Määritelmät fotometrisiä määriä valosarjojen ja niiden väliset matemaattiset suhteet ovat samanlaisia kuin vastaavat energiasarjan suureet ja suhteet. Niin valon virtaus, eteneminen avaruuskulman sisällä on yhtä suuri kuin . mittayksikkö valovirta (luumen). Yksiväriselle valolle energian ja valomäärien välinen suhde annetaan kaavoilla:
missä kutsutaan vakiota valon mekaaninen vastine.
Valovirta, joka putoaa aallonpituuksien väliin l ennen ,
, (30.8)
missä j on energian jakautumisfunktio aallonpituuksille (katso kuva 30.1). Sitten kaikkien kuljettama kokonaisvalovirta spektrin aallot,
. (30.9)
valaistus
Valovirta voi tulla myös kappaleista, jotka eivät itse hehku, vaan heijastavat tai hajottavat niihin tulevaa valoa. Tällaisissa tapauksissa on tärkeää tietää, mikä valovirta osuu tietylle kehon pinnan alueelle. Tätä varten se palvelee fyysinen määrä, jota kutsutaan valaistukseksi
. (30.10)
valaistus on numeerisesti yhtä suuri kuin pinta-elementtiin tulevan kokonaisvalovirran suhde tämän elementin pinta-alaan (katso kuva 30.4). Tasaiseen valotehoon
Valaistusyksikkö 
(lux). Sviitti vastaa 1 m 2 pinta-alan valaistusta, kun siihen osuu 1 lm:n valovirta. Energiavalaistus määritellään samalla tavalla
Energian valaistuksen yksikkö.
Kirkkaus
Monissa valaistuslaskelmissa joitain lähteitä voidaan pitää pistelähteinä. Useimmissa tapauksissa valonlähteet sijoitetaan kuitenkin riittävän lähelle niiden muodon erottamiseksi, toisin sanoen lähteen kulmamitat ovat silmän tai optisen instrumentin kyvyssä erottaa pidennetty kohde pisteestä. Tällaisille lähteille otetaan käyttöön fyysinen suure, jota kutsutaan kirkkaudeksi. Kirkkauden käsite ei sovellu lähteisiin, joiden kulmamitat ovat pienempiä kuin silmän tai optisen instrumentin resoluutio (esimerkiksi tähdet). Kirkkaus luonnehtii valopinnan säteilyä tiettyyn suuntaan. Lähde voi hehkua omalla tai heijastuneella valollaan.
Erotetaan tiettyyn suuntaan avaruuskulmassa etenevä valovirta valopinnan osasta. Palkin akseli muodostaa kulman normaalin kanssa pintaan nähden (ks. kuva 30.5).
Valopinnan osan projektio kohtaan, joka on kohtisuorassa valittua suuntaa vastaan,
(30.14)
nimeltään näkyvä pinta lähdesivustoelementti (katso kuva 30.6).
Valovirran arvo riippuu näkyvän pinnan pinta-alasta, kulmasta ja avaruuskulmasta:
Suhteellisuustekijää kutsutaan kirkkaudeksi, se riippuu optiset ominaisuudet säteilevä pinta ja voi olla erilainen eri suuntiin. Alkaen (30,5) kirkkaus
. (30.16)
Täten, kirkkaus määräytyy valovirran tietyssä suunnassa näkyvän pinnan yksikön avaruuskulmayksikköä kohti. Tai toisin sanoen: kirkkaus tietyssä suunnassa on numeerisesti yhtä suuri kuin lähteen näkyvän pinnan yksikköpinta-alan luoma valon intensiteetti.
AT yleinen tapaus kirkkaus riippuu suunnasta, mutta on valonlähteitä, joiden kirkkaus ei riipu suunnasta. Tällaisia lähteitä kutsutaan Lambertian tai kosini, koska heille pätee Lambertin laki: valon intensiteetti tietyssä suunnassa on verrannollinen lähteen normaalin ja tämän suunnan välisen kulman kosiniin:
missä on valon voimakkuus normaalin suunnassa pintaan, on kulma normaalin pinnan ja valitun suunnan välillä. Saman kirkkauden varmistamiseksi kaikkiin suuntiin tekniset lamput on varustettu maitolasikuorilla. Lambertilaisia hajavaloa säteileviä lähteitä ovat magnesiumoksidilla päällystetty pinta, lasittamaton posliini, piirustuspaperi ja juuri satanut lumi.
Kirkkauden yksikkö 
(nitt). Tässä on joidenkin valonlähteiden kirkkausarvot:
Kuu - 2,5 knt,
loistelamppu - 7 knt,
hehkulamppu - 5 Mnt,
Auringon pinta on 1,5 Gnt.
Pienin ihmissilmän havaitsema kirkkaus on noin 1 mikrontti, ja yli 100 kt:n kirkkaus aiheuttaa kipua silmässä ja voi vahingoittaa näköä. Valkoisen paperiarkin kirkkauden tulee olla luettaessa ja kirjoitettaessa vähintään 10 nitiä.
Energian kirkkaus määritellään samalla tavalla
. (30.18)
Radanssin mittayksikkö.
Kirkkaus
Tarkastellaanpa rajallisten mittojen valonlähdettä (joka loistaa omalla tai heijastuneella valolla). kirkkaus lähdettä kutsutaan pintatiheys pinnan kaikkiin suuntiin avaruuskulman sisällä lähettämä valovirta. Jos pintaelementti lähettää valovirtaa, niin
Tasaisen valoisuuden saamiseksi voimme kirjoittaa:
Valonvoimakkuusyksikkö.
Energian kirkkaus määritellään samalla tavalla
Energian valovoiman yksikkö.
Valaistuksen lait
Fotometriset mittaukset perustuvat kahteen valaistuksen lakiin.
1. Pinnan valaistus pistevalonlähteellä vaihtelee käänteisesti suhteessa lähteen ja valaistun pinnan välisen etäisyyden neliöön. Tarkastellaan pistelähdettä (katso kuva 30.7), joka lähettää valoa kaikkiin suuntiin. Kuvataan lähteen ympärillä samankeskisiä palloja lähteen kanssa säteillä ja . Ilmeisesti valovirta pinta-alojen läpi on sama, koska se etenee yhdessä avaruuskulmassa. Sitten alueiden ja valaistus on vastaavasti ja . Elementtien ilmaiseminen pallomaiset pinnat avaruuskulman kautta saamme:
. (30.22)
2. Alkeisosaan pinnan tietyssä kulmassa osuvan valovirran synnyttämä valaistus on verrannollinen säteiden suunnan ja pinnan normaalin välisen kulman kosiniin. Tarkastellaan yhdensuuntaista säteiden sädettä (katso kuva 29.8), joka putoaa pintojen alueille ja . Säteet osuvat pinnalle normaalia pitkin ja pinnalle kulmassa normaaliin nähden. Sama valovirta kulkee molempien osien läpi. Ensimmäisen ja toisen osan valaistus on vastaavasti ja 
. Mutta siksi,
Yhdistämällä nämä kaksi lakia voimme muotoilla valaistuksen peruslaki: pinnan valaistus pistelähteellä on suoraan verrannollinen lähteen valovoimakkuuteen, säteiden tulokulman kosiniin ja kääntäen verrannollinen lähteen ja pinnan välisen etäisyyden neliöön
. (30.24)
Tällä kaavalla tehdyt laskelmat antavat melko tarkan tuloksen, jos lähteen lineaariset mitat eivät ylitä 1/10 etäisyyttä valaistuun pintaan. Jos lähde on levy, jonka halkaisija on 50 cm, niin pisteessä normaalissa levyn keskustaan suhteellinen virhe laskelmissa 50 cm:n etäisyydellä se saavuttaa 25%, 2 metrin etäisyydellä se ei ylitä 1,5% ja 5 metrin etäisyydellä se laskee 0,25%.
Jos lähteitä on useita, niin tuloksena oleva valaistus on yhtä suuri kuin kunkin yksittäisen lähteen luomien valaisujen summa. Jos lähdettä ei voida pitää pistelähteenä, sen pinta jaetaan alkeellisiin osiin ja kunkin niistä luoman valaistuksen määrityksen jälkeen lain mukaan. 
, integroi sitten lähteen koko pinnalle.
Työpaikoilla ja tiloissa on valaistusstandardit. Pöydillä luokkahuoneet valaistuksen tulee olla vähintään 150 luksia, kirjojen lukemiseen tarvitset valaistuksen ja piirtämiseen - 200 luksia. Käytävillä valaistusta pidetään riittävänä, kaduille -.
