Театральное освещение / Театральное освещение

СВЕТОТЕХНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Типы спектров излучения

ДНЕВНОЙ СВЕТ

Линейчатый спектр

Смешанный спектр

Спектральное распределение силы излучения в диапазоне длин волн от 200 до 2400 нм на примере лампы HMI 4000 Вт, для сравнения: солнечное излучение в Центральной Европы (кривая серого цвета).

248

СВЕТОТЕХНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Спектры поглощения

249

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

§ 1. СВЕТОВЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Свет — вид электромагнитного излучения, который вызывает зри тельное ощущение. Светом называют видимый диапазон оптического изL

лучения.

Электромагнитное излучение распространяется в пространстве в ви де электромагнитной волны.

Электромагнитная волна представляет собой распространяющиеся в пространстве возмущения электромагнитного поля. В вакууме электро магнитная волна распространяется со скоростью света с, в среде — со скоростью υ< с.

с= 299 792 456,2 ±1,1 м/с, скорость света в вакууме, можно считать

с≈300 000 км/с.

Таблица 5

Скорости света в различных средах (округлённо)

Электромагнитное поле обладает энергией, следовательно, волна переносит определённую энергию в направлении своего распростране ния.

Простейшей волной является гармоническая плоская волна:

Согласно теории электромагнитного поля, разработанной англий ским физиком Максвеллом (1831—1879), излучение распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, представляющей собой периодическое колебание напряжённостей электрического и магнит ного полей.

Е — напряжённость электрического поля; Н — напряжённость магнитного поля.

250

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Описать эти колебания можно с помощью уравнения гармонической плоской волны:

Е0 — амплитуда волны,

Т — период минимальное время, при котором Е(x0, t) = E(x0, t+T), ω— угловая частота, ω= 2π/T,

ν— частота излучения ν= 1/Т, ϕ0 — начальная фаза,

υ— скорость распространения волны (точнее, фазовая скорость υ = dx/dt),

λ — длина волны: минимальное смещение, при котором Е(x, t0) = E(x+λ, t0), + это пространственный период волны.

Период функции sin равен 2π, следовательно, можно вывести зави симости между T, ω, ν, λ, υ :

В случае распространения света в вакууме имеем λ· ν = с

Монохроматическое излучение — электромагнитное излучение одной длины волны.

Сложное излучение — излучение, состоящее из совокупности разных монохроматических излучений.

Вспомним, что отношение скорости света в вакууме к скорости све та в среде есть:

251

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Важно отметить, что при прохождении света через разные среды длина волны λизменяется обратно пропорционально n. Это значит, что оптически более плотная среда будет воздействовать на свет, уменьшая его длину волны. При этом частота излучения света остаётся величиной постоянной.

Свет — это не просто электромагнитная волна, это волна, распро страняющаяся в пространстве порциями, кратными некоторому значе нию hν, постоянному для данной частоты излучения. В этом заключа ются корпускулярные свойства света.

Минимальная порция энергии монохроматического излучения называL ется КВАНТОМ энергии. Это понятие было введено немецким физиком Максом Планком (1858—1947) в 1900 году.

W = h·ν,

W — энергия кванта, измеряется в Дж (Джоулях),

ν— частота излучения, измеряется в Гц = 1/с (Герцах), h — постоянная Планка, h = 6,626 · 1034 Дж·с.

Ярким примером, подтверждающим квантовую природу света, а также квантовую сущность поглощения и преобразования энергии из лучения веществом, послужил фотоэлектрический эффект, детально ис следованный профессором Московского университета А. Г. Столето вым (1879—1896).

Фотоэффект — явление освобождения электронов вещества под действием света.

Различают

внешний фотоэффект (или фотоэлектронная эмиссия) — испускание электронов под действием света, γ излучения и других излучений;

внутренний фотоэффект (или фотопроводимость) — увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действи ем света.

Экспериментально доказанное в 1890 году профессором П. Л. Лебе девым (1866—1912) наличие светового давления позволило рассматри вать излучение как поток материальных частиц, обладающих конечной массой. Академик С. И. Вавилов (1891—1951) в статье «Диалектика све товых явлений» в 1934 году писал про опыты П. Н. Лебедева: «С этого момента ... свет с полным основанием стал для физика одной из форм движущейся материи, и противопоставление света материи навсегда исчезло в этом синтезе».

В 1905 году А. Эйнштейн (1879—1955), опираясь на накопившиеся к тому времени экспериментальные данные и теоретические работы М. Планка, сформулировал фотонную теорию излучения. Согласно этой те ории излучение рассматривается как поток частиц, названных А.Эйн штейном фотонами.

Фотон — элементарная частица материи, существующей в виде элек тромагнитного поля, а именно в виде излучения (не путать с частицами

252

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

всмысле классической физики).

энергия фотона равна одному кванту W = h·ν,

скорость движения фотонов есть скорость света C =ν·λ,

масса фотона:

импульс фотона (ρ= mc )

Фотон всегда движется со скоростью света, он не существует в состо янии покоя, масса покоя фотона равна нулю. Итак, следует различать по нятия фотона и кванта энергии излучения.

Свет — это поток элементарных частиц фотонов, подчиняющихся волновым законам. Корпускулярные свойства света определяются мас сой движения и импульсами фотонов. Волновые свойства света описы ваются частотой и длиной волны фотонов.

Корпускулярная теория света объясняет такие явления как фото электрический эффект, фотолюминесценция, поглощение света и пр.

Волновая теория света объясняет такие явления как дифракция, ин терференция, поляризация и др.

