Электромагнитная природа света

Электромагнитная теория света установила тождество световых волн с электромагнитными волнами в свободном пространстве. Последние представляют собой быстропеременные электрические и магнитные поля, изменяющиеся по произвольному закону в зависимости от свойств источника и среды, в которой волны распространяются. Электромагнитная теория света называется классической (т.е. неквантовой) теорией поля. Она правильно описывает многие оптические явления.

Из электромагнетизма известно, что распространение электромагнитных волн подчиняется уравнениям Максвелла. Для выяснения основных закономерностей, характеризующих распространение электромагнитных волн, будем считать среду идеально однородным диэлектриком (пренебрежем явлениями рассеяния и поглощения света) а сами волны – плоскими монохроматическими. Это означает, что фронт волны (поверхность постоянной фазы) представляет собой неограниченную плоскость, а колебания совершаются с одной строго определенной частотой.

1. Скорость распространения электромагнитной волны в диэлектрике ( )

, где - показатель преломления среды, – относительная диэлектрическая проницаемость среды, – скорость света в вакууме.

2. Уравнение плоской электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси ОХ, имеет вид:

, либо ,

где: – фаза волны;

– соответствует волне, распространяющейся в направлении, совпадающем с направлением оси ОХ,

+ соответствует волне, распространяющейся в направлении, противоположном направлению оси ОХ.

Фотометрия. Основные световые величины

Фотометрией называется раздел оптики, занимающийся измерением световых потоков и величин, связанных с такими потоками.

Что такое световой поток? Всякая реальная световая волна представляет собой наложение волн с длинами, заключенными в интервале Δλ. Например, в белом свете Δλ охватывает диапазон от 0,40 мкм до 0,76 мкм. Если Δλ<<λ, свет называется квазимонохроматический («квази» – мнимо).

Функция распределения определяет распределение потока энергии по длинам волн:

, где – поток энергии, приходящиеся на длины волн от до .

Зная вид можно определить поток энергии, переносимой волнами, заключенными в конечном интервале от до :

.

Д ействие света на глаз в сильной степени зависит от длины волны. Чувствительность глаза к излучению разной длины волны дается кривой относительной спектральной чувствительности или кривой видности:

Для характеристики интенсивности света с учетом его способности вызывать зрительное ощущение введена величина , называемая световым потоком:

или .

Полный световой поток:

.

Ясно, что световой поток определяется как поток световой энергии, оцениваемый по зрительному ощущению.

СИЛА СВЕТА

Источник света, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от места наблюдения до источника, называется точечным. Для характеристики точечных источников света применяется сила света I:

,

где – световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла .

В общем случае сила света зависит от направления. Если I не зависит от направления, то источник света называется изотропным. Для изотропного источника:

,

где – полный световой поток, излучаемый источником по всем направлениям.

Единица силы света – 1 кандела (кд), является одной из основных единиц СИ (система интернациональная). Кандела – сила света в данном направлении от источника, испускающего монохроматическое излучение 540∙10¹² Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1,683 .

СВЕТОВОЙ ПОТОК

Из определения силы света следует

.

Единица светового потока является 1 люмен (лм). Он равен световому потоку, излучаемому изотропным источником с силой света в 1 кд в пределах телесного угла в один стерадиан – .

ОСВЕЩЕННОСТЬ

Степень освещенности поверхности характеризуется величиной

,

называемой освещенностью. Здесь – световой поток, падающий на элемент поверхности . Единицей измерения освещенности является 1 люкс (лк), равный освещенности, создаваемой потоком в 1 лм, равномерно распределяемый по поверхности площади в 1 м² – .

Для точечного источника света:

, где – угол падения.

Используя полученные соотношения и определение освещенности получим для точечного источника света:

.

СВЕТИМОСТЬ

Светимость М различных участков протяженного источника определяет световой поток, испускаемый единицей площади наружу по всем направлениям:

,

где – световой поток, испускаемый наружу по всем направлениям элементом поверхности источника.

Если светимость обусловлена его освещенностью, то

, где – коэффициент отражения.

Светимость измеряется в единицах .

ЯРКОСТЬ

Для характеристики излучения или отражения света в заданном направлении служит физическая величина, которую называют яркость и обозначают L.

, где – угол между нормалью и направлением телесного угла . В общем случае . Единицей измерения яркости является .

Источник, яркость которого одинакова по всем направлениям (L = const) называется ламбертовским. Для такого источника .