Света. Эта статья раскроет читателям свойства фотонов, которые позволят определить, почему свет бывает разной яркости.

Частица или волна?

В начале двадцатого века ученых озадачивало поведение квантов света - фотонов. С одной стороны, интерференция и дифракция говорили об их волновой сущности. Следовательно, свет характеризовали такие свойства, как частота, длина волны и амплитуда. С другой стороны, убедили научное сообщество в том, что фотоны передают поверхностям импульс. Это было бы невозможно, не обладай частицы массой. Таким образом, физикам пришлось признать: электромагнитное излучение одновременно и волна, и материальный объект.

Энергия фотона

Как доказал Эйнштейн, масса и есть энергия. Этот факт доказывает наше центральное светило, Солнце. Термоядерная реакция превращает массу сильно сжатого газа в чистую энергию. Но как определить мощность испускаемого излучения? Почему утром, например, сила света солнца ниже, чем в полдень? Описанные в предыдущем параграфе характеристики связаны между собой конкретными соотношениями. И все они указывают на энергию, которую несет электромагнитное излучение. Эта величина меняется в большую сторону при:

• уменьшении длины волны;
• возрастании частоты.

В чем кроется энергия электромагнитного излучения?

Фотон отличается от остальных частиц. Его масса и, следовательно, энергия существуют, только пока он движется сквозь пространство. При столкновении с препятствием квант света повышает его внутреннюю энергию или придает ему кинетический момент. Но сам фотон при этом перестает существовать. В зависимости от того, что именно выступает препятствием, происходят различные изменения.

1. Если препятствие - твердое тело, то чаще всего свет нагревает его. Также возможны следующие сценарии: фотон изменяет направление движения, стимулирует химическую реакцию или заставляет один из электронов покинуть свою орбиту и перейти в другое состояние (фотоэффект).
2. Если препятствие - единственная молекула, например, из разреженного облака газа в открытом космосе, то фотон заставляет все ее связи колебаться сильнее.
3. Если препятствие - массивное тело (например, звезда или даже галактика), то свет искажается и меняет направление движения. На этом эффекте основана возможность «заглянуть» в далекое прошлое космоса.

Наука и человечность

Научные данные часто кажутся чем-то абстрактным, неприменимым к жизни. Происходит это и с характеристиками света. Если речь идет об эксперименте или измерении излучения звезд, ученым требуется знать абсолютные величины (они называют фотометрическими). Эти понятия, как правило, выражаются в терминах энергии и мощности. Напомним, под мощностью подразумевается скорость изменения энергии в единицу времени, и в целом она показывает количество работы, которое может производить система. Но человек ограничен в способности ощущать реальность. Например, кожа чувствует тепло, но глаз не видит фотон инфракрасного излучения. Та же проблема и с единицами силы света: мощность, которую излучение демонстрирует на самом деле, отличается от мощности, которую способен воспринимать человеческий глаз.

Спектральная чувствительность человеческого глаза

Напоминаем, что речь ниже пойдет об усредненных показателях. Все люди разные. Некоторые вообще не воспринимают отдельные цвета (дальтоники). Для других культура цвета не совпадает с общепринятой научной точкой зрения. Например, японцы не различают зеленый и голубой, а англичане - голубой и синий. В этих языках разные цвета обозначаются одним словом.

Единица силы света зависит от спектральной чувствительности среднего человеческого глаза. Максимум дневного света приходится на фотон с длиной волны 555 нанометров. Это означает, что при свете солнца человек лучше всего видит зеленый цвет. Максимум ночного зрения - это фотон с длиной волны 507 нанометров. Следовательно, при Луне люди лучше видят голубые объекты. В сумерках все зависит от освещения: чем оно лучше, тем более «зеленым» становится максимум цвета, который человек воспринимает.

Строение человеческого глаза

Почти всегда, когда речь заходит о зрении, мы говорим, что видит глаз. Это неверное утверждение, ибо в первую очередь воспринимает мозг. Глаз - это только инструмент, который передает информацию о световом потоке в главный компьютер. И, как любой инструмент, вся система восприятия цветов имеет свои ограничения.

