Как измеряется сила света

Главные характеристики света

Человек видит спектр цветов – малую часть диапазона электромагнитных волн. Его характеристики влияют на комфортность среды пребывания и самочувствие человека. Существует определение для одного из свойств – световой поток (Ф), который измеряют в люменах (лм). Мощность светового потока источника характеризует вызванное ощущение восприятия света. По его распределению для замкнутого пространства выделяют потоки света: прямого, рассеянного, отраженного. Чем больше света, тем выше число люменов

Важно! Этот параметр не определяет интенсивность, яркость или производительность свечения, потому что учитывает весь рассеянный поток. Для того, чтобы измерить световой поток требуется много времени и при этом нужно учитывать пространственные характеристики явления

Основные характеристики светоизлучений

Главная характеристика источника – сила света (I), определяющая интенсивность излучения в направлении потока. Она вычисляется через частное светового потока (Ф) и телесного угла (ꭥ) в стерадианах (ср), внутри которого распределяется. В СИ единицу измерения силы света, кандела, обозначают кд, cd.

Телесный угол

Важно! Восковая свеча излучает с около одной канделы (от лат. candela), и ранее эта единица измерения называлась «свечой». Величина кандел показывает световое излучение точечного источника света на самом интенсивном его направлении

Величина кандел показывает световое излучение точечного источника света на самом интенсивном его направлении.

Покупатели ламп обычно оценивают яркость по мощности потребления (Вт) источника. При хорошей яркости получается четкое и контрастное видение предметов. Однако и слабый, и очень яркий свет неблагоприятен для деятельности человека. Яркость (L) определяется плотностью силы света в направлении поверхности и вычисляется делением I на площадь проекции на перпендикулярную поверхность (зависит от cos угла).

Измеряют показатель яркости (L) света в кд/м². Главной характеристикой восприятия светового ощущения глазами является яркость освещаемой поверхности или источника.

Единицы измерения света

Световая отдача (H) фиксирует экономичность преобразования электрической мощности в световую. При переходе от электрической энергии к световой появляются потери, что вызывает снижение показателей яркости излучения. Измеряют световую отдачу в люменах на ваттах. Можно вычислить световой поток, зная среднее значение световой отдачи.

Практичную светоотдачу имеют светодиодные лампы (потери менее 5%).

Важно! Существуют стандарты качества освещения для помещений, а также для растений или для животных. Освещенность характеризуется отношением светового потока к площади поверхности. Единицы измерения освещения

Единицы измерения освещения

Как рассчитывается

На бытовом уровне самое простое определение силы света – это яркость лампочки. Чем она мощнее, тем больше показатель, но как было указано выше, показатель во многом зависит от угла, в пределах которого распространяется световой поток.

То есть, сила света зависит не от мощности лампочки, а от угла распределения. Чтобы было понятнее, можно рассмотреть пример с фонариком. В моделях с галогеновыми лампочками обычно используют вариант с мощностью около 30 Вт. Если просто подключить такую лампу в темной комнате, то она осветит ее, но качество освещения будет далеко от идеального.

Несложное разъяснение основных понятий с формулами.

Но если поместить лампочку в отражатель, ограничивающий распространение освещения, то он не будет распространяться во все стороны, а сконцентрируется в одном направлении. Сила света многократно возрастет и она будет тем выше, чем уже угол распространения.

То есть, при грамотном использовании отражателей или концентрации светового потока на ограниченном пространстве можно использовать менее мощные лампочки, но при этом добиться лучшего качества освещения.

Рассматриваемый показатель никогда не указывается на упаковках с лампочками, так как ее невозможно определить заранее. Все зависит от того, какой плафон будет использоваться и на какую площадь будет распространяться освещение. Поэтому рассчитывать нужно исходя из типа светильника и мощности установленных в него лампочек.

Так как нормы освещенности для дома чаще всего даются в таких единицах как люкс, нужно помнить, что люкс – это 1 люмен, деленный на квадратный метр.

Световой поток

Световой поток F является одной из основных световых величин
и представляет собой тот же лучистый поток, но оценивается по световому
ощущению, которое он производит на глаз человека. Т. е. световой поток —
это величина, образуемая от лучистого потока путем умножения
на коэффициенты спектральной чувствительности глаза по каждой из длин
волн видимого спектра.

