1. Сила света.

Сила света - одна из основных величин международной системы единиц СИ; она измеряется в канделах (кд) и обозначается через I.

1 кандела - это сила света, излучаемого черным телом перпендикулярно поверхности площадью 1/60 смпри температуре 2042,5К (температура затвердевания платины при нормальном давлении).

Сила света обычно зависит от направления; эта зависимость характеризуется диаграммой направленности [1].

2. Яркость.

Яркостью В называется отношение силы света к площади светящейся поверхности:.

Единица СИ яркости: [В]=кд/м.

В - яркость источника или отражающей поверхности,

I - сила света, S - площадь светящейся поверхности.

3. Световой поток.

Световым потоком Ф называется произведение силы света на величину телесного угла.

.

Единица СИ светового потока: [Ф] = лм = кдср

(люмен = канделастерадиан).

Телесный угол характеризуется отношением площади поверхности, вырезаемой на сфере конусом с вершиной в центре сферы, к квадрату ее радиуса:

4. Освещенность.

Освещенностью Е называется отношение светового потока (Ф) к площади освещаемой поверхности (S):

.

Эта величина дает меру освещения поверхности площадью S, отстоящей на расстояние r от источника ссилой света I, при нормальном падении лучей.

С учетом угла между направлением распространения света и нормалью к освещаемой поверхности () и расстоянием между источником света и освещаемой поверхностью (r), можно записать освещенность через силу света I и расстояние r:

.

При увеличении расстояния от источника света освещенность убывает обратно пропорционально его квадрату.

За единицу освещенности (люкс) принимается такая освещенность, которую создает источник силы света в 1 кд, освещающий по нормали поверхность, отстоящую от него на 1 м:

1 лк = 1 кд/1 м.

Некоторые количественные данные о природных источниках света и нормах освещенности

Эмпирическим путем были установлены следующие значения:

Таблица 1

Освещенность поверхности Земли от природных источников света

Источник	Е, лк
Солнечный свет летом	100000
Солнечный свет зимой	10000
Облачное небо летом	5000 - 20000
Облачное небо зимой	1000 - 2000
Полная луна ночью	0,2
Безоблачное ночное небо (без луны)	0,0003

Таблица 2

Нормальная освещенность ( в люксах)

Объект	Требования к освещению
	Низкие	Средние	Высокие
Жилые помещения, общее освещение	40	80	150

Таблица 3

Нормальная освещенность ( в люксах)

Объект	Вид работ
	Грубая	Средняя	Тонкая	Очень тонкая
Производствен-ные помещения, школы	40	80	150	300
Только общее освещение	20	30	40	50
Общее освещение и местное освещение	100	300	1000	5000

Таблица 4

Нормальная освещенность ( в люксах)

Объект	Интенсивность движения
	Низкая	Сред- няя	Высо-кая	Очень высокая
Переходы и лестницы	15	-	30	-
Улицы и площади	3	8	15	30
Заводские дворы	3	-	15	-

Источники излучения.

В качестве источников света в осветительных установках чаще всего применяют электрические лампы - накаливания и газоразрядные. Основными характеристиками источников света являются: номинальное напряжение в вольтах; номинальная мощность в ваттах; световой поток в люменах; световая отдача в люменах на 1 ватт; средний срок службы в часах. Световая отдача на 1 ватт характеризует экономичность источника света и определяется отношением излучаемого лампой светового потока Ф к мощности лампы Р.

Лампы накаливания

В настоящее время для точных световых измерений используется два типа источников: абсолютно черное тело, излучение которого в определенных условиях является основным световым эталоном, и вольфрамовые лампы накаливания. Эти источники принадлежат к категории тепловых излучателей, светящихся из-за своей высокой температуры.

Лампы накаливания - источники света, основанные на принципе теплового излучения. Они имеют вольфрамовую нить, обычно спиральную или биспиральную, помещенную в вакуум или инертный газ и накаливаемую током до температуры 2500К-3000К. В спектре излучений ламп накаливания преобладают желто-красные лучи. Такой свет человеком воспринимается как теплый, но он несколько искажает цвет освещаемых предметов. В осветительных установках наибольшее распространение имеют лампы накаливания, работающие при номинальном напряжении 127В и 220В. Для местного и ремонтного освещений применяют лампы с номинальным напряжением 12В и 36В.

