כמויות תאורה: שטף אור, עוצמת אור, עוצמת הארה, בהירות, בהירות

1. שטף אור

שטף זוהר - כוחה של אנרגיית הקרינה, לפי תחושת האור שהיא מייצרת. אנרגיית הקרינה נקבעת על פי מספר הקוואנטות הנפלטות מהפולט לחלל. אנרגיית קרינה (אנרגיית קרינה) נמדדת בג'אול. כמות האנרגיה הנפלטת ליחידת זמן נקראת שטף קרינה או שטף קרינה. שטף הקרינה נמדד בוואטים. שטף האור מסומן על ידי Fe.

איפה: Qе — אנרגיית קרינה.

שטף הקרינה מאופיין בחלוקת אנרגיה בזמן ובמרחב.

ברוב המקרים, כאשר הם מדברים על התפלגות שטף הקרינה לאורך זמן, הם לא לוקחים בחשבון את האופי הקוונטי של הופעת הקרינה, אלא מבינים זאת כפונקציה שנותנת שינוי בזמן של הערכים המיידיים. של שטף הקרינה Ф (t). זה מקובל מכיוון שמספר הפוטונים הנפלטים מהמקור ליחידת זמן הוא גדול מאוד.

לפי ההתפלגות הספקטרלית של שטף הקרינה, המקורות מחולקים לשלוש מחלקות: עם ספקטרים ​​ליניאריים, פסים ורציפים. שטף הקרינה של מקור בעל ספקטרום ליניארי מורכב משטפים מונוכרומטיים מקווים בודדים:

היכן: Фλ - שטף קרינה מונוכרומטי; Fe - שטף קרינה.

עבור מקורות ספקטרום פסים, הפליטה מתרחשת באזורים ספקטרליים רחבים למדי - פסים המופרדים זה מזה על ידי פערים כהים. כדי לאפיין את ההתפלגות הספקטרלית של שטף הקרינה עם ספקטרום רציף ופסי, משתמשים בכמות הנקראת צפיפות שטף הקרינה הספקטרלית

כאשר: λ הוא אורך הגל.

צפיפות שטף הקרינה הספקטרלית היא מאפיין של התפלגות שטף הקרינה על הספקטרום והיא שווה ליחס בין השטף היסודי ΔFeλ המתאים לחתך אינסופי לרוחב קטע זה:

צפיפות שטף הקרינה הספקטרלית נמדדת בוואטים לננומטר.

בהנדסת תאורה, שבה העין האנושית היא המקלט העיקרי של קרינה, מושג השטף האור מוצג כדי להעריך את הפעולה האפקטיבית של שטף הקרינה. שטף האור הוא שטף הקרינה המוערך מהשפעתו על העין, שהרגישות הספקטרלית היחסית שלו נקבעת על ידי עקומת היעילות הספקטרלית הממוצעת שאושרה על ידי ה-CIE.

ההגדרה הבאה של שטף אור משמשת גם בטכנולוגיית תאורה: שטף אור הוא כוחה של אנרגיית האור. יחידת שטף האור היא לומן (lm). 1 lm מתאים לשטף האור הנפלט בזווית מוצקה אחת על ידי מקור נקודתי איזוטרופי עם עוצמת אור של 1 קנדלה.

שולחן 1.ערכי זוהר אופייניים של מקורות אור:

סוגי מנורות אנרגיה חשמלית, W שטף אור, lm יעילות הארה lm / w מנורת ליבון 100 וואט 1360 lm 13.6 lm / W מנורת פלורסנט 58 וואט 5400 lm 93 lm / W מנורת נתרן בלחץ גבוה 100 וואט lm 1000 lm / W מנורת נתרן לחץ 180 וואט 33000 lm 183 lm / W מנורת כספית בלחץ גבוה 1000 וואט 58000 lm 58 lm / W מנורת מתכת הליד 2000 ואט 190 000 lm 95 lm / W שטף האור על הגוף מופץ בשלושה רכיבים Ф מופץ: על ידי הגוף Фρ נספג על ידי Фα והחמיץ Фτ... At חישובי תאורה גורמי ניצול: השתקפויות ρ = Fρ/ F; ספיגה α= Fα/F; שידור τ= Fτ/ Ф.