Если энeргия излучается только на одной из длин волн λ,
то световой поток этого монохроматического излучения будет равен:

Fλ = Feλ·V(λ)

При таком представлении световой поток измеряется в ваттах, как
и лучистый. Чтобы различать эти потоки, для обозначения светового потока
добавляется слово «световой», т. е. получается световой ватт. Правда,
такая размерность светового потока практически не используется,
поскольку система СИ рекомендует в качестве единиц светового потока
люмены (от лат. lumen — свет).

Международным комитетом мер и весов в 1977 г. было
принято, что в фотометрии лучистый поток
1 Вт на длине волны в λ=555 нм (частота
излучения — 540.1012 Гц), обладающего наибольшей световой
эффективностью, эквивалентен световому потоку 683 лм. Почему коэффициент
для пересчета световых ватт в люмены равняется 683, будет рассказано
ниже при рассмотрении понятия силы света. С учетом этого коэффициента
формула для расчета светового потока (в люменах) для монохроматического
излучения примет вид:

F = 683·Feλ·V(λ)

Для определения светового потока во всем диапазоне видимых излучений
(380…780 нм) необходимо просуммировать все световые потоки
монохроматических составляющих:

F = 683·∑ Feλ·V(λ)

Таким образом, чтобы получить световой поток, излучаемый на любой
длине волны видимого спектра, необходимо умножить 683 лм/Вт
на соответствующий коэффициент относительной спектральной
чувствительности (см. рис.1 и табл.1) и на значение лучистого потока
на этой длине волны.

Например, световой поток натриевой лампы состоит из излучений
на 589 нм и 589,6 нм. Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что при
лучистом потоке (мощности лампы), равном 10 Вт, V(589 нм) = 0,77,
V(589,6 нм) = 0,765, световой поток составит:

F = 683·5·0,77 + 683·5·0,765 = 5242,025 лм.

Значения световых потоков для некоторых источников света приведены в табл. 2.

Таблица 2. Световые потоки некоторых источников светаИсточник светаСветовой поток, лм
Лампа накаливания 220 В, 100 Вт 1000
Лампа накаливания 220 В, 1000 Вт 17000
Лампа накаливания 110 В, 10000 Вт 295000
Лампа накаливания 220 В, 100 Вт 400000
Поток, падающий на один квадратный метрповерхности Земли в ясный солнечный день 100000

В качестве эталона одного люмена принят световой поток, излучаемый
с поверхности абсолютно черного тела площадью 0,5305 мм² при температуре
затвердевания платины, равной 2046°К. Государственный эталон,
соответствующий международным соглашениям, был разработан профессором П.
М. Тиходеевым. Он представляет собой двойной сосуд из оксида тория,
заполненный платиной. Выходное отверстие сосуда формирует трубка
из оксида тория, погруженная в платину. При расплавлении платины (под
воздействием индукционных токов) отверстие трубки светится, как
абсолютно черное тело.

Освещенность, яркость, световой поток — в чем разница

Световой поток

Перейдем к определению единицы люмен (лм). Это световой поток, испускаемый источником света, сила которого равна одной канделе при температуре 25 °С и при эталонных условиях.

Световой поток характеризует количество света или световой мощности, попадающей на поверхность за единицу времени. Другими словами, световой поток определяется как величина воздействия на селективный световой приемник с определенной спектральной чувствительностью или как общее количество света, испускаемого источником.

Яркость

Яркость — отношение величины световой энергии, переносимой за единицу времени в определенном направлении, которую излучает некая поверхность, к ее проекции на плоскость, перпендикулярной оси наблюдения.

Яркость в системе СИ измеряется в канделах на квадратный метр. Раньше эта единица измерения носила название нит, но в наше время в системе СИ оно не применяется.

Освещенность

Для определения освещенности введена единица люкс (лк). Она равна потоку света, сила которого равна одному люмену (лм), падающему на поверхность площадью один квадратный метр. При удалении источника света от поверхности освещенность уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

При выборе источников света разных типов использовать показатель мощности для ориентира при определении мощности светового потока нельзя. Это было актуально для ламп накаливания, но с появлением светодиодных и люминесцентных ламп соотношение светового потока и мощности стало существенно различаться.

К примеру, люминесцентные лампы имеют соотношение 60 лм на каждый ватт мощности лампы, а светодиодные с прозрачным рассеивателем — уже 100 лм на каждый ватт.