Для полной качественной и количественной характеристики опти ческого излучения нет необходимости рассматривать параметры всех фотонов, его составляющих. Даже в излучениях малой мощности содер жится огромное количество фотонов. Так, например, лампа накалива ния мощностью 100 Вт ежесекундно излучает в пространство более 5·1020 фотонов.

Оптическое излучение характеризуется следующими величинами:

Качественная характеристика — спектральный состав излучения, т.е. длины волн присутствующих монохроматических излучений;

Количественная характеристика — энергия излучения.

А именно:

распределение энергии по времени;

распределение энергии в пространстве;

распределение энергии по спектру.

Введём некоторые понятия, необходимые для дальнейших рассуж дений.

Точечный источник излучения — такой источник, размеры которого настолько малы по сравнению с расстоянием, на котором этот источ ник рассматривается, что ими можно пренебречь при расчётах.

Протяжённый источник — источник, размерами которого нельзя пре небречь по сравнению с расстоянием, на котором этот источник рас сматривается. Различают:

линейный источник — размер вдоль оси значительно превышает

253

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Точечный источник

Распространение света от точечного источника — сферический волновой фронт

поперечные размеры;источник конечного размера — размеры по всем направлениям

больше размеров точечного источника.

Луч — линия, по которой распространяется свет. Условно узкий пу чок света также называется световым лучом.

Расходящийся пучок — лучи, исходящие из одной точки (сечение пучка увеличивается).

Сходящийся пучок — лучи, сходящиеся в одну точку (сечение пучка уменьшается).

Параллельный пучок — лучи, распространяющиеся параллельно друг другу (сечение пучка неизменно).

Диффузное излучение (рассеянное излучение) — хаотичное направ ление лучей, лучи не сходятся и не расходятся.

Телесный угол — часть пространства, ограниченная незамкнутой ко нической поверхностью, с вершиной в точке расположения источника излучения.

254

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Мерой телесного угла с вершиной в центре сферы является отноше ние площади сферической поверхности, на которую он опирается, к квадрату радиуса сферы.

Единица измерения телесного угла — стерадиан (ср).

1 ср — это такой центральный телесный угол, который вырезает уча сток сферы, площадью равной квадрату её радиуса.

Воздействие света на глаз или какой либо другой приёмный аппарат состоит в передаче этому аппарату энергии, переносимой световой вол ной.

Следует различать общие энергетические величины, характеризую щие любое электромагнитное излучение, и специальные фотометриче ские или световые величины. Первые из них характеризуют общие энер гетические свойства излучения, вторые — выражают субъективное вос приятие света человеком.

Далее все энергетические величины будем обозначать индексом «е». We — энергия излучения, единица измерения [Дж],

Q — световая энергия, или лучистая энергия, единица измерения

[лм·с].

Все остальные обозначения и соотношения в приводимых ниже формулах справедливы как для энергетических, так и для фотометриче ских величин.

Поскольку в театральном освещении основным приёмником излу чения является человеческий глаз, то более подробно мы рассмотрим световые величины, учитывающие восприятие света человеком.

1. Световой поток.

Возьмем точечный источник, излучающий равномерно по всем на правлениям. Расположим на пути световой волны, идущей от нашего источника, малую площадку А, и измерим количество энергии, проте кающей через эту площадку за время t. Существуют разные способы из мерения: например, покрыть площадку веществом, поглощающим па дающую энергию (к примеру, сажей), и измерить изменение температу ры.

255

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Энергия за единицу времени называется мощностью излучения или

потоком излучения:

Мощность световой энергии определяется как световой поток:

Единица светового потока — люмен [лм] (от латинского Lumen — свет).

1 лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном те лесном угле точечным равномерным источником с силой света 1 кандеL ла.

2. Сила света.

Рассмотрим, какая величина светового потока приходится на еди ницу телесного угла:

256

СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Световой поток, приходящийся на единицу телесного угла, в преде лах которого он равномерно распределяется, называется силой света исL точника. Другими словами, силой света источника называется про странственная плотность светового потока в заданном направлении.

Единица силы света — кандела [кд] (от латинского Candela — свеча). 1 кд соответствует силе света точечного источника, который испус кает световой поток в 1 лм, распределённый равномерно внутри телес ного угла в 1 ср. Решением Международной Осветительной Комиссии (МОК) в 1948 году был введён световой эталон силы света. Это специ альное устройство — излучатель, где осуществляется нагрев и расплав ление платины токами высокой частоты. 1 кандела равна силе света, ис пускаемого таким излучателем в перпендикулярном направлении с площади 1/600 000 м2 при температуре затвердевания платины Т =

2045°К и давлении 101325 Па.

До введения нового эталона основной единицей силы света служила свеча (св), равная 1,005 кд, — спермацетовая свеча определённого веса и горящая с определённой интенсивностью.

Величина полного светового потока, испускаемого по всем направле ниям, характеризует излучающий источник, и её нельзя увеличить ника кими оптическими системами. Действие этих систем может сводиться лишь к перераспределению светового потока, например, большей кон центрации его по некоторым избранным направлениям. Таким способом достигается увеличение силы света по данным направлениям при соот ветствующем уменьшении её по другим направлениям. Таково, напри мер, действие прожекторов, позволяющих при помощи источников с силой света в несколько сот кандел создавать на оси прожектора силу света в миллионы кандел.

Сила света — один из основных параметров, характеризующих ис точник. В практике мы имеем дело с реальными источниками, от кото рых световой поток распространяется неравномерно по различным на правлениям. Следовательно, значение силы излучения любого точечно го излучателя должно указываться направлением.

257