Tärkein valonlähde kaikelle elämälle maapallolla - Aurinko luo edelleen yläraja ilmakehän energiavalaistus, jota kutsutaan aurinkovakioksi - ja valaistus 137 klx. Maan pinnalle suorien säteiden kesällä syntyvä energiavalaistus on kaksi kertaa pienempi. Suoran auringonvalon luoma valaistus keskipäivällä alueen keskileveysasteella on 100 klx. Maapallon vuodenaikojen vaihtelu selittyy auringonsäteiden tulokulman muutoksella sen pinnalla. Pohjoisella pallonpuoliskolla suurin säteiden tulokulma maan pinnalle on talvella ja pienin kesällä. Valaistus päällä avoin tila pilvisellä taivaalla on 1000 luksia. Valaistus valoisassa huoneessa lähellä ikkunaa - 100 luksia. Vertailun vuoksi esittelemme valaistuksen täysikuu- 0,2 luksia ja yötaivaalta kuuttomana yönä - 0,3 mlk. Etäisyys Auringosta Maahan on 150 miljoonaa kilometriä, mutta johtuu siitä, että voima auringonvalo yhtä suuri, auringon luoma valaistus maan pinnalle on niin suuri.
Käytä joskus lähteille, joiden valon voimakkuus riippuu suunnasta keskimääräinen pallomainen valovoima, missä on lampun kokonaisvalovirta. Lumen suhde sähköinen lamppu sen sähkötehoa kutsutaan valoteho lamput: . Esimerkiksi 100 W hehkulampun keskimääräinen pallomainen valovoima on noin 100 cd. Tällaisen lampun kokonaisvalovirta on 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm ja valoteho on 12,6 lm / W. Loistelamppujen valoteho on useita kertoja suurempi kuin hehkulamppujen ja saavuttaa 80 lm / W. Lisäksi loistelamppujen käyttöikä on yli 10 tuhatta tuntia, kun taas hehkulamppujen käyttöikä on alle 1000 tuntia.
Miljoonien vuosien evoluution aikana ihmisen silmä on mukautettu auringonvaloon, ja siksi on toivottavaa, että lampun valon spektrikoostumus on mahdollisimman lähellä auringonvalon spektrikoostumusta. Tämän vaatimuksen täyttävät parhaiten loistelamput. Siksi niitä kutsutaan myös loistelampuiksi. Hehkulampun hehkulangan kirkkaus aiheuttaa kipua silmässä. Tämän estämiseksi käytetään maitomaisia lasivarjostimia ja lampunvarjostimia.
Kaikilla eduilla loistelampuilla on myös useita haittoja: kytkentäpiirin monimutkaisuus, valovirran sykkiminen (taajuudella 100 Hz), mahdottomuus käynnistää kylmässä (elohopean kondensaation vuoksi), kaasuläpän surina (magnetostriktiosta johtuen), ympäristövaara (rikkinäisen lampun elohopea myrkyttää ympäristön).
Jotta hehkulampun säteilyn spektrikoostumus olisi sama kuin Auringon, sen hehkulanka olisi lämmitettävä Auringon pinnan lämpötilaan, eli 6200 K asti. Mutta volframi , metallien tulenkestävin, sulaa jo 3660 K:ssa.
Auringon pinnan lämpötilaa lähellä oleva lämpötila saavutetaan kaaripurkauksessa elohopeahöyryssä tai ksenonissa noin 15 atm:n paineessa. Valokaarilampun valovoima voidaan nostaa 10 Mcd:iin. Tällaisia lamppuja käytetään elokuvaprojektoreissa ja kohdevaloissa. Natriumhöyryllä täytetyt lamput erottuvat siitä, että niissä merkittävä osa säteilystä (noin kolmannes) on keskittynyt näkyvälle spektrin alueelle (kaksi voimakasta keltaista viivaa 589,0 nm ja 589,6 nm). Vaikka natriumlamppujen emissio eroaa suuresti tavallisesta auringonvalosta ihmissilmälle, niitä käytetään moottoriteiden valaisemiseen, koska niiden etuna on korkea valotehokkuus, jopa 140 lm/W.
Fotometrit
Laitteita, jotka on suunniteltu mittaamaan eri lähteistä tulevan valon tai valovirtojen voimakkuutta, kutsutaan fotometrit. Rekisteröintiperiaatteen mukaan fotometrit ovat kahdenlaisia: subjektiivisia (visuaalisia) ja objektiivisia.
Subjektiivisen fotometrin toimintaperiaate perustuu silmän kykyyn kiinnittää kahden vierekkäisen kentän sama valaistus (tarkemmin kirkkaus) riittävän suurella tarkkuudella edellyttäen, että ne valaistaan samanvärisellä valolla.
Kahden lähteen vertaamiseen tarkoitetut fotometrit on suunniteltu siten, että silmän rooli on rajoitettu samaan valaistukseen kahdelle vierekkäiselle kenttään, jotka vertailtavat lähteet valaisevat (katso kuva 30.9). Tarkkailijan silmä tutkii valkoista kolmikulmaista prismaa, joka on asennettu sisällä olevan mustan putken keskelle. Prismaa valaisevat ja lähteet. Muuttamalla etäisyyksiä ja lähteistä prismaan voidaan tasata pintojen valaistus ja . Sitten , missä ja ovat valon intensiteetit, vastaavasti, lähteiden ja . Jos yhden lähteen valovoima tunnetaan (vertailulähde), voidaan määrittää toisen lähteen valovoima valitussa suunnassa. Mittaamalla lähteen valovoimaa eri suuntiin, he löytävät kokonaisvalovirran, valaistuksen jne. Referenssilähteenä on hehkulamppu, jonka valovoimakkuus tunnetaan.
Etäisyyksien suhteen muuttamisen mahdottomuus erittäin laajalla alueella pakottaa käyttämään muita virtauksen vaimennusmenetelmiä, kuten valon absorptiota vaihtelevapaksuisella suodattimella - kiilalla (ks. kuva 30.10).
Yksi lajikkeista visuaalinen menetelmä fotometria on sammutusmenetelmä, joka perustuu silmän jatkuvaan kynnysherkkyyteen kullekin yksittäiselle tarkkailijalle. Silmän kynnysherkkyys on pienin kirkkaus (noin 1 mikroni), johon ihmissilmä reagoi. Kun silmän herkkyyskynnys on aiemmin määritetty, jollakin tavalla (esimerkiksi kalibroidulla absorboivalla kiilalla) tutkittavan lähteen kirkkaus pienennetään herkkyyskynnykseen. Kun tiedät kuinka monta kertaa kirkkaus heikkenee, on mahdollista määrittää lähteen absoluuttinen kirkkaus ilman vertailulähdettä. Tämä menetelmä on erittäin herkkä.
Lähteen kokonaisvalovirran suora mittaus suoritetaan integraalisissa fotometreissä, esimerkiksi pallofotometrissä (katso kuva 30.11). Tutkittava lähde on ripustettu mattapintaisesti sisältä kalkitun pallon sisäonteloon. Monien valon heijastusten seurauksena pallon sisällä syntyy valaistus, joka määräytyy lähteen keskimääräisen valovoimakkuuden mukaan. Näytön suoralta säteeltä suojatun reiän valaistus on verrannollinen valovirtaan: , missä on laitteen vakio, riippuen sen koosta ja väristä. Reikä on peitetty maitomaisella lasilla. Maitolasin kirkkaus on myös verrannollinen valotehoon. Se mitataan yllä kuvatulla fotometrillä tai muulla menetelmällä. Tekniikassa käytetään automatisoituja valokennoilla varustettuja pallofotometrejä esimerkiksi ohjaamaan hehkulamppuja sähkölampputehtaan kuljettimella.
Objektiiviset menetelmät Fotometria jaetaan valokuvaukseen ja sähköiseen. Valokuvausmenetelmät perustuvat siihen, että valoherkän kerroksen tummuminen on verrannollinen kerrokseen sen valaistuksen eli valotuksen aikana putoavan valoenergian tiheyteen (ks. Taulukko 30.1). Tämä menetelmä määrittää kahden lähekkäin olevan aineen suhteellisen intensiteetin spektriviivoja yhdessä spektrissä tai verrata saman viivan intensiteettejä kahdessa vierekkäisessä (samalla valokuvalevyllä otetussa) spektrissä tummentamalla tiettyjä valokuvalevyn osia.
Visuaaliset ja valokuvalliset menetelmät korvautuvat vähitellen sähköisillä. Jälkimmäisen etuna on, että niillä on melko helppo rekisteröidä ja käsitellä tuloksia automaattisesti aina tietokoneen käyttöön asti. Sähköfotometrit mahdollistavat säteilyn voimakkuuden mittaamisen näkyvän spektrin ulkopuolella.
LUKU 31
31.1. Ominaisuudet lämpösäteilyä
Riittävän korkeisiin lämpötiloihin lämmitetyt rungot hehkuvat. Kuumenemisesta johtuvaa kappaleiden hehkua kutsutaan lämpö (lämpötila) säteily. Lämpösäteily, joka on luonnossa yleisintä, syntyy energian vaikutuksesta lämpöliikettä aineen atomeista ja molekyyleistä (eli sen vuoksi sisäinen energia) ja se on ominaista kaikille kappaleille yli 0 K lämpötiloissa. Lämpösäteilylle on tunnusomaista jatkuva spektri, jonka maksimin sijainti riippuu lämpötilasta. Korkeissa lämpötiloissa lyhyt (näkyvä ja ultravioletti) elektromagneettiset aallot, matalalla - pääasiassa pitkä (infrapuna).