Отличие освещенности от светового потока

Предельно просто объяснить разницу между этими понятиями можно сравнив их с простыми физическими величинами: давлением и силой. Используя небольшой по площади предмет (иголку) можно приложив минимум силы создать большое давление. Точно так же обстоит и со световым потоком. Используя лампочку, обеспечивающую невысокую освещенность, но сконцентрировав световой поток на ограниченном участке, можно добиться локальной освещенности в десятки раз превосходящей общую.

Следует помнить, что освещенность и световой поток измеряются различными единицами:

  • освещенность – люксами (лк);
  • световой поток – люменами (лм).

2.2. Световые величины

Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической
точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие
излучения. Восприятие глазом определяется не только мощностью воспринимаемого
излучения, но также зависит от его спектрального состава (так как глаз
– селективный приемник излучения). Световые характеристики описывают,
как энергию излучения воспринимает зрительная система глаза с учетом спектрального
состава света.

2.2.1. Световые величины

Световые величины обозначаются аналогично энергетическим
величинам, но без индекса.

– световой поток
– сила света
– освещенность
– светимость
– яркость

У световых величин нет никакой спектральной плотности,
так как глаз не может провести спектральный анализ.

Сила света:

Если в энергетических величинах исходная единица – это
, то в световых величинах
исходная единица – это сила света (так сложилось исторически). Сила света
определяется аналогично :

,
        (2.2.1)

– сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре
затвердевания платины ()
площадью .

Абсолютно черное тело

Рис.2.2.1. Абсолютно черное тело.

Поток излучения:

,
      (2.2.2)

– это поток, который излучается источником с силой света
в телесном угле :.

Освещенность:

,
      (2.2.3)

– освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно
падает поток в .

Светимость:

За единицу светимости принимают светимость такой поверхности,
которая излучает с
световой поток, равный .

Яркость:

За единицу яркости принята яркость такой плоской поверхности,
которая в перпендикулярном направлении излучает силу света с
.

2.2.2. Связь световых и энергетических
величин

Связь световых и энергетических величин связь устанавливается
через зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально.
Функция видности
– это относительная спектральная кривая эффективности . Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного
спектрального состава.
– величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим
одинаковое зрительное ощущение, причем воздействие потока излучения с
длиной волны
условно принимается за единицу. Функция видности глаза максимальна в области
желто-зеленого цвета (550–570 нм) и спадает до нуля для красных и фиолетовых
лучей (рис.2.2.2).

2.2.2. Функция видности глаза.

Определить некую световую величину
(поток, сила света, яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей
ей энергетической величины
можно по общей формуле:

        (2.2.4)

где
– функция видности глаза, 680 – экспериментально установленный коэффициент
(поток излучения мощностью
с длиной волны
соответствует
светового потока).

Например, сила света:      (2.2.5)яркость:      (2.2.6)

Другие единицы измерения световых величин:

сила света
яркость
освещенность

Сопоставление энергетических и световых единиц:

Энергетические Световые
Наименование и обозначение Единицы измерения Наименование и обозначение Единицы измерения
поток излучения световой поток
энергетическая сила света сила света
энергетическая освещенность освещенность
энергетическая светимость светимость
энергетическая яркость яркость

2.2.3. Практические световые величины
и их примеры

Световая экспозиция

Световая экспозиция
это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время
(, накопленная
за время от
до ):

,
        (2.2.7)

Если освещенность постоянна, то экспозиция определяется
выражением:

      (2.2.8)

Блеск

Для протяженного источника характеристика, воспринимаемая
глазом – . Для характеристика, воспринимаемая глазом – блеск (чем больше
блеск, тем больше кажется яркость). Блеск – это величина, применяемая
при визуальном наблюдении точечного источника света.

Блеск
– это освещенность, создаваемая точечным источником в плоскости зрачка наблюдателя,
.

Видимый блеск небесных тел оценивается в звездных
величинах
.
Шкала звездных величин устанавливается следующим экспериментальным соотношением:

      (2.2.9)

Чем меньше звездная величина, тем больше блеск. Например: – блеск,
создаваемый звездой первой величины, – блеск,
создаваемый звездой второй величины.

Яркость некоторых источников, : – поверхность
солнца, – поверхность
луны, – ясное
небо, – нить лампы
накаливания, – ясное
безлунное ночное небо, – наименьшая
различимая глазом яркость.

Освещенность, : – освещенность,
создаваемая солнцем на поверхности Земли (летом, днем, при безоблачном
небе),– освещенность
рабочего места, – освещенность
от полной луны, – порог
блеска (примерно 8-ая звездная величина).