В сетчатке человека есть два различных типа клеток - колбочки и палочки. Первые отвечают за дневное зрение и лучше воспринимают цвета. Вторые предоставляют ночное зрение, благодаря палочкам человек различает свет и тень. Но они плохо воспринимают цвета. Палочки также более чувствительны к движениям. Именно поэтому, если человек идет по освещенному луной парку или лесу, он замечает каждое покачивание ветвей, каждый вздох ветра.

Эволюционная причина такого разделения проста: у нас одно солнце. Луна светит отраженным светом, а значит, ее спектр не сильно отличается от спектра центрального светила. Поэтому день делится на две части - освещенную и темную. Если бы люди жили в системе двух или трех звезд, то наше зрение, возможно, имело бы больше компонентов, каждый из которых был приспособлен к спектру одного светила.

Надо сказать, на нашей планете есть существа, чье зрение отличается от человеческого. Пустынные жители, например, глазами улавливают инфракрасный свет. Некоторые рыбы видят ближний ультрафиолет, так как это излучение проникает в толщу воды глубже всего. Наши домашние питомцы кошки и собаки иначе воспринимают цвета, и их спектр урезан: они лучше приспособлены к светотени.

Но и люди все разные, как мы уже упоминали выше. Некоторые представители человечества видят ближний инфракрасный свет. Нельзя сказать, что им были бы не нужны тепловизоры, но они способны воспринимать чуть более красные оттенки, чем большинство. У других развита ультрафиолетовая часть спектра. Такой случай описывается, например, в фильме «Планета Ка-Пэкс». Главный герой утверждает, что он прибыл из другой звездной системы. Обследование выявило у него способность видеть ультрафиолетовое излучение.

Доказывает ли это, что Прот - инопланетянин? Нет. Некоторым людям это под силу. К тому же ближний ультрафиолет вплотную прилегает к видимому спектру. Неудивительно, что кто-то воспринимает чуть больше. А вот Супермен точно не с Земли: рентгеновский спектр слишком далеко от видимого, чтобы такое зрение можно было объяснить с человеческой точки зрения.

Абсолютная и относительные единицы для определения светового потока

Независящая от спектральной чувствительности величина, которая показывает поток света в известном направлении, называется «кандела». Единица измерения мощности уже с более «человеческим» отношением произносится так же. Отличие состоит только в математическом обозначении этих понятий: абсолютное значение имеет нижний индекс «е», относительно человеческого глаза - «υ». Но не стоит забывать, что величины этих категорий буду сильно различаться. Это необходимо учитывать при решении реальных задач.

Перечисление и сопоставление абсолютных и относительных величин

Чтобы понять, в чем измеряется сила света, необходимо сопоставить «абсолютные» и «человеческие» значения. Справа приводятся понятия чисто физические. Слева располагаются величины, в которые они превращаются при прохождении сквозь систему человеческого глаза.

1. Сила излучения становится силой света. Понятия измеряются в канделах.
2. Энергетическая яркость превращается в яркость. Величины выражаются в канделах на квадратный метр.

Наверняка читатель увидел здесь знакомые слова. Много раз за свою жизнь люди говорят: «Очень яркое солнце, уйдем в тень» или «Сделай монитор поярче, фильм слишком мрачный и темный». Надеемся, статья слегка прояснит, откуда взялось это понятие, а также как называется единица силы света.

Особенности понятия «кандела»

Чуть выше мы уже упоминали этот термин. Также мы объяснили, почему одним и тем же словом называют совершенно разные понятия физики, связанные с мощностью электромагнитного излучения. Итак, единица измерения силы света называется «кандела». Но чему она равна? Одна кандела - это сила света в известном направлении от источника, который испускает строго монохроматическое излучение с частотой 5,4*10 14 , причем энергетическая сила источника в этом направлении равна 1/683 Ватт в единицу телесного угла. Перевести частоту в длину волны читатель вполне может сам, формула очень легкая. Подскажем: результат лежит в видимой области.

Единица измерения силы света носит название «кандела» неспроста. Те, кто знает английский язык, помнят, что candle - это свеча. Раньше многие области человеческой деятельности измерялись в естественных параметрах, например, лошадиных силах, миллиметрах ртутного столба. Так что неудивительно, что единица измерения силы света - это кандела, одна свеча. Только свеча это весьма своеобразная: со строго заданной длиной волны, и производящая конкретное число фотонов в секунду.