Изменения напряжения в сети заметно влияют на световую отдачу, световой поток и срок службы ламп накаливания. Кроме того, снижение напряжения по сравнению с номинальным приводит к изменению спектра излучения и искажению цвета освещаемых предметов. Поэтому для нормальной эксплуатации ламп накаливания важно иметь постоянное напряжение в сети, близкое к номинальному.

Лампы накаливания обладают довольно низкой световой отдачей (не более 19,6лм/Вт, так, например, при мощности ламп 100 Вт световой поток равен 1450лм, при 1500Вт - 29000лм) и ограниченным сроком службы - в среднем 1000 ч. Световой КПД ламп накаливания (доля потребляемой энергии, превращающаяся в видимый свет) не превышает 3 - 3,5%.

Однако, лампы накаливания, несмотря на их неэкономичность и значительную чувствительность к колебаниям напряжения в сети, имеют широкое распространение ввиду простоты их конструкции и удобства в эксплуатации: непосредственно включаются в сеть без дополнительных аппаратов, мгновенно зажигаются при включении независимо от температуры окружающей среды; могут работать при питании от источников переменного и постоянного тока; имеют небольшие размеры.

Промышленность выпускает разнообразнейшие лампы накаливания, отличающиеся номинальными значениями напряжения, мощности, светового потока, размерами, формой колбы, типом цоколя, назначением и т. д.

Кроме ламп общего назначения, изготовляется большое число специальных типов ламп накаливания, в том числе лампы рудничные, для метро, для светофоров; проекционные, для фотографии, миниатюрные, сверхминиатюрные, светоизмерительные, коммутаторные и многие другие.

Представляют интерес зеркальные лампы-светильники. Верхняя часть внутренней поверхности колбы ламп, начиная от цоколя, покрыта зеркальным алюминиевым слоем, который служит хорошим отражателем, направляющим более 50% излучаемого светового потока вниз в виде концентрированного снопа света. Нижняя часть колбы имеет матовую поверхность.

Перспективной разновидностью ламп накаливания являются кварцевые галогенные лампы. Кварцевая оболочка лампы обладает большой термостойкостью, не чувствительна к перепадам температур и атмосферным осадкам. Лампы наполнены инертным газом с примесью галогенного соединения (например, йода). Введение галогена увеличивает срок службы, обеспечивает на протяжении этого срока стабильность световых и электрических параметров лампы. Кварцевые галогенные лампы отличаются от ламп общего назначения значительной мощностью, большим световым потоком при сравнительно малых размерах, увеличенной светоотдачей - до 22 лм/Вт, двойным сроком службы, более белым светом, улучшенной цветопередачей.

Перечисленные достоинства, а также возможность включать галогенные лампы непосредственно в сеть без пускорегулирующих аппаратов обусловливают все более широкое их применение в светильниках и прожекторах для освещения открытых пространств, стройплощадок, стадионов, территорий железнодорожных станций.

Газоразрядные лампы

Газоразрядные лампы в отличие от ламп накаливания относятся к нетепловым источникам света. В них используется излучение (световое или ультрафиолетовое) при электрическом разряде в газах, парах металла или их смеси. К разрядным источникам света относятся люминесцентные лампы низкого давления, дуговые ртутные лампы высокого давления, натриевые лампы высокого давления, дуговые ксеноновые лампы и пр.

Разрядные ртутные лампы низкого давления принято называть люминесцентными. В люминесцентной лампе свет излучается главным образом слоем люминофора, возбуждаемого ультрафиолетовым излучением электрического разряда.