Решение задач на определение световых величин рассматривается
в практическом занятии «Энергетика
световых волн», пункт «1.2.
Расчет световых величин».

Что такое световой поток?

Поток света – это мощность светового излучения, видимого глазом человека; световая энергия, излучаемая поверхностью (светящейся или отражающей лучи). Энергия светового потока измеряется в люмен-секундах и соответствует потоку 1 люмен, излучаемому или воспринимаемому за 1 секунду. Этот показатель описывает полный поток, не учитывая сосредоточивающую эффективность всего прибора. Такая оценка включает также рассеянный, бесполезный свет, поэтому одно и то же количество люменов может оказаться у разных по конструкции источников.

Следует различать световую величину и энергетическую – последняя характеризует свет независимо от его свойства вызывать зрительные ощущения. Каждая фотометрическая световая величина имеет аналог, который можно выразить количественно в единицах энергии или мощности. Для световой энергии таким аналогом является энергия излучения (лучистая энергия), измеряемая в джоулях.

Диапазон измерения освещенности

Специальный прибор для измерения освещенности, люксметр, выбирают с учетом предполагаемой рабочей области. Нет смысла в избыточной трате энергетических ресурсов без действительной необходимости. Профессиональные расчеты выполняют с учетом особенностей отдельных операций: от общего наблюдения до действий с мелкими деталями высшей точности.

Нормативная освещенность объектов

Объект Нормативная освещенность в люксах (лк)
Кухня 150
Детская комната 200
Гостиная, столовая 150
Входная группа, коридоры между комнатами 50
Библиотека, кабинет 300
Межэтажные лестничные пролеты 20
Площадка перед лифтом 30
Тепловой пункт 20
Фойе, приемные 150
Проектные организации 500
Ремонтные и сервисные мастерские 300
Серверная комната, операционный зал в банке 400
Помещение для сейфа 150
Аудитории высших учебных заведений 400
Спортивные залы 200
Бильярдные комнаты 300
Бассейн 150
Торговый зал в магазине 500
Склад в прачечной 50
Муниципальная автомобильная дорога с проходимостью 500-1000 транспортных средств за час 15
Центральные аллеи на выставках 10

Существенное значение имеет чувствительность человеческого глаза к определенным участкам спектра. Современные приборы для измерения света создают с учетом соответствующих особенностей. Обычно проверяют видимый диапазон. Однако надо помнить о том, что незаметное ультрафиолетовое излучение при большой интенсивности оказывает негативное влияние на сетчатку.

Также проверяют пульсации с частотой до 300 Гц. Они заметны для человеческого зрения. Подобные изменения амплитуды излучения вызывают дискомфорт, вплоть до болезненных ощущений. Необходимо помнить о вреде избыточной освещенности. В подобных условиях значительно возрастают общие нагрузки, так как активизируются обменные процессы в организме.

Интересно. Отдельно следует упомянуть уход за растениями. Освещенность для роз и пальм устанавливают выше 14 000-16 000 люкс. Неприхотливым фикусам достаточно 8 000-11 000 люкс.

Советуем изучить Выключатель с регулятором яркости

Контроль освещения позволяет при разумных затратах энергии получать хорошие показатели урожайности в круглогодичном режиме

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.

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).

Свечение одной свечи

Отличия от мощности светового потока

Чтобы еще лучше понять все нюансы, следует разобраться, чем сила света отличается от светового потока. Это проще всего сделать по аналогии с такими физическими величинами, как сила и давление.

Так, если прикладывать определенное усилие на площадь в 1 квадратный сантиметр, то давление будет распределяться равномерно по поверхности. Но если взять иголку и приложить то же усилие к ней, то давление сконцентрируется на крошечном участке под острием и будет в сотни раз выше. А усилие при этом останется прежним.

Точечные светильники дают свет большой силы за счет наличия зеркального отражателя.

Чем больше световой поток ограничен по распространению, тем выше показатель его силы. Что касается использования этого фактора при выборе лампочки в комнату, надо помнить несколько простых советов:

  1. Для освещения отдельной части помещения лучше использовать точечные светильники или трековые модели, которые можно направить в нужное место. Этот вариант намного удобнее люстры, так как концентрирует световой поток на одном участке, а не рассеивает его по комнате.
  2. Интенсивность света во многом зависит от плафонов, которые установлены на светильнике. Варианты из матового стекла и подобных материалов дают равномерный, рассеянный фон. Конструкции из ткани и другие непрозрачные решения ограничивают распространение потока и распределяют его на ограниченной площади.
  3. При использовании плафонов с отражателем освещенность будет намного выше, поэтому можно устанавливать лампочки меньшей мощности.