Lämpösäteilyn määrällinen ominaisuus on kappaleen energian valoisuuden (säteilyn) spektritiheys- säteilyteho kehon pinnan pinta-alayksikköä kohden yksikköleveyden taajuusalueella:
Rv,T =, (31.1)
missä on energia elektromagneettinen säteily säteilee aikayksikköä (säteilytehoa) kohti kehon pinta-alayksikköä kohden taajuusalueella v ennen v+dv.
Yksikkö spektritiheys energian kirkkaus Rv, T- joule neliömetriä kohti (J / m 2).
Kirjoitettu kaava voidaan esittää aallonpituuden funktiona:
=Rv, Tdv= Rλ,Tdλ. (31.2)
Kuten c = λvυ, sitten dλ/dv = - CV 2 = - λ 2 /kanssa,
jossa miinusmerkki osoittaa, että kun yksi arvoista kasvaa ( λ tai v) toinen arvo pienenee. Sen vuoksi seuraavassa miinusmerkki jätetään pois.
Täten,
R υ,T =Rλ,T . (31.3)
Kaavan (31.3) avulla voidaan siirtyä alkaen Rv, T kohtaan Rλ,T ja päinvastoin.
Kun tiedämme energian valoisuuden spektritiheyden, voimme laskea integraalienergian kirkkaus(integraalinen emissiokyky), laskemalla yhteen kaikki taajuudet:
R T = . (31.4)
Kehojen kyvylle absorboida niihin kohdistuvaa säteilyä on tunnusomaista absorbanssi
Ja v,T =(31.5)
näyttää kuinka suuri osa energiasta tuodaan aikayksikköä kohti kehon pinnan pinta-alayksikköä kohti siihen kohdistuvien sähkömagneettisten aaltojen taajuuksilla v ennen v+dv imeytyy elimistöön.
Spektriabsorbanssi on dimensioton suure. Määrät Rv, T ja A v, T riippuvat kehon luonteesta, sen termodynaamisesta lämpötilasta ja samalla eroavat eri taajuuksilla oleville säteilyille. Siksi nämä arvot luokitellaan T ja v(tai pikemminkin melko kapealle taajuusalueelle v ennen v+dv).
Kehoa, joka pystyy absorboimaan täysin missä tahansa lämpötilassa kaiken siihen kohdistuvan taajuuden säteilyn, kutsutaan musta. Siksi mustan kappaleen spektriabsorbanssi kaikilla taajuuksilla ja lämpötiloilla on identtisesti yhtä suuri kuin yksikkö ( A h v, T = yksi). Luonnossa ei ole täysin mustia kappaleita, mutta sellaisia kappaleita kuin noki, platinamusta, musta sametti ja jotkut muut ovat ominaisuuksiltaan lähellä niitä tietyllä taajuusalueella.
ihanteellinen malli musta kappale on suljettu onkalo, jossa on pieni reikä, jonka sisäpinta on mustattu (kuva 31.1). Sisälle päässyt valonsäde Kuva 31.1.
tällainen onkalo kokee useita heijastuksia seinistä, minkä seurauksena emittoidun säteilyn intensiteetti osoittautuu käytännössä nolla. Kokemus osoittaa, että kun reiän koko on alle 0,1 ontelon halkaisijasta, kaikkien taajuuksien tuleva säteily absorboituu täysin. Siten auki ikkunat kadun puolelta katsottuna talot näyttävät mustilta, vaikka huoneiden sisällä se on melko kevyttä seiniltä heijastuvan valon vuoksi.
Mustan kehon käsitteen ohella käytetään käsitettä harmaa vartalo- keho, jonka imukyky vähemmän kuin yksi, mutta on sama kaikille taajuuksille ja riippuu vain lämpötilasta, materiaalista ja kehon pinnan tilasta. Siis harmaalle vartalolle A ja v,T< 1.
Kirchhoffin laki
Kirchhoffin laki: energian valoisuuden spektritiheyden suhde spektrin absorbanssiin ei riipu kehon luonteesta; se on universaali taajuuden (aallonpituuden) ja lämpötilan funktio kaikille kehoille:
= rv,T(31.6)
Mustalle rungolle A h v, T=1, joten Kirchhoffin laista seuraa, että Rv, T sillä musta vartalo on rv, T. Siten universaali Kirchhoff-funktio rv, T ei ole muuta kuin mustan kappaleen energian kirkkauden spektritiheys. Siksi Kirchhoffin lain mukaan kaikille kappaleille energian kirkkauden spektritiheyden suhde spektrin absorptiokykyyn on yhtä suuri kuin mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys samalla lämpötilalla ja taajuudella.
Kirchhoffin laista seuraa, että minkä tahansa kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys millä tahansa spektrin alueella on aina pienempi kuin mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys (samoilla arvoilla T ja v), kuten A v, T < 1, и поэтому Rv, T < r v υ,T. Lisäksi (31.6):sta seuraa, että jos keho tietyssä lämpötilassa T ei absorboi sähkömagneettisia aaltoja taajuusalueella v, ennen v+dv, silloin ne ovat tällä taajuusalueella lämpötilassa T eikä säteile, koska A v, T=0, Rv, T=0
Kirchhoffin lain avulla mustan kappaleen integraalienergian kirkkaus (31.4) voidaan kirjoittaa seuraavasti
RT = .(31.7)
Harmaalle vartalolle R T:n kanssa = A T = A T R e, (31.8)
missä R e= -mustan kappaleen energiavalovoima.
Kirchhoffin laki kuvaa vain lämpösäteilyä, joka on sille niin ominaista, että se voi toimia luotettavana kriteerinä säteilyn luonteen määrittämisessä. Säteily, joka ei noudata Kirchhoffin lakia, ei ole lämpöä.
Käytännön kannalta Kirchhoffin laista seuraa, että tummalla ja karkealla pinnalla olevien kappaleiden absorptiokerroin on lähellä 1. Tästä syystä talvella suositaan tummia vaatteita ja kesällä vaaleita. Mutta kappaleilla, joiden absorptiokerroin on lähellä yksikköä, on myös vastaavasti suurempi energian kirkkaus. Jos otat kaksi identtistä astiaa, joista toinen on tumma, karkea pinta ja toisen seinät ovat vaaleat ja kiiltävät, ja kaada niihin sama määrä kiehuvaa vettä, ensimmäinen astia jäähtyy nopeammin.
31.3. Stefan-Boltzmannin lait ja Wienin siirtymät
Kirchhoffin laista seuraa, että mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys on universaali funktio, joten sen selvä riippuvuus taajuudesta ja lämpötilasta on tärkeä tehtävä lämpösäteilyn teoriat.
Stefan, analysoimassa kokeellista tietoa, ja Boltzmann soveltamassa termodynaaminen menetelmä, ratkaisi tämän ongelman vain osittain määrittämällä energian valoisuuden riippuvuuden R e lämpötilasta. Mukaan Stefan-Boltzmannin laki,
R e \u003d σ T 4, (31.9)
eli mustan kappaleen energian kirkkaus on verrannollinen sen termodynaamisen lämpötilan tehon neljänneksiin; σ
- Stefan-Boltzmannin vakio: sen kokeellinen arvo on 5,67 × 10 -8 W/(m 2 × K 4).
Stefan - Boltzmannin laki, joka määrittelee riippuvuuden R e lämpötilasta, ei anna vastausta mustan kappaleen säteilyn spektrikoostumuksesta. Funktion riippuvuuden kokeellisista käyristä rλ,T aallonpituudesta λ (r λ,T =´ ´ r ν,T) klo erilaisia lämpötiloja(Kuva30.2) Kuva 31.2.
tästä seuraa, että energian jakautuminen mustan kappaleen spektrissä on epätasainen. Kaikilla käyrillä on selvä maksimi, joka siirtyy kohti lyhyempiä aallonpituuksia lämpötilan noustessa. Riippuvuuskäyrän rajoittama alue rλ,T alkaen λ ja abskissa-akseli on verrannollinen energian kirkkauteen R e musta kappale ja siten Stefan-Boltzmannin lain mukaan lämpötila-asteen neljännekset.
V. Vin määritteli aallonpituuden riippuvuuden termo- ja sähködynamiikan lakeihin nojautuen λ max vastaa funktion maksimiarvoa rλ,T, lämpötilassa T. Mukaan Wienin siirtymälaki,
λ max \u003d b / T, (31.10)
eli aallonpituus λ
max vastaava enimmäisarvo spektrinen
energian valotiheys rλ,T musta kappale on kääntäen verrannollinen sen termodynaamiseen lämpötilaan. b - jatkuva vika sen kokeellinen arvo on 2,9×10 -3 m×K.
Lauseketta (31.10) kutsutaan Wienin siirtymälaiksi, se näyttää funktion maksimipaikan siirtymän rλ,T lämpötilan noustessa lyhyiden aallonpituuksien alueelle. Wienin laki selittää, miksi kuumennettujen kappaleiden lämpötilan laskiessa niiden spektriä hallitsee yhä enemmän pitkäaaltosäteily (esim. valkoista lämpöä muuttuu punaiseksi, kun metalli jäähtyy).