Одним из самых интересных и неоднозначным явлением нашего мира является свет. Для физики это один из основополагающих параметров многочисленных расчетов. С помощью света ученые надеются отыскать разгадку существования нашей вселенной, а также открыть для человечества новые возможности. В повседневной жизни свет также имеет большое значение, особенно при создании качественного освещения в различных помещениях.

Одним из важных параметров света является его сила, которая характеризует мощность данного явления. Именно силе света и расчету этого параметра будет посвящена данная статья.

Общие сведения о понятии

В физике под силой света (Iv) подразумевается мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла. Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

В зависимости от имеющегося источника излучения, данный параметр будет увеличиваться или уменьшаться. На его изменения будет оказывать прямое воздействие значения телесного угла.

Обратите внимание! В некоторых ситуациях сила света будет одинаковой для угла любого значения. Это возможно в тех ситуациях, когда источник светового излучения создает равномерное освещение пространства.

Этот параметр отражает физическое свойство света, благодаря чему он отличается от таких измерений, как яркость, которая отражает субъективные ощущения. Помимо этого сила света в физике рассматривается как мощность. Если быть точнее, она оценивается как единица мощности. При этом мощность здесь отличается от своего привычного понятия. Здесь мощность зависит не только от энергии, которую излучает осветительная установка, но и от такого понятия, как длина волны.
Стоит отметить, что чувствительность людей к световому излучению напрямую зависит от длины волны. Эта зависимость нашла отражение в функции относительно спектральной световой эффективности. При этом сама сила света является зависимой от световой эффективности величиной. При длине волны в 550 нанометров (зеленый цвет) данный параметр примет свое максимальное значение. В результате этого глаза человека будут более или менее чувствительны к световому потоку при различных параметрах длины волны.
Единица измерения для данного показателя является кандел (кд).

Обратите внимание! Сила излучения, которое исходит от одной свечки, будет примерно равна одной канделе. Ранее применявшаяся для формулы расчета международная свеча равнялась 1,005 кд.

Свечение одной свечи

В редких случаях применяется устаревшая единица измерения – международная свеча. Но в современном мире уже практически везде используется единица измерения для этой величины – кандела.

Диаграмма фотометрического параметра

Iv представляет собой наиболее важный фотометрический параметр. Кроме этой величины к важнейшим фотометрическим параметрам относится яркость, а также освещенность. Все эти четыре величины активно используются при создании системы освещения в самых разнообразных помещениях. Без них невозможно оценить требуемый уровень освещённости для каждой отдельной ситуации.

Четыре важнейших световых характеристики

Для простоты понимания данного физического явления необходимо рассмотреть диаграмму, которая изображает плоскость, отражающую распространение света.

Диаграмма для силы света

Благодаря диаграмме видно, что Iv зависит от направления к источнику излучения. Это означает, что для светодиодной лампочки, для которой направление максимального излучения будет принято за 0°, тогда при измерении нужной нам величины в направлении 180° получится меньшее значение, чем для направления 0°.
Как видно, на диаграмме излучение, которое распространяется двумя источниками (желтый и красный), будет охватывать равную площадь. При этом желтое излучение будет рассеянным, по аналогии со светом свечи. Его мощность примерно будет равняться 100 кд. Причем значение этой величины будет одинаковой во всех направлениях. В тоже время красный будет направленным. В положении 0° он будет иметь максимальное значение в 225 кд. При этом данное значение будет уменьшаться в случае отклонения от 0°.

Обозначение параметра в СИ

Поскольку Iv является физической величиной, то ее можно рассчитать. Для этого используется специальная формула. Но прежде, чем дойти до формулы, необходимо разобраться в том, как искомая величина записывается в системе СИ. В этой системе наша величина будет отображаться как J (иногда она обозначается как I), единица измерения которой буде кандела (кд). Единица измерения отражает, что Iv, испускаемая полным излучателем на площади сечения 1/600000 м2. будет направляться в перпендикулярном данному сечению направлении. При этом температура излучателя будет раной уровню, при котором при давлении 101325 Па будет наблюдаться затвердение платины.

Обратите внимание! Через канделу можно определить остальные фотометрические единицы.

