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. Освещённость

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

Нормальная освещенность ( в люксах)

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

Таблица 2

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 3

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	-

Таблица 4

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

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.

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.

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.

Приёмники 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.

1 – фотоэлемент; 2 – переменное сопротивление, позволяющее переключать диапазоны измерений; 3 – амперметр (сила тока пропорциональна интенсивности светового потока).

Фотографии приборов разных марок приведены на рисунке 2.

Рис. 2. Внешний вид люксметров разных марок