Rayleigh-Jeansin ja Planckin kaavat
Stefan-Boltzmannin ja Wienin lakien tarkastelusta seuraa, että termodynaaminen lähestymistapa löytää ongelman universaali toiminto Kirchhoff ei antanut toivottuja tuloksia.
Tiukka yritys tehdä teoreettinen riippuvuuspäätelmä rλ,T kuuluu Rayleighille ja Jeansille, jotka sovelsivat tilastollisen fysiikan menetelmiä lämpösäteilyyn käyttämällä klassinen laki virka-asujen jakelu energiaa vapausasteina.
Rayleigh-Jeansin kaava mustan kappaleen energian kirkkauden spektritiheydelle on muotoa:
r ν, T = <E> = kT, (31.11)
missä <Е>= kT– keskimääräistä energiaa oskillaattori luonnollisella taajuudella ν .
Kuten kokemus on osoittanut, lauseke (31.11) on yhdenmukainen kokeellisten tietojen kanssa vain riittävän alhaisten taajuuksien ja korkeiden lämpötilojen alueella. Korkeiden taajuuksien alueella tämä kaava on ristiriidassa kokeen ja Wienin siirtymälain kanssa. Ja Stefan-Boltzmannin lain saaminen tästä kaavasta johtaa järjettömyyteen. Tätä tulosta kutsutaan " ultraviolettikatastrofi". Nuo. sisällä klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään energian jakautumisen lakeja mustan kappaleen spektrissä.
Korkeiden taajuuksien alueella hyvän sopivuuden kokeen kanssa antaa Wienin kaava (Wienin säteilylaki):
r ν, T \u003d Сν 3 A e -Аν / T, (31.12)
missä mv, T- mustan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys, Kanssa ja MUTTA – vakioita. Nykyaikaisella merkinnällä käyttämällä
Planckin vakio Wienin säteilylaki voidaan kirjoittaa muodossa
r ν, T = . (31.13)
Planck löysi oikean lausekkeen, joka on yhdenmukainen kokeellisten tietojen kanssa mustan kappaleen energian kirkkauden spektritiheydelle. Mukaan kvanttihypoteesi, atomioskillaattorit eivät säteile energiaa jatkuvasti, vaan tietyissä osissa - kvantteja, ja kvanttienergia on verrannollinen värähtelytaajuuteen
E 0 =hν = hс/λ,
missä h\u003d 6,625 × 10 -34 J × s - Planckin vakio Koska säteilyä emittoituu osissa, oskillaattorin energia E voi ottaa vain tiettyjä erillisiä arvoja , energian alkeisosien kokonaisluvun kerrannaisia E 0
E = nhv(n= 0,1,2…).
AT Tämä tapaus keskimääräistä energiaa<E> oskillaattoria ei voida pitää yhtä suurena kT.
Approksimaatiossa, että oskillaattorien jakautuminen mahdollisiin diskreetteihin tiloihin noudattaa Boltzmann-jakaumaa, oskillaattorin keskimääräinen energia on
<E> = , (31.14)
ja energian kirkkauden spektritiheys määritetään kaavalla
r ν, T = . (31.15)
Planck johti yleisen Kirchhoff-funktion kaavan
mv, T = , (31.16)
joka on yhtäpitävä kokeellisen tiedon kanssa energian jakautumisesta mustan kappaleen säteilyspektreissä koko taajuus- ja lämpötila-alueella.
Planckin kaavasta, tietäen universaalit vakiot h,k ja kanssa, voimme laskea Stefan-Boltzmannin vakiot σ ja viiniä b. Ja päinvastoin. Planckin kaava on hyvin sopusoinnussa kokeellisen tiedon kanssa, mutta se sisältää myös erityisiä lämpösäteilyn lakeja, ts. on täydellinen ratkaisu lämpösäteilyn ongelmia.
Optinen pyrometria
Lämpösäteilyn lakeja käytetään hehkuvien ja itsestään valoisten kappaleiden (esimerkiksi tähtien) lämpötilan mittaamiseen. Menetelmiä korkeiden lämpötilojen mittaamiseksi, joissa käytetään energian valoisuuden spektritiheyden tai kappaleiden kokonaisenergian valoisuuden riippuvuutta lämpötilasta, kutsutaan optiseksi pyrometriaksi. Laitteita, joilla mitataan kuumennettujen kappaleiden lämpötilaa niiden lämpösäteilyn voimakkuudella spektrin optisella alueella, kutsutaan pyrometreiksi. Sen mukaan, mitä lämpösäteilyn lakia kappaleiden lämpötilaa mitataan, erotetaan säteily-, väri- ja kirkkauslämpötilat.
1. Säteilylämpötila on mustan kappaleen lämpötila, jossa sen energian kirkkaus R e yhtä suuri kuin energian kirkkaus R t tutkittava ruumis. Tässä tapauksessa tutkittavan kehon energiavaloisuus kirjataan ja Stefan-Boltzmannin lain mukaan lasketaan sen säteilylämpötila:
T p =.
Säteilylämpötila T p kehon lämpötila on aina pienempi kuin sen todellinen lämpötila T.
2.Värikäs lämpötila. Harmaille kappaleille (tai niitä ominaisuuksiltaan lähellä oleville kappaleille) energian valoisuuden spektritiheys
Rλ,Τ = AΤ rλ,Τ,
missä A t = konst < 1. Näin ollen energian jakautuminen harmaan kappaleen emissiospektrissä on sama kuin mustan kappaleen spektrissä, jolla on sama lämpötila, joten Wienin siirtymälaki pätee harmaisiin kappaleisiin. Tietäen aallonpituuden λ m ah, joka vastaa energian valovoiman maksimispektritiheyttä Rλ, Τ tutkittavasta kehosta, sen lämpötila voidaan määrittää
T c = b/ λ m ah,
jota kutsutaan värilämpötilaksi. Harmaille kappaleille värilämpötila on sama kuin todellinen. Värilämpötilan käsite menettää merkityksensä niille kappaleille, jotka eroavat suuresti harmaasta (esimerkiksi selektiivisesti absorptiokykyisissä). Tällä tavalla Auringon pinnan lämpötila määritetään ( T c=6500 K) ja tähdet.
3.Kirkkauslämpötila T i, on mustan kappaleen lämpötila, jossa tietyllä aallonpituudella sen energian valovoiman spektritiheys on yhtä suuri kuin tutkittavan kappaleen energiavaloisuuden spektritiheys, ts.
rλ,Τ = Rλ,Τ,
missä T –todellinen lämpötila runko, joka on aina suurempi kuin kirkkaus.
Kirkkauspyrometrinä käytetään yleensä katoavaa filamenttipyrometriä. Tässä tapauksessa pyrometrin langan kuva muuttuu erottumattomaksi kuuman kappaleen pinnan taustaa vasten, eli lanka näyttää "kadonneen". Kirkkauslämpötila voidaan määrittää käyttämällä mustakappalekalibroitua milliametria.
Lämpövalolähteet
Kuumien kappaleiden hehkua käytetään valonlähteiden luomiseen. Mustien kappaleiden tulisi olla parhaita lämpövalonlähteitä, koska niiden spektrienergian valotiheys millä tahansa aallonpituudella on suurempi kuin samoissa lämpötiloissa otettujen ei-mustien kappaleiden spektrienergian valotiheys. Kuitenkin käy ilmi, että joissakin kappaleissa (esimerkiksi volframi), joilla on lämpösäteilyn selektiivisyys, säteilystä johtuva energiaosuus spektrin näkyvällä alueella on paljon suurempi kuin mustalla kappaleella, joka on lämmitetty samaan lämpötilaan. . Siksi volframi, jolla on myös korkea sulamispiste, on parasta materiaalia lampun filamenttien valmistukseen.
Tyhjiölampuissa olevan volframilangan lämpötila ei saa ylittää 2450 K, koska korkeammissa lämpötiloissa esiintyy sen voimakasta sputterointia. Maksimisäteily tässä lämpötilassa vastaa 1,1 µm:n aallonpituutta, eli se on hyvin kaukana ihmissilmän maksimiherkkyydestä (0,55 µm). Lampun polttimoiden täyttäminen inertillä kaasulla (esimerkiksi kryptonin ja ksenonin seoksella typen lisäyksellä) 50 kPa:n paineessa mahdollistaa hehkulangan lämpötilan nostamisen 3000 K:iin, mikä parantaa lampun spektrikoostumusta. säteilyä. Valoteho ei kuitenkaan kasva tässä tapauksessa, koska hehkulangan ja kaasun välisestä lämmönvaihdosta aiheutuu ylimääräisiä energiahäviöitä lämmönjohtavuudesta ja konvektiosta. Lämmönsiirrosta aiheutuvien energiahäviöiden vähentämiseksi ja kaasutäytteisten lamppujen valotehon lisäämiseksi hehkulanka on tehty spiraalin muotoon, jonka yksittäiset kierrokset lämmittävät toisiaan. klo korkea lämpötila tämän spiraalin ympärille muodostuu kiinteä kaasukerros ja konvektiosta johtuva lämmönvaihto on suljettu pois. Energiatehokkuus hehkulamput eivät tällä hetkellä ylitä 5%.