Поскольку световой поток в пространстве распространяется неравномерно, то необходимо ввести такое понятие, как телесный угол. Он обычно обозначается символом .
Сила света используется для расчетов, когда применяется формула размерности. При этом данная величина через формулы связана со световым потоком. В такой ситуации световой поток будет произведением Iv на телесный угол, к которому и будет распространяться излучение.
Световой поток (Фv) есть произведение силы света на телесный угол, в котором распространяется поток. Ф=I .

Формула светового потока

Из этой формулы следует, что Фv представляет собой внутренний поток, распространяемый в пределах конкретного телесного угла (один стерадиан) при наличии Iv в одну канделу.

Обратите внимание! Под стерадианом понимают телесный угол, вырезающий на поверхности сферы участок, который равен квадрату радиуса данной сферы.

При этом через световое излучение можно связать Iv и мощность. Ведь под Фv понимается еще и величина, которая характеризует мощность излучения светового излучения при восприятии его усредненным человеческим глазом, имеющего чувствительностью к излучению определенной частоты. В результате из вышеприведенной формулы можно вывести следующее уравнение:

Формула для силы света

Это отлично видно на примере светодиодов. В таких источниках светового излучения его сила обычно оказывается равной потребляемой мощности. В результате, чем выше будет потребление электроэнергии, тем выше будет уровень излучения.
Как видим, формула для расчета нужной нам величины не так и сложна.

Дополнительные варианты расчета

Поскольку распределение излучения, идущего от реального источника в пространство, будет неравномерно, то Фv уже не сможет выступать в роли исчерпывающей характеристикой источника. Но только за исключением ситуации, когда одновременно с этим не будет определяться распределение испускаемого излучения по разнообразным направлениям.
Чтобы охарактеризовать распределение Фv в физике используют такое понятие, как пространственной плотности излучения светового потока для различных направлений пространства. В данном случае для Iv необходимо использовать уже знакомую формулу, но в несколько дополненном виде:

Вторая формула для расчета

Эта формула позволит оценить нужную величину в различных направлениях.

Заключение

Сила света занимает важное место не только в физике, но и в более приземленных, бытовых моментах. Это параметр особенно важен для освещения, без которого невозможно существование привычного нам мира. При этом данное значение используется не только в разработке новых осветительных приборов с более выгодными техническими характеристиками, но и при определенных расчетах, связанных с организацией системы подсветки.

Подсветка зданий грунтовыми светильниками- обзор самых популярных, монтаж
Детские люстры для комнаты девочки:критерии выбора

Световой поток - мощность светового излучения, т. е. видимого излучения, оцениваемого по световому ощущению, которое оно производит на глаз человека. Световой поток измеряется в люменах.

Например лампа накаливания (100 Вт) излучает световой поток, равный 1350 лм, а люминесцентная лампа ЛБ40 - 3200.

Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света равной одной канделе, в телесный угол, величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд·ср).

Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.

Существует и другое определение: единицей светового потока является люмен (лм), равный потоку, излучаемому абсолютно черным телом с площади 0,5305 мм 2 при температуре затвердевания платины (1773° С), или 1 свеча·1 стерадиан.

Сила света - пространственная плотность светового потока, равная отношению светового потока к величине телесного угла, в котором равномерно распределено излучение. Единицей силы света является кандела.

Освещенность - поверхностная плотность светового потока, падающего на поверхность, равная отношению светового потока к величине освещаемой поверхности, по которой он равномерно распределен.

Единицей освещенности является люкс (лк) , равный освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в 1 м 2 , т. е. равный 1 лм/1 м 2 .

Яркость - поверхностная плотность силы света в заданном направлении, равная отношению силы света к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную тому же направлению.

Единица яркости - кандела на квадратный метр (кд/м 2).

Светимость (светность) - поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью, равная отношению светового потока к площади светящейся поверхности.

Единицей светимости является 1 лм/м 2 .