Лампа представляет собой запаянную стеклянную трубку, изнутри покрытую слоем люминофора. В цоколи в обоих торцах трубки впаяны вольфрамовые биспиральные электроды. Длина и диаметр трубки определяются мощностью лампы и напряжением, на которое она рассчитана. В трубку, из которой предварительно удален воздух, введены пары ртути с добавлением аргона. Люминесцентные лампы предназначены для работы в сетях переменного тока напряжением 127В и 220В. При таком напряжении ионизация газа под действием электрического поля незначительна. Слабо ионизированная газовая среда является хорошим изолятором, и ток между холодными электродами лампы, к которым приложено напряжение сети, практически отсутствует. Лампа без дополнительных приспособлений не может быть зажжена. Необходимая для создания электрического разряда ионизация газа и паров ртути в лампе достигается за счет предварительного накала электродов (термоэлектронная эмиссия) или за счет приложения к электродам повышенного до 500В - 600В напряжения (автоэлектронная эмиссия).

Электрический разряд в среде разреженного газа и паров ртути сопровождается сильным ультрафиолетовым излучением. Люминофор, покрывающий стенки трубки, под действием ультрафиолетовых лучей испускает интенсивный видимый свет. После загорания лампа работает в режиме непрерывного дугового разряда.

Схема включения люминесцентной лампы наряду с ее сравнительной простотой и экономичностью имеет и некоторые недостатки: невозможность мгновенного зажигания, мигание лампы при зажигании, пульсации свечения при свечении лампы с частотой, вдвое превышающей частоту питания сети, зависимость параметров свечения от температуры окружающей среды. Эти недостатки уменьшены в конструкциях некоторых ламп: используются схемы мгновенного зажигания, освещение помещения несколькими лампами, использование антистробоскопических схем при работе сразу нескольких ламп, создание оптимального температурного режима в помещении (для уличного освещения люминесцентные лампы приходится помещать в специальные прозрачные колпаки, в которых создаются необходимые температурные условия, и применять также специальные схемы зажигания).

Основные достоинства люминесцентного освещения: дают спектр, близкий к солнечному, экономичны, имеют более высокую светоотдачу, имеют большой срок службы, возможность создания освещения с разнообразными цветовыми оттенками.

Ртутно-кварцевая лампа высокого давления выполнена из термостойкого стекла и наполнена парами ртути и аргоном при высоком давлении. В торцы впаяны вольфрамовые электроды. Внешняя колба изнутри покрыта слоем люминофора.

Мощность и рабочий ток таких ламп значительно выше, чем у люминесцентных ламп низкого давления. Лампы работают в режиме дугового разряда. Дуговой разряд в парах ртути высокого давления сопровождается сильным световым и ультрафиолетовым излучением. Недостаток получаемого светового излучения в том, что в нем преобладают лучи сине-зеленого цвета. Исправление цветового излучения достигается за счет соответствующего люминофора, который, поглощая ультрафиолетовые лучи, дает оранжево-красное видимое излучение, дополняющее спектр светового излучения ртутной лампы.

Таким образом, если в люминесцентных лампах низкого давления свечение люминофора является основным, то в лампах высокого давления оно только исправляет цвет видимого излучения ртутного разряда и не дает заметного увеличения светового потока, так как лишь компенсирует часть излучения ртутного разряда, поглощенного слоем люминофора. Лампы высокого давления имеют большую светоотдачу.

Наличие внешнего баллона, защищающего ртутную лампу от внешней среды, делает ее устойчивой к атмосферным воздействиям, что позволяет использовать их для освещения улиц, железнодорожных станций, автострад, крупных высоких цехов и других помещений.

Другие источники света

Среди последних разработок промышленных источников освещения можно отметить металлогалогенные лампы, натриевые лампы высокого давления, дуговые ксеноновые лампы и т.д.

Приемники излучения.

Приемники излучений принято делить на нейтральные и селективные. Нейтральные приемники разделяют на:

1. Термоэлементы.

2. Болометры.

В термоэлементах используется явление, состоящее в том, что при нагреве одного из двух спаев двух разнородных металлических проводников, составляющих замкнутый контур, в этом контуре появляется электродвижущая сила (термо-ЭДС) и возникает электрический ток.

Болометром называется прибор, предназначенный для измерения потока излучения, поглощение которого изменяет сопротивление его нейтрального приемника.