1. Säteilyvuo. Sähkömagneettisen säteilyn spektrin käsite. Periaate virtausjakauman mittaamisesta spektrin yli. Energiamäärät.
Säteilyvuo (teho) (F) yavl. pääsuure energiamittausjärjestelmässä. Säteilytehon (tai -vuon) katsotaan olevan aikayksikköä kohti siirtynyt energia. F:n arvo ilmaistaan watteina (W).
Sähkömagneettinen aaltoalue epäröinti, n. luonnossa on melko leveä ja ulottuu angströmin murto-osista kilometriin.
Sähkömagneettisen säteilyn spektri, mikroneja
Gammasäteet __________________________________________ vähemmän kuin 0,0001
Röntgenkuvat ___________________________________ 0,01-0,0001
Ultraviolettisäteet ___________________________________ 0,38-0,01
Näkyvä valo ___________________________________________________ 0,78-0,38
Infrapunasäteet _________________________________________1000-0,78
Radioaallot ______________________________________________________ yli 1000
Spektrin optiseen alueeseen kuuluu vain osa sähkömagneettisesta säteilystä, jonka aallonpituusväli on λmin = 0,01 μm - λmax = 1000 μm.Tällaista säteilyä syntyy atomien sähkömagneettisen virityksen seurauksena, värähtely- ja pyörivä liike molekyylejä.
AT optinen spektri kolme pääaluetta voidaan erottaa: ultravioletti, näkyvä, infrapuna.
Ultraviolettisäteily tuottaa voimakkaimpia fotoneja ja sillä on voimakas valokemiallinen vaikutus.
Näkyvän valon säteily, huolimatta melko kapeasta intervallista, antaa meille mahdollisuuden nähdä ympärillämme olevan maailman monimuotoisuus. Joten ihmissilmä ei käytännössä havaitse äärimmäisten aallonpituusalueiden säteilyä (niillä on heikko vaikutus silmään) näkyvä valo on tapana harkita säteilyä, jonka aallonpituusalue on 400-700 nm. Tällä säteilyllä on merkittävä fotofyysinen ja fotokemiallinen vaikutus, mutta vähemmän kuin ultravioletti.
Fotoneilla on pienin energia spektrin koko optisesta alueesta infrapunasäteily. Tämän säteilyn har-but lämpövaikutus ja suuressa määrin alempi tutkinto, valofysikaalisia ja fotokemiallisia. toiminta.
2. Säteilyvastaanottimen käsite . Vastaanottajan reaktiot. Säteilyvastaanottimien luokitus. Lineaariset ja epälineaariset vastaanottimet. Säteilyvastaanottimen spektriherkkyys.
elimiä, joissa tällaisia muutoksia tapahtuu optinen säteily, saatu valaistustekniikassa yleinen nimi "säteilyvastaanottimet"
Perinteisesti säteilyvastaanottimet jaetaan:
1. Luonnollinen säteilyn vastaanottaja on ihmissilmä.
2. Valoherkät materiaalit, joita käytetään kuvien optiseen tallentamiseen.
3. Vastaanottimet ovat myös valoherkkiä elementtejä mittauslaitteet(tiheysmittarit, kolorimetrit)
Optisella säteilyllä on korkea energia ja se vaikuttaa siksi moniin aineisiin ja fyysisiin kehoihin.
Mediassa ja kehoissa tapahtuvan valon absorption seurauksena koko rivi ilmiöt (Kuva 2.1, Sir 48)
Säteilyä absorboinut keho alkaa säteillä itseään. Tässä tapauksessa sekundäärisellä säteilyllä voi olla eri spektrialue kuin absorboidulla. N-r, valaistuksen alla UV-valo keho lähettää näkyvää valoa.
Absorboituneen säteilyn energia muunnetaan sähköenergiaa, kuten valosähköisen efektin tapauksessa, tai aiheuttaa muutoksen sähköiset ominaisuudet materiaalia, jota esiintyy valojohteissa. Tällaisia muunnoksia kutsutaan fotofyysinen.
Toinen fotofysikaalisen muuntamisen tyyppi on säteilyenergian siirtyminen lämpöenergia. Tämä ilmiö on löytänyt sovelluksen lämpöelementeissä, joita käytetään säteilytehon mittaamiseen.
Säteilyenergia muunnetaan kemialliseksi energiaksi. Valoa absorboivan aineen fotokemiallinen muutos tapahtuu. Tämä muunnos tapahtuu useimmissa valoherkissä materiaaleissa.
Kappaleet, joissa tällaisia muutoksia tapahtuu optisen säteilyn vaikutuksesta, ovat saaneet yleisen nimen valaistustekniikassa. "säteilyvastaanottimet"
Lineaariset epälineaariset vastaanottimet?????????????????????
Säteilyvastaanottimen spektriherkkyys.
Vastaanottimessa olevan optisen säteilyn vaikutuksesta tapahtuu fotokemiallinen ja fotofysikaalinen muutos, joka muuttaa vastaanottimen ominaisuuksia tietyllä tavalla.
Tätä muutosta kutsutaan vastaanottimen hyödylliseksi vastaukseksi.
Kaikkea tulevan säteilyn energiaa ei kuitenkaan kuluteta hyödylliseen reaktioon.
Osa vastaanottimien energiasta ei imeydy, joten se ei voi aiheuttaa reaktiota. Imeytynyt energia ei myöskään muutu täysin hyödylliseksi. Esimerkiksi valokemiallisen muutoksen lisäksi voi tapahtua vastaanottimen kuumenemista. Käytännössä käytetty osa energiasta ns. hyödyllinen, ja käytännössä käytetty osa säteilytehosta (säteilyvuo Ф) on tehollinen vuo Ref.
Tehollisen vuon Ref suhde vastaanottimeen tulevaan säteilyvuon
nimeltään vastaanottimen herkkyys.
Useimpien vastaanottimien spektriherkkyys riippuu aallonpituudesta.
Sλ= сРλ eff/Фλ ja Рλ eff=КФλSλ
Suureita kutsutaan Фλ ja Рλ, vastaavasti monokromaattinen säteilyvirta ja monokromaattinen tehollinen vuo, ja Sλ on monokromaattinen spektriherkkyys.
Kun tiedetään vastaanottimeen tulevan säteilyn tehojakauma spektrissä Ф(λ) ja vastaanottimen spektriherkkyys S(λ), on mahdollista laskea tehollinen vuo kaavalla – Реф=К ∫ Ф(λ) S(λ)dλ
Mittaus tarkoittaa ∆λ-aluetta, jota rajoittaa joko vastaanottimen spektrivaste tai mittauksen spektrialue.
3. Silmän ominaisuudet vastaanottimena. Valon virtaus. Sen yhteys säteilyvirtaan. näkyvyyskäyrä. Valon ja energian välinen ero virtaa alueella 400-700 nm.
Silmän ominaisuudet vastaanottimena.
Näkölaitteisto koostuu säteilyvastaanottimesta (silmistä), näköhermoista ja aivojen näköalueista. Näillä alueilla silmiin muodostuvat ja näköhermojen kautta tulevat signaalit analysoidaan ja muunnetaan visuaalisiksi kuviksi.
Säteilyvastaanotin koostuu kahdesta silmämunasta, joista kumpikin pääsee kuuden ulkoisen lihaksen avulla helposti pyörimään kiertoradalla sekä vaaka- että pystytasossa. Kun tutkitaan kohdetta, silmät liikkuvat äkillisesti ja vuorotellen kiinnittyvät erilaisia kohtia esine. Tämä liike on luonteeltaan vektorimuotoista, ts. kunkin hypyn suunta määräytyy tarkasteltavan kohteen mukaan. Hyppynopeus on erittäin korkea ja kiinnityskohdat, joissa silmä pysähtyy 0,2-0,5 s, sijaitsevat pääasiassa yksityiskohtien rajoilla, joissa on kirkkauseroja. "Pysähdysten" aikana silmä ei ole levossa, vaan tekee nopeita mikroliikkeitä suhteessa kiinnityskohtaan. Näistä mikrosakkadeista huolimatta kohteen havaittu alue kohdistuu kiinnityspisteissä valoherkän verkkokalvon keskikalvoon silmistä.
Kuva 2.4 (Silmän vaakaleikkaus) s.56
Valon virtaus(F) Ymmärrä valovirralla yleensä säteilyn teho, joka on arvioitu sen vaikutuksen perusteella ihmissilmään. Valovirran yksikkö on lumen (lm).
Valovirran vaikutus silmään aiheuttaa sen tietyn reaktion. Valovirran vaikutustasosta riippuen toimivat yhden tai toisen tyyppiset valoherkät silmän vastaanottimet, joita kutsutaan sauvoiksi tai kartioiksi. Olosuhteissa matala taso valaistuksessa (esim. kuun valossa), silmä näkee ympäröivät esineet sauvojen ansiosta. Korkealla valaistustasolla päivänäkölaite, josta kartiot ovat vastuussa, alkaa toimia.