Единицы световых величин в международной системе единиц СИ (SI)

Наименование величины	Наименование единицы	Выражение через единицы СИ (SI)	Обозначение единицы
			русское	между- народное
Сила света	кандела	кд	кд	cd
Световой поток	люмен	кд·ср	лм	lm
Световая энергия	люмен-секунда	кд·ср·с	лм·с	lm·s
Освещенность	люкс	кд·ср/м 2	лк	lx
Светимость	люмен на квадратный метр	кд·ср/м 2	лм·м 2	lm/m 2
Яркость	кандела на квадратный метр	кд/м 2	кд/м 2	cd/m 2
Световая экспозиция	люкс-секунда	кд·ср·с/м 2	лк·с	lx·s
Энергия излучения	джоуль	кг·м 2 /с 2	Дж	J
Поток излучения, мощность излучения	ватт	кг·м 2 /с 3	Вт	W
Световой эквивалент потока излучения	люмен на ватт		лм/Вт	lm/W
Поверхностная плотность потока излучения	ватт на квадратный метр	кг/с 3	Вт/м 2	W/m 2
Энергетическая сила света (сила излучения)	ватт на стерадиан	кг·м2/(с 3 ·ср)	Вт/ср	W/sr
Энергетическая яркость	ватт на стерадиан-квадратный метр	кг/(с 3 ·ср)	Вт/(ср·м 2)	W/(sr·m 2)
Энергетическая освещенность (облученность)	ватт на квадратный метр	кг/с 3	Вт/м 2	W/m 2
Энергетическая светимость (излучаемость)	ватт на квадратный метр	кг/с 3	Вт/м 2	W/m 2

Примеры:

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ СПРАВОЧНИК"
Под общей ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др.
М.: Издательство МЭИ, 1998

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Исходная величина

Преобразованная величина

кандела свеча (немецкая) свеча (брит.) десятичная свеча пентановая свеча пентановая свеча (мощностью 10 св) свеча Хефнера единица Карселя свеча десятичная (французская) люмен/стерадиан свеча (международная)

Подробнее о силе света

Общие сведения

Сила света - это мощность светового потока внутри определенного телесного угла. То есть, сила света определяет не весь свет в пространстве, а только свет, излучаемый в определенном направлении. В зависимости от источника света, сила света уменьшается или увеличивается по мере изменения телесного угла, хотя иногда эта величина одинакова для любого угла, если источник равномерно распространяет свет. Сила света - физическое свойство света. Этим она отличается от яркости, так как во многих случаях, когда говорят о яркости, то подразумевают субъективное ощущение, а не физическую величину. Также, яркость не зависит от телесного угла, а воспринимается в общем пространстве. Один и тот же источник с неизменной силой света может восприниматься людьми как свет разной яркости, так как это восприятие зависит от окружающих условий и от индивидуального восприятия каждого человека. Также, яркость двух источников с одинаковой силой света может восприниматься по-разному, особенно если один дает рассеянный свет, а другой - направленный. В этом случае направленный источник будет казаться ярче, несмотря на то, что сила света обоих источников одинакова.

Сила света рассматривается как единица мощности, хотя она отличается от привычного понятия о мощности тем, что она зависит не только от энергии, излучаемой источником света, но и от длины световой волны. Чувствительность людей к свету зависит от длины волны и выражается функцией относительной спектральной световой эффективности. Сила света зависит от световой эффективности, которая достигает максимума для света с длиной волны в 550 нанометров. Это - зеленый цвет. Глаз менее чувствителен к свету с большей или меньшей длиной волны.

В системе СИ сила света измеряется в канде́лах (кд). Одна кандела приблизительно равна силе света, излучаемого одной свечой. Иногда также используются устаревшая единица, свеча (или международная свеча), хотя в большинстве случаев эта единица заменена канделами. Одна свеча примерно равна одной канделе.

Если измерять силу света, используя плоскость, которая показывает распространение света, как на иллюстрации, то видно, что величина силы света зависит от направления на источник света. Например, если принять направление максимального излучения светодиодной лампы за 0°, то измеренная сила света в направлении 180° будет намного ниже, чем для 0°. Для рассеянных источников величина силы света для 0° и 180° не будет сильно отличаться, а возможно будет одинаковой.

На иллюстрации свет, распространяемый двумя источниками, красным и желтым, охватывают равную площадь. Желтый свет - рассеянный, подобно свету свечи. Его сила - примерно 100 кд, независимо от направления. Красный - наоборот, направленный. В направлении 0°, там, где излучение максимально, его сила равна 225 кд, но эта величина быстро уменьшается при отклонениях от 0°. Например, сила света равна 125 кд при направлении на источник 30° и всего 50 кд при направлении 80°.