Из физических явлений, используемых в основных типах селективных приемников, следует отметить:

1. Внешний фотоэффект (вакуумные фотоэлементы).

2. Фотоэффект с запирающим слоем (кремниевые, селеновые фотоэлементы).

3. Внутренний фотоэффект (фоторезистор). Чаще всего их применяют в экспонометрах для фотоаппаратов. Для их работы необходим источник питания, что ограничивает область их применения.

Люксметр.

Для измерения освещенности используются люксметры. Люксметр представляет собой микроамперметр, подключенный к фотоэлементу (как правило, селеновому), собранные в едином корпусе. Шкала прибора проградуирована в единицах измерения освещённости и предоставляет возможность измерений в разных диапазонах освещённостей. Для согласования спектральной чувствительности фотоэлемента с кривой видности глаза используются встроенные фильтры. Для создания равномерности освещённости активной поверхности прибора свет от исследуемого объекта проходит через матовое (молочное) рассеивающее свет стекло.

Измерение освещенности с помощью люксметра.

Устройство прибора.

Для контроля и измерения освещенности в лабораторной работе применяется фотоэлектрический люксметр. Он состоит из селенового фотоэлемента и чувствительного гальванометра, шкала которого градуирована непосредственно в люксах. Электрическая схема прибора приведена на рисунке 1. Фотографии приборов разных марок приведены на рисунке 2.

1 – фотоэлемент;

2 – переменное сопротивление, позволяющее переключать диапазоны измерений;

3 – амперметр (сила тока пропорциональна интенсивности светового потока).

Рис 1. Электрическая схема люксметра

ТКА-Люкс СА813

Рис. 2. Внешний вид люксметров разных марок

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка и проверка прибора.

Открыть люксметр. Поднести светочувствительный фотоэлемент к свету и убедиться, что стрелка гальванометра отклоняется от начального положения. В противном случае обратиться к преподавателю или лаборанту.

Упражнение 1.

Измерение освещенности поверхности.

При измерении фотоэлемент люксметра помещается в то место, где должна быть измерена освещенность, и ориентируется так, чтобы его светочувствительная поверхность была параллельна контролируемой плоскости. Показание гальванометра дает искомую освещенность. Обычно гальванометр имеет несколько шкал, используемых при измерении разных освещенностей. Выведенный наружу переключатель сопротивлений, входящих в электрическую цепь люксметра, указывает, какой из шкал следует пользоваться. Для измерения особо высоких освещенностей (например, дневной освещенности под открытом небом) люксметры снабжаются надеваемыми на фотоэлемент оптическими ослабителями света.

Расположить источник света, укреплённый на штативе, на расстояние R от освещаемой поверхности. Установить светочувствительный фотоэлемент параллельно контролируемой плоскости на расстоянии 10см от нее. Записать показания люксметра в таблицу 5. Если освещенность слишком велика (мала) изменить положение переключателя сопротивлений. Провести несколько (от 3 до 10) измерений на одном и том же расстоянии R от источника света до исследуемой поверхности. Данные занести в таблицу 5.

Аналогичные измерения провести для пяти различных расстояний, записывая результаты в таблицу 5.

Рассчитать средние значения освещенности поверхности <E> для разных расстояний R; данные внести в таблицу 5.

По данным таблицы 5 заполнить таблицу 6.

Таблица 5

Данные по освещенности поверхности для разных расстояний до источника света

№ изм.	Освещенность Е, лк
	R= см	R= см	R= см	R= см	R= см
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Среднее знач., <E>, лк

Таблица 6

Зависимость освещенности поверхности от расстояния от источника до поверхности

R, см	<E>, лк	lgR	lg<E>

По результатам измерений построить график зависимости средней освещенности поверхности <Е> от расстояния до неё от источника R (график построить в координатах: ось абсцисс - lg(R), ось ординат – lg<E>:

Можно считать, что Е=АR(*); следовательно, lgE=lgA-2lg(R): таким образом, коэффициентn-2 можно определить как тангенс угла наклона графика lg<E>=f(lgR) к оси lgR: . По построенному графику убедитесь, что зависимость (*) справедлива.