Lisäksi kartiot on jaettu kolmeen ryhmään niiden valoherkän aineen mukaan, joilla on erilainen herkkyys eri alueita spektri. Siksi, toisin kuin sauvat, ne eivät reagoi vain valovirtaan, vaan myös sen spektriseen koostumukseen.
Tässä suhteessa voimme sanoa, että valotoiminta on kaksiulotteinen. Määrällinen ominaisuus valaistustasoon liittyvät silmäreaktiot, ns. valoa. Laatuominaisuus, joka liittyy eri tasoilla kolmen kartioryhmän reaktiot, joita kutsutaan kromaattiseksi.
Tärkeä ominaisuus silmän suhteellisen spektriherkkyyden (suhteellinen spektraalinen valotehokkuus) yavl-jakaumakäyrä päivänvalossa νλ =f(λ) Kuva 1.3 p.9
Käytännössä on todettu, että päivänvalossa ihmissilmän maksimiherkkyys säteilylle on Lamda = 555 nm (V555 = 1) Samaan aikaan jokaisen valovirran yksikön säteilyteho F555:llä on Ф555 = 0,00146 W. Valovirran F555 suhdetta Ф555 kutsutaan spektrinen valotehokkuus.
K = F555/F555 = 1/0,00146 = 680 (lm/W)
Tai mille tahansa säteilyn aallonpituudelle näkyvällä alueella K=const:
K \u003d 1 / V (λ) * F λ / Ф λ \u003d 680. (yksi)
Kaavan (1) avulla on mahdollista muodostaa suhde valovirran ja säteilyvirran välille.
Fλ = 680 * Vλ * Фλ
Integroituun säteilyyn
F= 680 ∫ Vλ Фλ dλ
4. Fotoaktiivinen virtaus. Yleistä tietoa tehokkaasta virtauksesta. Yksiväriset ja integraalivirrat. aktinismi .
Valaistustekniikassa ja toistotekniikassa käytetään kahden tyyppisiä tehollisia vuotoja: valo F ja fotoaktiini A.
Valovirta suhteutetaan tehoon (säteilyvirtaan Ф) seuraavalla lausekkeella:
F=680 ∫ Ф(λ) V(λ) dλ
400 nm
jossa Ф(λ) on säteilytehon jakautuminen spektrin yli, V(λ) on suhteellinen spektrinen valotehokkuuskäyrä (näkyvyyskäyrä) ja 680 on kerroin, jonka avulla voit siirtyä wateista lumeneihin. Sitä kutsutaan valovirran ekvivalentiksi ja se ilmaistaan yksikkönä lm/W.
Jos valovirta putoaa jollekin pinnalle, sen pintatiheyttä kutsutaan valotiheydeksi. Valaistus E on suhteessa valovirtaan kaavan mukaan
Missä Q on pinta-ala metreinä Valon yksikkö on luksi (kl)
Käytä valoherkille materiaaleille ja mittauslaitteiden valoantureille fotoaktiininen virtausA.
Tämä on lausekkeen määrittelemä tehokas virtaus
A = ∫ Ф (λ) S (λ) dλ
Jos spektrialue, jolla mittaus suoritetaan, on rajoitettu aallonpituuksilla λ1 ja λ2, niin lauseke fotoaktiininen virtaus ottaa muodon
A \u003d ∫ F (λ) * S (λ) dλ
λ1
Mittayksikkö A riippuu spektriherkkyyden mittayksiköstä. Jos Sλ on suhteellinen arvo, ja mitataan watteina. Jos Sλ:lla on mitta, esim.
m /J, niin tämä vaikuttaa fotoaktiinivuon mittaan
Fotoaktiinivuon pintatiheys valaistulla pinnalla naz-säteilyn aktiivisuusa, a= dA/ dQ
Jos vastaanottimen pinta on valaistu tasaisesti, niin a=A/Q.
Yksiväriselle säteilylle.
Fλ = 680 * Vλ * Фλ
Integroituun säteilyyn
F= 680 ∫ Vλ Фλ dλ
aktinismi- analoginen valaistus. Sen mittayksikkö riippuu mitat A
Jos A - W, niin a-W / m
Kuva 2.2 sivu 52
Mitä suurempi säteilyn aktiivisuus on, sitä tehokkaammin säteilyenergiaa käytetään ja mitä enemmän muiden yhtäläiset olosuhteet, vastaanottajan vastaus on hyödyllinen.
Maksimaalisen aktiivisuuden saavuttamiseksi on toivottavaa, että vastaanottimen maksimispektriherkkyys ja suurin säteilyteho osuvat samoille spektrivyöhykkeille. Tämä huomio ohjaa valonlähteen valintaa kuvien saamiseksi tietyntyyppisistä valoherkistä materiaaleista.
Esimerkiksi kopiointiprosessi.
Painolevyjen valmistukseen käytetyt kopiokerrokset ovat herkkiä ultravioletti- ja siniviolettisäteilylle. Ne eivät reagoi muiden näkyvän spektrin vyöhykkeiden säteilyyn. Siksi he käyttävät kopiointiprosessin suorittamiseen
Metallihalogenidilamput, joissa on runsaasti ultravioletti- ja sinistä spektrisäteilyä.
kuvio 2.3. Sivu 53 käsikirja
5. Värilämpötila. Absoluuttisen mustan kappaleen kirkkauskäyrät klo eri lämpötiloja. Normalisoidun käyrän käsite. Termin "värilämpötila" määritelmä. Säteilyn värin suuntamuutos värilämpötilan muutoksen myötä.
Värilämpötilalla tarkoitetaan kelvineinä ilmaistua täysin mustan kappaleen lämpötilaa, jossa säteily on samanväristä kuin tarkasteltava. Volframilangalla varustetuissa hehkulampuissa säteilyn spektrijakauma on verrannollinen täysin mustasta kappaleesta tulevan säteilyn spektrijakaumaan aallonpituusalueella 360-1000 nm. Laskea mustan kappaleen säteilyn spektrikoostumus tietylle absoluuttinen lämpötila Kuumenna sitä, voit käyttää Planckin kaavaa:
e -5 s 2 / λ t
Rλ \u003d C1 λ (e -1)
uh
Missä Rλ on spektrin energian kirkkaus, C1 ja C2 ovat vakioita, e on kanta luonnolliset logaritmit, T-absoluuttinen lämpötila, K
Kokeellisesti värilämpötila määräytyy aktiivisuuksien sini-punasuhteen arvon perusteella. Aktiivisuus-valaistus, tehokas suhteessa valoanturiin:
Аλ = Фλ Sλ / Q = Eλ Sλ
Missä Ф on säteilyvirta, Sλ on valodetektorin herkkyys, Qλ on sen pinta-ala
Jos valontunnistimena käytetään valomittaria, niin aktiivisuus on valaistus, joka määritetään, kun valokenno on suojattu sinisellä ja punaisella valosuodattimella.
Teknisesti mittaus tehdään seuraavasti.
Valomittarin valokenno on vuorotellen suojattu erityisesti valituilla sinisellä ja punaisella valosuodattimella. Valonsuodattimien tulee olla vyöhykkeellisiä ja niillä on sama monikertaisuus lähetysalueella. Luxmeter galvanometri määrittää valaistuksen mitatusta lähteestä jokaiselle suodattimelle. Laske sini-punainen suhde kaavan avulla
K \u003d Ac / Ak \u003d Es / Ek
AIKATAULU sivu 6 lab orja
Фλ. Tätä varten Planckin kaavan mukaan lasketaan spektrienergian valoisuuden arvot. Seuraavaksi tuloksena oleva funktio normalisoidaan. Sääntely koostuu kaikkien arvojen suhteellisesta vähentämisestä tai lisäämisestä tällä tavalla
niin, että funktio kulkee pisteen läpi, jonka koordinaatit λ= 560nm, lg R560 =2.0
tai λ= 560 nm, R560 rel = 100 Tässä tapauksessa katsotaan, että jokainen arvo viittaa laskentavaihetta vastaavaan spektriväliin ∆λ.
∆λ=10 nm, valoisuus 100 W*m vastaavat 560 nm:n aallonpituutta aallonpituusalueella 555-565 nm.
Kuva 1.2 Sivu 7 lab orja
Spektririippuvuusfunktiolla Rλ = f λ voidaan löytää funktiot E λ = Фλ = f λ Käytä kaavoja.
E-valaistus, R-valoisuus, F- energian virtaus, Q-alue
6. Valonlähde. niiden spektriominaisuudet. Valonlähteiden luokitus säteilytyypin mukaan. Planckin ja Wienin kaava.
7. Säteilylähteiden fotometriset ominaisuudet. Luokituksen mukaan geometriset suuret: piste- ja laajennettu valonlähde, fotometrinen runko.
Säteilylähteet voidaan jakaa kahteen ryhmään riippuen emitterin mittojen suhteesta ja sen etäisyydestä tutkittavaan kentän pisteeseen:
1) pistesäteilylähteet
2) äärellisen ulottuvuuden lähde (lineaarinen lähde) Säteilylähde, jonka mitat ovat merkittävästi vähemmän etäisyyttä tutkittavaan pisteeseen kutsutaan pisteeksi. Käytännössä pistelähteenä pidetään sellaista, jonka maksimikoko on vähintään 10 kertaa pienempi kuin etäisyys säteilyvastaanottimeen. Tällaisille säteilylähteille noudatetaan etäisyyden käänteistä neliölakia.