Подбирать светильники нужно с учетом качества освещения, которое они обеспечивают

Для разных помещений выдвигаются различные требования, поэтому важно учитывать особенности каждого и подбирать те варианты, которые дадут комфортный свет. Помните, что сила света зависит от угла его распространения, поэтому отражатели и точечные светильники обеспечивают увеличение показателей в разы

Что такое «световой поток»

Физики световым потоком обозначают мощность видимого глазами светового излучения (его электромагнитную энергию), которая проходит через тело или поверхность за определенное время. Человеку, не имеющему определенного уровня знаний в физике, это понятие ни о чем не говорит. В быту световой луч определяет свойства и качество освещения в зависимости от вида лампы. Для промышленных, общественных и офисных зданий значения регламентированы, в частном доме показатели можно использовать при расчете системы освещения.

Физики знают, что световая энергия – это электромагнитные волны, глаза человека их видят только в определенном диапазоне длины.

Качество светового луча зависит от:

  • мощности источника;
  • химического состава лампы;
  • особенностей колбы (линзы);
  • уровня светоотдачи.

В быту важно знать, что световой поток прямо пропорционален мощности лампы. Еще одно определение понятия «световой поток» – общий объем света, не зависящий от установленной вокруг лампы оптической системы

Например, лампа с нитью накаливания излучает 415 люмен независимо от конструкции и материала абажура

Еще одно определение понятия «световой поток» – общий объем света, не зависящий от установленной вокруг лампы оптической системы. Например, лампа с нитью накаливания излучает 415 люмен независимо от конструкции и материала абажура.

В каких единицах измеряется освещенность

На единице измерения освещенности следует остановиться более подробно. Общепринятой единицей считается люкс, представляющий собой такую освещенность, когда на поверхность площадью 1 м2 происходит падение светового потока в 1 люмен.

Сколько же освещенности фактически включает в себя единица измерения 1 люкс? С этой целью нужно сравнить между собой несколько стандартных параметров, основанных на человеческой физиологии, закрепленных строгими медицинскими правилами и государственными стандартами. Без их соблюдения невозможно утверждение любого строительного проекта.

Степень освещенности в 1 лк создается обычной свечой, расположенной на расстоянии 1 м от освещаемой поверхности. С помощью этого нехитрого приспособления вполне возможно с достаточно высокой точностью откалибровать самодельный измерительный прибор – люксметр.

В качестве примеров для сравнения можно взять несколько известных видов освещенности.

  • Яркий солнечный свет в полдень составит 100-140 тыс. лк
  • Небо без туч днем – 6200 лк
  • Настольная лампа, освещающая стол – 500 лк
  • Освещенность в тени в солнечный день – 430 лк
  • Наступление сумерек в вечернее время – 70 лк
  • Начало ночи с лунным освещением – 1,5 лк.

Источники освещения и поверхности, отражающие свет, не всегда выглядят в виде отдельно взятых точек. Если органы зрения способны различить их форму, то речь пойдет об еще одной фотометрической величине, известной как яркость. Ее физические свойства похожи на силу света, однако в данном случае это отношение не будет абсолютным. Оно соразмеряется с площадью, которую имеет отражающая или излучающая поверхность.

Яркость, как физическое понятие, является единственной фотометрической величиной, которую может нормально воспринимать человеческий глаз. Она наглядно проявляется в свойствах крупных источников света, состоящих из большого количества точечных излучателей. При условии их одинаковой яркости, общий свет большого прибора освещения будет восприниматься единым целым.

Заключение

При проектировании систем освещения учитываются разные факторы, например, стробоскопический эффект, который может привести к травмам на производстве из-за невозможности определить, вращаются ли детали станка или остаются неподвижными.

Также нужно обращать внимание на энергоэффективность и ремонтопригодность светильников. Ошибки на этом этапе проектирования со временем могут вылиться в значительные финансовые затраты

Предыдущая
ОсвещениеИдеи для изготовления кованных фонарей из металла своими руками
Следующая
ОсвещениеКогда должно автоматически включаться эвакуационное освещение

Спасибо, помогло!Не помогло

Источник: ledsshop.ru

Тёплый Дом