Сила света в музеях

Сотрудники музеев измеряют силу света в музейных помещениях, чтобы определить оптимальные условия, позволяющие посетителям рассмотреть выставленные работы, и в то же время, обеспечить щадящий свет, наносящий как можно меньше вреда музейным экспонатам. Музейные экспонаты, содержащие целлюлозу и красители, особенно из натуральных материалов, портятся от продолжительного воздействия света. Целлюлоза обеспечивает прочность изделий из ткани, бумаги и дерева; часто в музеях встречается много экспонатов именно из этих материалов, поэтому свет в экспозиционных залах представляет большую опасность. Чем сильнее сила света, тем больше портятся музейные экспонаты. Кроме разрушения, свет также обесцвечивает материалы с целлюлозой, такие как бумага и ткани, или вызывает их пожелтение. Иногда бумага или холст, на которых написаны картины, портятся и разрушаются быстрее, чем краска. Это особенно проблематично, так как краски на картине восстановить проще, чем основу.

Вред, наносимый музейным экспонатам, зависит от длины световой волны. Так, например, свет в оранжевом спектре наименее вреден, а синий свет - самый опасный. То есть, свет с большей длиной волны безопаснее, чем свет с более короткими волнами. Многие музеи используют эту информацию и контролируют не только общее количество света, но и ограничивают синий свет, используя светло-оранжевые фильтры. При этом стараются выбирать фильтры настолько светлые, что они хоть и фильтруют синий свет, но позволяют посетителям в полной мере насладиться работами, выставленными в экспозиционном зале.

Важно не забывать, что экспонаты портятся не только от света. Поэтому трудно предсказать, основываясь только на силе света, как быстро происходит разрушение материалов, из которых они сделаны. Для долгосрочного хранения в музейных помещениях необходимо не только использовать слабое освещение, но и поддерживать низкую влажность, а также низкое количество кислорода в воздухе, по крайней мере, внутри выставочных витрин.

В музеях, где запрещают фотографировать со вспышкой, часто ссылаются именно на вред света для музейных экспонатов, особенно ультрафиолетового. Это практически необоснованно. Так же как и ограничение всего спектра видимого света намного менее эффективно, по сравнению с ограничением синего света, так и запрет на вспышки мало влияет на степень повреждения экспонатов светом. Во время экспериментов исследователи заметили небольшие повреждения на акварели, вызванные профессиональной студийной вспышкой только после более миллиона вспышек. Вспышка каждые четыре секунды на расстоянии 120 сантиметров от экспоната практически равносильна свету, который обычно бывает в экспозиционных залах, где контролируют количество света и фильтруют синий свет. Те, кто фотографируют в музеях, редко используют такие мощные вспышки, так как большинство посетителей - не профессиональные фотографы, и фотографируют на телефоны и компактные камеры. Каждые четыре секунды вспышки в залах работают редко. Вред от испускаемых вспышкой ультрафиолетовых лучей также в большинстве случаев невелик.

Сила света светильников

Свойства светильников принято описывать с помощью силы света, которая отличается от светового потока - величины, определяющей общее количество света, и показывающей насколько ярок этот источник в общем. Силу света удобно использовать для определения световых свойств светильников, например, светодиодных. При их покупке информация о силе света помогает определить с какой силой и в каком направлении будет распространяться свет, и подходит ли такой светильник покупателю.

Распределение силы света

Кроме самой силы света, понять, как будет вести себя лампа, помогают кривые распределения силы света. Такие диаграммы углового распределения силы света представляют собой замкнутые кривые на плоскости или в пространстве, в зависимости от симметрии лампы. Они охватывают всю область распространения света этой лампы. На диаграмме видно величину силы света в зависимости от направления ее измерения. График обычно строят либо в полярной, либо в прямоугольной системе координат, в зависимости от того, для какого источника света строится график. Его часто помещают на упаковке ламп, чтобы помочь покупателю представить, как будет себя вести лампа. Эти сведения важны дизайнерам и светотехникам, особенно тем, кто работает в области кинематографа, театра, и организации выставок и представлений. Распределение силы света также влияет на безопасность во время вождения, поэтому инженеры, разрабатывающие освещение для транспортных средств, используют кривые распределения силы света. Им необходимо соблюдать строгие правила, регулирующие распределение силы света в фарах, чтобы обеспечить максимальную безопасность на дорогах.

