kryptimi. Matuojant šaltinio šviesos intensyvumą skirtingomis kryptimis, randamas bendras šviesos srautas, apšvietimas ir kt.
Tiesioginis viso šaltinio šviesos srauto matavimas atliekamas integruotais fotometrais, pavyzdžiui, sferiniame fotometre (žr. 30.11 pav.). Tiriamas šaltinis yra pakabintas vidinėje sferos ertmėje, kurios viduje yra matinis paviršius. Dėl daugybės šviesos atspindžių sferos viduje susidaro apšvietimas, kurį lemia vidutinis šaltinio šviesos intensyvumas. Skylės, ekranu apsaugotos nuo tiesioginių spindulių, apšvietimas yra proporcingas šviesos srautui: , kur yra įrenginio konstanta, priklausomai nuo jo dydžio ir spalvos. Skylė padengta pienišku stiklu. Pieno stiklo ryškumas taip pat proporcingas šviesos srautui. Jis matuojamas aukščiau aprašytu fotometru arba kitu metodu. Technologijoje automatizuoti sferiniai fotometrai su fotoelementais naudojami, pavyzdžiui, kaitrinėms lempoms valdyti ant elektrinių lempų gamyklos konvejerio.
tai yra, juodo kūno energetinis šviesumas yra proporcingas jo termodinaminės temperatūros galios ketvirčiams; σ
- Stefano-Boltzmanno konstanta: jo eksperimentinė vertė 5,67×10 -8 W/(m 2 ×K 4).
šviesumo tankis r λ,T juodo kūno temperatūra yra atvirkščiai proporcinga jo termodinaminei temperatūrai. b - nuolatinė kaltė jo eksperimentinė vertė 2,9×10 -3 m×K.
. (3.6)
, (3.7)
. (3.8)
, lm, (3,9)
- pastovus, yra matomumo funkcija, nulemta žmogaus akies jautrumo skirtingo bangos ilgio spinduliuotei. Didžiausia vertė pasiekiama 
. Komplekse naudojama lazerio spinduliuotė su bangos ilgiu 
. Šiuo atveju.
. (3.10)
. (3.11)
.
(3.12)
Ryžiai. 3.2.
, (3.13)
, (3.15)
- pastovi, spinduliavimo galia nustatoma iki minimumo - lygi (lazerio srovės reguliavimo rankenėlė pasukama į kraštutinę padėtį prieš laikrodžio rodyklę), - matomumo funkcija, nustatoma pagal žmogaus akies jautrumą skirtingo bangos ilgio spinduliuotei. Didžiausia vertė pasiekiama . Komplekse naudojama lazerio spinduliuotė su bangos ilgiu . Šiuo atveju. №
,
,
№
, %
Pagrindinis energijos sistemos dydis, leidžiantis spręsti apie radiacijos kiekį Fe spinduliuotės srautas, arba radiacijos galia, t.y. energijos kiekis W, išmestas, perduotas arba sugertas per laiko vienetą:
Jei spinduliuotės spektras patenka į diapazoną l 1į l 2, tada spinduliuotės srauto dydis 