Упражнение 2.

Измерение освещенности разными источниками света.

Установить над белой поверхностью (белый лист) осветительный прибор на высоте примерно 15 см над поверхностью листа. Измерить освещённость поверхности люксметром, располагая активную (фоточувствительную) поверхность люксметра в сантиметре от поверхности освещённого листа так, чтобы не загораживать световой поток от источника света. Сделать эти измерения несколько раз для различных источников света. Данные занести в таблицу 7. Нарисовать график зависимости средней освещённости поверхности <E> от мощности осветительного прибора Р.

В качестве источников света можно использовать лампы накаливания различной мощности, люминесцентную лампу и т.п. Всего от 3 до 5 источников. Мощность источника света (P) указана на цоколе или подставке.

Далее, меняя расстояние R от источника света до освещаемой поверхности, добиться того, чтобы освещенности поверхности стали одинаковыми. Данные занести в таблицу 8. Измерения провести 3 раза для каждого из источников. Нарисовать график зависимости расстояния равной средней освещённости <E> от мощности осветительного прибора P.

Таблица 7

Освещённости поверхности разными источниками света Е, лк

№	И 1	И 2	И 3	И 4	И 5
P, Вт
1
2
3
<E>, лк

И 1 – источник света 1 и т.д.

Под таблицей сделать примечание: измерения проводились на расстоянии … см от освещаемой поверхности. Указать, что использовалось в качестве источника света. Например, И1 – лампа накаливания мощностью 60 Вт.

Таблица 8

Сводная таблица данных о расстояниях равной освещённости для разных источников света

		И1	И2	И3	И4	И5
Р, Вт
, лк
	1
R,см	2
	3
	<R>, см

Упражнение 3.

Измерение освещённости учебных помещений.

В соответствии с описанной выше методикой измерить освещённость учебных аудиторий. Данные занести на схему.

Выбирается одна из учебных аудиторий. На схеме указывается номер аудитории, дата и время измерений освещённости, примечания (например, количество не работающих в данных момент ламп и проч.).

Пример:

Схема освещённости аудитории

Дата: . Время: . Номер аудитории: .

Примечания (пример): над правым рядом парт не горели 2 светильника.

Сравнить полученные данные с санитарными нормами.

Контрольные вопросы.

1. Какие требования предъявляются к осветительным установкам на железнодорожном транспорте?

2. Каков физический смысл понятия “сила света”?

3. Что называется “яркостью”?

4. Что такое “световой поток”?

5. Дайте определение освещенности.

6. Назовите единицы измерения основных фотометрических величин.

7. Перечислите источники излучения.

8. Какие виды приемников излучения Вы знаете?

9. Какое явление лежит в основе работы термоэлемента?

10. Для чего служат болометры?

11. Что представляет собой люксметр?

12. Каков порядок выполнения работы?

13. Как выглядит график зависимости освещенности поверхности от расстояния от источника до освещаемой поверхности?

Список литературы

1. Х.Кухлинг. Справочник по физике/М.:Мир, 1985.

2. Савельев И.В. Курс общей физики/М.:Наука, 2002.-Т.3.

3. Детлаф А.А., Яворский Б. М. Курс физики/М.:Высшая школа, 2002.

4. СНиП II-А. 9-91. Искусственное освещение. Нормы проектирования/“Светотехника”, 1991. - № 9.

5. Кнорринг Г.М. Справочная книга для проектирования электрического освещению/Л.:“Энергия”, 1976.

6. Дегтярев В.О. Методические указания к выполнению курсовой работы «Исследование осветительных условий»/М.:МИИТ, 1993.

Учебно-методическое издание

Пауткина Анна Владимировна,

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

по дисциплине

"ФИЗИКА"

Работы 53

Под редакцией

доц. С.И. Ильина

Подписано к печати

Формат Усл.печ.л.

Тираж экз. Изд.N Заказ N

Цена

______________________________________________________ 127994 Москва, ул.Образцова, 15.

Типография МИИТа

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