Пример на рисунке - в полярной системе координат. A - центр источника света, откуда свет распространяется в разные стороны, B - сила света в канделах, и C - угол измерения направления света, причем 0° - направление максимальной силы света источника.

Измерение силы и распределения силы света

Силу света и ее распределение измеряют специальными приборами, гониофотометрами и гониометрами . Существует несколько типов этих приборов, например с подвижным зеркалом, что позволяет измерять силу света под разными углами. Иногда вместо зеркала двигается сам источник света. Обычно эти устройства большие, с расстоянием между лампой и сенсором, измеряющем силу света, достигающим 25 метров. Некоторые устройства состоят из сферы с измерительным прибором, зеркалом и лампой внутри. Не все гониофотметры - большие, бывают и маленькие, которые двигаются вокруг источника света во время измерения. При покупке гониофотометра решающую роль, кроме прочих показателей, играют его цена, размер, мощность, и максимальный размер источника света, который он может измерить.

Угол половинной яркости

Угол половинной яркости, иногда также называемый углом свечения - одна из величин, помогающих описать источник света. Этот угол показывает, насколько направлен или рассеян источник света. Его определяют как угол светового конуса, при котором сила света источника равна половине его максимальной силы. В примере на рисунке максимальная сила света источника - 200 кд. Попробуем определить с помощью этого графика угол половинной яркости. Половина силы света источника равна 100 кд. Угол, при котором сила света луча достигает 100 кд., то есть угол половинной яркости, равен на графике 60+60=120° (половина угла изображена желтым цветом). Для двух источников света с одинаковым общим количеством света, более узкий угол половинной яркости означает, что его сила света больше, по сравнению со вторым источником, для углов между 0° и углом половинной яркости. То есть, у направленных источников - более узкий угол половинной яркости.

Преимущества есть и у широких, и у узких углов половинной яркости, и какой из них следует предпочесть - зависит от области применения этого источника света. Так, например, для подводного плавания стоит выбрать фонарь с узким углом половинной яркости, если в воде хорошая видимость. Если же видимость плохая, то не имеет смысла использовать такой фонарь, так как он только напрасно тратит энергию. В этом случае лучше подойдет фонарь с широким углом половинной яркости, который хорошо рассеивает свет. Также такой фонарь поможет во время фото и видео съемки, потому что он освещает более широкое пространство перед камерой. В некоторых фонарях для ныряния можно вручную настроить угол половинной яркости, что удобно, так как ныряльщики не всегда могут предвидеть, какая будет видимость там, где они ныряют.

Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

1. Световой поток

Световой поток - мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.

где: Qе - энергия излучения.

Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.

В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения во времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, дающую изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, излучаемых источником в единицу времени, очень велико.

По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами. Поток излучения источника с линейчатым спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:

где: Фλ - монохроматический поток излучения; Фе - поток излучения.

У источников с полосатым спектром, излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра - полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосатым спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения

где: λ - длина волны.

Спектральная плотность потока излучения - это характеристика распределения лучистого потока по спектру и равняется отношению элементарного потока ΔФeλ соответствующего бесконечно малому участку, к ширине этого участка:

Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.

В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия потока излучения, вводится понятие светового потока. Световой поток - это поток излучения, оценивающийся его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО.

В светотехнике используется и такое определение светового потока: световой поток - это мощность световой энергии. Единица светового потока - люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.

Таблица 1. Типичные световые величины источников света:

Типы ламп	Электрическая энергия, Вт	Световой поток, лм	Световая отдача лм/вт
	100 Вт	1360 лм	13,6 лм/Вт
Люминесцентная лампа	58 Вт	5400 лм	93 лм/Вт
Натриевая лампа высокого давления	100 Вт	10000 лм	100 лм/Вт
Натриевая лампа низкого давления	180 Вт	33000 лм	183 лм/Вт
Ртутная лампа высокого давления	1000 Вт	58000 лм	58 лм/Вт
Металлогалогенная лампа	2000 Вт	190000 лм	95 лм/Вт

Световой поток Ф, падая на тело, распределяется на три составные части: отраженную телом Фρ , поглощенную Фα и пропущенную Фτ . При используют коэффициенты: отражения ρ = Фρ /Ф; поглощения α =Фα /Ф; пропускания τ =Фτ /Ф.

Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей

Материалы или поверхности	Коэффициенты			Характер отражения и пропускания
	отражения ρ	поглащения α	пропускания τ
Мел	0,85	0,15	-	Диффузное
Эмаль силикатная	0,8	0,2	-	Диффузное
Алюминий зеркальный	0,85	0,15	-	Направленное
Зеркало стеклянное	0,8	0,2	-	Направленное
Стекло матированное	0,1	0,5	0,4	Направленно-рассеянное
Стекло молочное органическое	0,22	0,15	0,63	Направленно-рассеянное
Стекло опаловое силикатное	0,3	0,1	0,6	Диффузное
Стекло молочное силикатное	0,45	0,15	0,4	Диффузное

2. Сила света

Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.

Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:

где: Ф - световой поток; ω - телесный угол.

Единицей силы света является кандела. 1 кд.

Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света - кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол - часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол ω измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.

3. Освещенность

Освещенность - это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Она обозначается буквой Е и измеряется в люксах (лк).

Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс

Уличное освещение - 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь - 0,25 люкс

4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).

Закон обратных квадратов

Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:

Для примера: если источник света излучает свет силой 1200 кд в направлении, перпендикулярном к поверхности, на расстоянии 3-х метров от этой поверхности, то освещенность (Ер) в точке, где свет достигает поверхности, будет 1200/32 = 133 лк. Если поверхность находится на расстоянии 6м от источника света, освещенность будет 1200/62= 33 лк. Это отношение называется "закон обратных квадратов" .

Освещенность в определенной точке на поверхности, не перпендикулярной направлению распространения света, равняется силе света в направлении точки измерения, разделенной на квадрат расстояния между источником света и точкой на плоскости умноженной на косинус угла γ (γ - угол, образованный направлением падения света и перпендикуляром к этой плоскости).

Следовательно:

Это закон косинуса (рисунок 1.).

Рис. 1. К закону косинуса

Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.

На рисунке 2:

Тогда:

Получаем:

По данной формуле рассчитывается горизонтальная освещенность в точке измерения.

Рис. 2. Горизонтальная освещенность

6. Вертикальная освещенность

Освещение той же точки Р в вертикальной плоскости, ориентированной к источнику света, можно представить как функцию высоты (h) источника света и угла падения (γ) силы света (I) (рисунок 3).

светимостью :

Для поверхностей конечных размеров:

Светимость - это плотность светового потока, испускаемого светящейся поверхностью. Единицей светимости служит люмен на метр квадратный светящейся поверхности, что отвечает поверхности площадью 1 м2, которая равномерно излучает световой поток 1 лм. В случае общего излучения вводится понятие энергетической светимости излучающего тела (Me).

Единица энергетической светимости - Вт/м2.

Светимость в этом случае можно выразить через спектральную плотность энергетической светимости излучающего тела Meλ(λ)

Для сравнительной оценки приводим энергетические светимости к светимости некоторых поверхностей:

Поверхность солнца - Ме=6 107 Вт/м2;

Нить лампы накаливания - Ме=2 105 Вт/м2;

Поверхность солнца в зените - М=3,1 109 лм/м2;

Колба люминесцентной лампы - М=22 103 лм/м2.

Это сила света, излучаемая единицей площади поверхности в определенном направлении. Единица измерения яркости - кандела на метр квадратный (кд/м2).

Поверхность сама по себе может излучать свет, как поверхность лампы, или отражать свет, который поступает из другого источника, например поверхность дороги.

Поверхности с разными свойствами отражения при одинаковой освещенности будут иметь разную степень яркости.

Яркость, излучаемая поверхностью dA под углом Ф к проекции этой поверхности, равняется отношению силы света, излучаемого в данном направлении, к проекции излучающей поверхности (рис. 4).

Рис. 4. Яркость

Как сила света, так и проекция излучающей поверхности, не зависят от расстояния. Следовательно, яркость также не зависит от расстояния.

Несколько практических примеров:

Яркость поверхности солнца - 2000000000 кд/м2

Яркость люминесцентных ламп - от 5000 до 15000 кд/м2

Яркость поверхности полной луны - 2500 кд/м2

Искусственное освещение дорог - 30 люкс 2 кд/м2