E = I/r 2 kosini alfa, jossa alfa = valonsäteen ja pintaan C nähden kohtisuoran välinen kulma.
Jos pisteestä, jossa pisteen säteilylähde sijaitsee, syrjään eri suuntiin avaruus ovat yksikön säteilyvoimakkuuden vektoreita ja piirtävät pinnan niiden päiden läpi, jolloin saadaan lähteen säteilyvoimakkuudesta FOTOMETRILLISEN RUNKO. Tällainen kappale luonnehtii täysin tietyn lähteen säteilyvuon jakautumista ympäröivään tilaan
8. Säteilyn muuntaminen optisilla välineillä. Säteilykonversion ominaisuudet: valokertoimet, kerrannaisuudet, optiset tiheydet, niiden välinen suhde. Suodattimet Termin määritelmä. Spektrikäyrä yleisenä suodattimen ominaisuutena.
Kun säteilyvuo Ф0 osuu oikea vartalo(optinen väliaine), osa sen Ф(ro):sta heijastuu pintaan, osa Ф(alpha):sta imeytyy kehoon ja osa Ф(tau):sta kulkee sen läpi. kehon kyky ( optinen ympäristö) tällaiselle muunnokselle on tunnusomaista heijastuskerroin ro=Fro/Ф0, kerroin tau=Ftau/Ф0.
Jos kertoimet määritetään muuntamalla valovirtoja (F, lm), niin niitä kutsutaan valoksi (fotometrisiksi)
Rosv \u003d Fo / Fo; Alphasw=Falpha/Fо; tausv=Ftau/Fо
Optisten ja valokertoimien kohdalla väite on totta, että niiden summa on 1,0 (po + alfa + tau \u003d 1)
On olemassa vielä kahdenlaisia kertoimia - yksivärinen ja vyöhyke. Edellinen arvioi optisen väliaineen vaikutusta monokromaattiseen säteilyyn lambda-aallonpituudella.
Vyöhykekertoimet arvioivat spektrin vyöhykkeiltä lainatun säteilyn muuntumista (sininen delta lambda = 400-500 nm, vihreä delta lambda = 500-600 nm ja punainen delta lambda = 600-700 nm)
9. Bouguer-Lambert-Beerin laki. Laissa sidotut määrät. Optisten tiheysten additiivisuus Bouguer-Lambert-Beer-lain pääjohtopäätöksenä. Valonsirontamerkit, väliaineen sameus. Valonsirontatyypit.
F 0 /F t =10 kl, k-absorptionopeus. Beer havaitsi, että absorptioindeksi riippuu myös valoa absorboivan aineen pitoisuudesta c, k \u003d Xc, x on molaarinen absorptioindeksi ilmaistuna kerroksen paksuuden käänteislukuna, vaimentaen valoa 10 kertaa pitoisuudessa. valoa absorboivaa ainetta siinä 1 mol / l.
Bouguer-Lambert-Beer-lakia ilmaiseva lopullinen yhtälö näyttää tältä: F0 / Ft \u003d 10 Xc1:n potenssiin
Kerroksen välittämä valovirta liittyy eksponentiaalisesti vähentyneeseen valovirtaan molaarisen absorptioindeksin, kerroksen paksuuden ja valoa absorboivan aineen pitoisuuden kautta. Se seuraa harkitusta laista fyysinen merkitys optisen tiheyden käsitteet. Integroimalla lauseke Ф0/Фт=10 potenssiin Xc1
Saamme D \u003d X * s * l, ne. Optinen tiheys ympäristö riippuu sen luonteesta, on verrannollinen sen paksuuteen ja valoa absorboivan in-va:n pitoisuuteen. Koska Bouguer-Lambert-Beer-laki luonnehtii absorboituneen valon osuutta läpäisevän valon osion kautta, se ei ota huomioon heijastunutta ja sirontavaloa. Lisäksi saatu Bouger-Lambert-Beer-lakia ilmaiseva relaatio pätee vain homogeenisille aineille, eikä siinä oteta huomioon valon heijastuksen menetystä kappaleiden pinnalta. Poikkeaminen laista johtaa optisten tietovälineiden ei-additiivisuuteen.
Valovirta - valoenergian teho, tehollinen arvo lumeneina mitattuna:
Ф = (JQ/dt. (1.6)
Valovirran yksikkö on lumen (lm); 1 lm vastaa valovirtaa, jonka pisteisotrooppinen lähde säteilee avaruuskulmassa, jonka valointensiteetti on 1 kandela (kandelan määritelmä annetaan alla).
Yksivärinen valoteho
F(A. dk) = Kt. m Fe, (L, dk) Vx = 683 Fe, (A, dk) Vx.
Kompleksisen säteilyn valovirta: lineaarisella spekkerillä
Ф=683£Ф,(Л„ dk)VXh
jatkumo
missä n on juovien lukumäärä spektrissä; F<>D,(A.) on säteilyvuon spektritiheyden funktio.
sshs opiskelee ( energia voima valo) le(x^ - säteilyvuon spatiaalinen tiheys, numeerisesti yhtä suuri kuin suhde säteilyvuosta c1Fe avaruuskulmaan t/£2, jonka sisällä vuo etenee ja jakautuu tasaisesti:
>ea v=d Säteilyn voimakkuus määrää avaruuskulman huipulla sijaitsevan pistelähteen säteilyn tilatiheyden (kuva 1.3). Suunta 1ef otetaan avaruuskulman dLl akseliksi. suunnattu kulmien a ja P avulla pituus- ja poikittaistasoissa. Säteilyvoimakkuuden yksiköllä W/sr ei ole nimeä. Pistelähteen säteilyvuon tilajakauman määrittää yksiselitteisesti sen fotometrinen runko - avaruuden osa, jota rajoittaa säteilyvoiman sädevektorien päiden läpi piirretty pinta. Origon ja pistelähteen läpi kulkevan tason fotometrisen geelin poikkileikkaus määrittää lähteen valovoimakäyrän (CLC) annetulle leikkaustasolle. Jos fotometrisella kappaleella on symmetria-akseli, säteilylähde luonnehtii KSS:ää pitkittäistasossa (kuva 1.4). Pistepyöreäsymmetrisen säteilylähteen säteilyvuo F? \u003d jle (a) dLi \u003d 2l J le (a) sin ada, jossa Dj on vyöhykkeen avaruuskulma, jonka sisällä lähdesäteily etenee; määritetään pituussuuntaisessa tasossa kulmilla "| ja ". Pistelähteen valon intensiteetti - valovirran spatiaalinen tiheys laf,=dФ/dQ. (1,8) Candela (cd) on valovoiman yksikkö (yksi SI-järjestelmän perusyksiköistä). Kandela on yhtä suuri kuin mustan kappaleen 1/600 000 m2:n alueelta kohtisuorassa säteilevän valon intensiteetti platinan jähmettymislämpötilassa T = 2045 K ja paineessa 101325 Pa. Valovirran IS määrittää CSS, jos fotometrisella kappaleella on symmetria-akseli. Jos KSS / (a) on annettu kaaviolla tai taulukolla, lähteen valovirran laskenta määräytyy lausekkeen avulla F \u003d £ / shdts-, + i, missä /w - valon intensiteetin srslnss-arvo vyöhykkeellisessä avaruuskulmassa; Dj, (+| = 2n(cos a, - cos a, _|) (katso taulukko 1.1). Energian kirkkaus (säteilyvoimakkuus) - tarkasteltavasta pienestä pinta-alasta tulevan säteilyvirran suhde logoalueen pinta-alaan: M e \u003d (1Fe / dA; Mex\u003e \u003d Fe / A, (1,9) missä d$>e ja Ф(. - pinta-alan dA tai pinnan A lähettämät säteilyvuot. Energian valoisuuden yksikkö (W/m2) on säteilyvuo. päästöt 1 m2 pinta-alasta; Tällä yksiköllä ei ole nimeä. Valovoima - valovirran suhde pinta-alan pienestä pinta-alasta tämän alueen pinta-alaan: M =
missä ёF ja Ф - pinta-alan dA tai pinnan A lähettämät valovirrat. Valoteho mitataan yksikössä lm / m2 - tämä on 1 m2:n valovirta. Energiavalaistus (irradianssi) - säteilyvuon tiheys, mutta säteilytetty pinta Ee \u003d (1Fe / s1A; Ecp \u003d Fe / A, (1.11) missä Ee, Eср - vastaavasti pinta-alan dA irradianssi ja pinnan A keskimääräinen irradianssi. Irradianssin mittayksikköä kohti. Wg/m2. ota sellainen irradianssi, jossa 1 W säteilyvuosta putoaa ja jakautuu tasaisesti 1 m2:n pinta-alalle; Tällä yksiköllä ei ole nimeä. Valaistus - valovirran tiheys valaistun pinnan yli dF.=d<>/dA Еср - F/L, (1,12) missä dE ja Еср ovat pinta-alan dA valaistus ja pinnan A keskimääräinen valaistus. Lux (lx) on valaistuksen yksikkö. 1 luksin valaistuksessa on pinta, josta 1 m2:lle putoaa 1 lm:n valovirta ja se jakautuu tasaisesti. Kappaleen tai sen pinnan osan energiakirkkaus suunnassa a on nanohiukkasten a säteilyvoimakkuuden suhde säteilevän pinnan projektioon tähän suuntaan kohtisuoraan tasoon (kuva 1.5): ~ dIshch / (dA cos ss), ~ ^ey. ^" (1-13) jossa Leu ja Lcr ovat pinta-alan dA ja pinnan A energiaradianssit suunnassa a, joiden projektiot tähän suuntaan kohtisuoraan tasoon ovat yhtä suuria kuin dAcosa ja a; dleu ja ea ovat vastaavasti dA:n ja A:n a-suunnassa emittoimia säteilyvoimakkuuksia. Tasaisen pinnan energiakirkkaus B 1 M otetaan säteilyn yksiköksi. jonka säteilyvoima on 1 Vg/sr kohtisuorassa suunnassa. Tällä yksiköllä (W/srm2) ei ole nimeä. Kappaleen tai sen pinnan osan kirkkaus suunnassa a on yhtä suuri kuin tämän suunnan valovoiman suhde pinnan projektioon: La = dIa/(dAcosa); /.acp = /a/a, (1.14) missä /u ja Lacp ovat pinta-alan dA ja pinnan A kirkkautta a-suunnassa. joiden projektiot tähän suuntaan kohtisuoraan tasoon ovat vastaavasti yhtä suuria kuin dA cos a ja a; dla. 1a - vastaavasti pintojen dA ja A emittoiman valon intensiteetti suunnassa a. Kirkkauden mittayksikkö (cd/m2) on sellaisen tasaisen pinnan kirkkaus, joka kohtisuoraan säteilee valovoimaa 1 cd 1 m2:n alueelta. vastaava kirkkaus. Hämäränäön olosuhteissa näköelimen suhteellinen spektraalinen valotehokkuus riippuu sopeutumistasosta Y (X, /.) ja se on väliasennossa K (A) ja Y "(X) välillä, kuten kuvassa 1. 1.2 Näissä olosuhteissa heidän tutkimuksensa erilaisista spektrikoostumuksista, saman kirkkauden päivänäkyvystä, mutta eri kirkkaudesta silmälle (Purkinsin efekti), esimerkiksi sininen on kirkkaampaa kuin punainen. Hämäränäön alalla käsite käytetään vastaavaa kirkkautta. Voit valita tietyn spektrikoostumuksen säteilyn, jonka kirkkauden oletetaan kaikilla tasoilla olevan verrannollisia säteilytehoon. A. A. Gershun [1] ehdotti, että niitä pidettäisiin sellaisina. jota kutsutaan referenssiksi mustakappaleen säteilyn käyttämiseksi platinan jähmettymislämpötilassa. Heidän tutkimuksensa erilaisesta spektrikoostumuksesta, jonka kirkkaus on yhtä suuri kuin vertailutuotteen, saa saman vastaavan kirkkauden sen kanssa, vaikka säteilyn standardikirkkaus on erilainen. Vastaava kirkkaus mahdollistaa eri säteilyjen vertailun niiden valovaikutuksen perusteella myös suhteellisen spektrisen herkkyyden funktion epävarmuuden olosuhteissa. Säteilyn kvantifiointiin käytetään melko laajaa valikoimaa suureita, jotka voidaan ehdollisesti jakaa kahteen yksikköjärjestelmään: energiaan ja valoon. Tässä tapauksessa energiasuureet kuvaavat spektrin koko optiseen alueeseen liittyvää säteilyä ja valosuureet näkyvää säteilyä. Energiamäärät ovat verrannollisia vastaaviin valaistusmääriin. Energiajärjestelmän pääsuure, jonka avulla on mahdollista arvioida säteilyn määrää, on säteilyvirta Ph, tai säteilyteho, eli energian määrä W, säteilevä, kuljetettu tai absorboitunut aikayksikköä kohti: Fe-arvo ilmaistaan watteina (W). - energiayksikkö Useimmissa tapauksissa ne eivät ota huomioon säteilyn esiintymisen kvanttiluonnetta ja pitävät sitä jatkuvana. Säteilyn laadullinen ominaisuus on säteilyvuon jakautuminen spektrin yli. Säteilyille, joilla on jatkuva spektri, otetaan käyttöön käsite säteilyvuon spektritiheys (
)
- spektrin tietylle kapealle osalle kuuluvan säteilytehon suhde tämän osan leveyteen (kuva 2.2). Kapealle spektrialueelle d
säteilyvirta on dФ
.
Ordinaatta näyttää säteilyvuon spektritiheydet
= dФ
/d
,
siksi virtausta edustaa graafin alkeisosan pinta-ala, ts. Kuva 2.2 - Spektrivuon tiheyden riippuvuus
säteily aallonpituudesta
E Alla valovirta F, yleensä ymmärtää säteilyn tehon, joka on arvioitu sen vaikutuksen perusteella ihmissilmään. Valovirran yksikkö on lumeni (lm). – valaistusyksikkö Valovirran vaikutus silmään aiheuttaa sen tietyn reaktion. Valovirran vaikutustasosta riippuen toimivat yhden tai toisen tyyppiset valoherkät silmän vastaanottimet, joita kutsutaan sauvoiksi tai kartioiksi. Hämärässä (esimerkiksi kuun valossa) silmä näkee ympäröivät esineet sauvojen ansiosta. Korkealla valaistustasolla päivänäkölaite, josta kartiot ovat vastuussa, alkaa toimia. Lisäksi kartiot jaetaan kolmeen ryhmään niiden valoherkän aineen mukaan, joilla on erilainen herkkyys spektrin eri alueilla. Siksi, toisin kuin sauvat, ne eivät reagoi vain valovirtaan, vaan myös sen spektriseen koostumukseen. Tältä osin voidaan sanoa, että kevyt toiminta kaksiulotteinen. Valaistustasoon liittyvää silmän reaktion kvantitatiivista ominaisuutta kutsutaan keveys. Laadullista ominaisuutta, joka liittyy kolmen kartioryhmän erilaiseen reaktiotasoon, kutsutaan värikkyys. Valon voima
(minä).
Valaistustekniikassa tätä arvoa pidetään muodossa perus. Tällä valinnalla ei ole perustavanlaatuista perustaa, vaan se tehdään mukavuussyistä, koska Valon voimakkuus ei riipu etäisyydestä. Valovoiman käsite viittaa vain pistelähteisiin, ts. lähteisiin, joiden mitat ovat pienet verrattuna etäisyyteen niistä valaistuun pintaan. Pistelähteen valovoima tietyssä suunnassa on avaruuskulmayksikköä kohti
valon virtaus F tämän lähteen lähettämä tiettyyn suuntaan: minä =F / Ω Energiaa valovoima ilmaistaan watteina steradiaania kohti ( ti/ke). Takana valaistus valovoiman yksikkö hyväksytään candela(cd) on pistelähteen valovoima, joka lähettää 1 lm:n valovirran jakautuneena tasaisesti 1 steradiaanin (sr) avaruuskulmaan. Avaruuskulma on kartiomaisen pinnan ja suljetun kaarevan ääriviivan rajaama avaruuden osa, joka ei kulje kulman kärjen läpi (kuva 2.3). Kun kartiomainen pinta puristetaan kokoon, pallomaisen alueen o mitat tulevat äärettömän pieneksi. Avaruuskulmasta tulee tässä tapauksessa myös äärettömän pieni: Kuva 2.3 - "umpikulman" käsitteen määritelmään Valaistus (E).
Energisen valaistuksen alla E uh ymmärtää säteilyn virtausta alueen yksikkö valaistu pinta K:
Energiavalaistus ilmaistaan W/m 2
.
Kevyt valaistus E
ilmaistaan valovirran tiheydellä F pinnalla se valaisee (kuva 2.4): Valon yksiköksi otetaan valaistus ylellisyyttä, eli pinnan valaistus, joka vastaanottaa 1 lm:n valovirran tasaisesti jakautuneena sille 1 m 2:n alueelle. Muiden valaistustekniikassa käytettyjen määrien joukossa tärkeitä ovat energiaa säteilyä Wuh
tai valoenergiaa W,
sekä energiaa Ne tai valoa H
valotus. Arvot We ja W määritetään lausekkeiden avulla missä Alla energia H uh tai valotus ymmärtää säteilyn pintaenergiatiheyttä W
uh
tai valoenergiaa W vastaavasti valaistulle pinnalle. Eli valotja minäaltistuminen H on valaistuksen tuote E säteilylähteen luoma jonkin aikaa t tämän säteilyn toimintaa.
Jos emissiospektri on rajoissa
1
ennen
2
, sitten säteilyvuon suuruus
ovat vastaavasti funktioita muuttaa säteilyvirtaa ja valovirtaa ajassa. Meitä mitataan jouleina tai Ws, a W
–
in lm s.