טבלה 2. מאפייני אור של כמה חומרים ומשטחים

חומרים או משטחים מקדמים השתקפות והתנהגות שידור השתקפות ρ ספיגה α שידור τ גיר 0.85 0.15 — אמייל סיליקט מפוזר 0.8 0.2 — מראת אלומיניום מפוזרת 0.85 0.15 — מראה זכוכית מחודדת 0.8 0 ,50, זכוכית מכוונת, 40 זכוכית חלבית מכוונת מפוזרת 0,22 0,15 0,63 זכוכית סיליקט אופל מכוונת מפוזרת 0,3 0,1 0,6 זכוכית סיליקט חלבית מפוזרת 0, 45 0.15 0.4 מפוזרת

2. עוצמת האור

התפלגות הקרינה ממקור אמיתי במרחב שמסביב אינה אחידה.לכן, שטף האור לא יהיה מאפיין ממצה של המקור אם התפלגות הקרינה בכיוונים שונים של החלל הסובב לא נקבעת בו זמנית.

כדי לאפיין את התפלגות שטף האור, נעשה שימוש בקונספט של הצפיפות המרחבית של שטף האור בכיוונים שונים של החלל שמסביב. הצפיפות המרחבית של שטף האור, שנקבעת על ידי היחס בין שטף האור לזווית המוצקה עם הקודקוד בנקודה שבה נמצא המקור, שבתוכה מתפזר שטף זה באופן אחיד, נקראת עוצמת האור:

שבו: Ф - שטף אור; ω - זווית מוצקה.

יחידת עוצמת האור היא הקנדלה. 1 תקליטור.

זוהי עוצמת האור הנפלטת בניצב על ידי אלמנט משטח גוף שחור בשטח 1:600,000 מ"ר בטמפרטורת ההתמצקות של פלטינה.
יחידת עוצמת האור היא הקנדלה, cd היא אחת הגדלים העיקריים במערכת ה-SI ומתאים לשטף אור של 1 lm המופץ באופן אחיד בזווית מוצקה של 1 סטרדיאן (ראה). זווית מוצקה היא חלק החלל התחום במשטח חרוטי. זווית מוצקה ω הנמדדת ביחס של השטח שהיא חותכת מכדור ברדיוס שרירותי לריבוע של האחרון.

3. תאורה

תאורה היא כמות האור או שטף האור הנופל על משטח יחידה. הוא מסומן באות E ונמדד בלוקס (lx).

יחידת עוצמת הארה לוקס, lx, נמדדת בלומנס למ"ר (lm/m2).

ניתן להגדיר תאורה כצפיפות שטף האור על המשטח המואר:

הארה אינה תלויה בכיוון ההתפשטות של שטף האור אל פני השטח.

להלן כמה מחווני הארה המקובלים:

• קיץ, יום תחת שמיים ללא עננים - 100,000 לוקס

• תאורת רחוב - 5-30 לוקס

• ירח מלא בלילה בהיר - 0.25 לוקס

4. הקשר בין עוצמת האור (I) לעוצמת הארה (E).

חוק הריבוע המהופך

הארה בנקודה מסוימת על פני השטח, בניצב לכיוון התפשטות האור, מוגדרת כיחס בין עוצמת האור לריבוע המרחק מנקודה זו למקור האור. אם ניקח את המרחק הזה כ-d, אז יחס זה יכול לבוא לידי ביטוי בנוסחה הבאה:

לדוגמא: אם מקור אור פולט אור בהספק של 1200 cd בכיוון מאונך למשטח במרחק של 3 מטר ממשטח זה, אזי ההארה (Ep) בנקודה בה האור מגיע אל פני השטח תהיה 1200 /32 = 133 לוקס. אם המשטח נמצא במרחק של 6 מ' ממקור האור, התאורה תהיה 1200/62 = 33 לוקס. קשר זה נקרא חוק הריבוע ההפוך.

הארה בנקודה מסוימת על משטח שאינו מאונך לכיוון התפשטות האור שווה לעוצמת האור בכיוון נקודת המדידה חלקי ריבוע המרחק בין מקור האור לנקודה במישור כפול ב. הקוסינוס של הזווית γ (γ היא הזווית שנוצרת מכיוון כניסת האור והמאונך למישור זה).

לָכֵן:

זהו חוק הקוסינוסים (איור 1.).

אורז. 1. לחוק הקוסינוסים

5. תאורה אופקית

כדי לחשב את התאורה האופקית, מומלץ לשנות את הנוסחה האחרונה על ידי החלפת המרחק d בין מקור האור לנקודת המדידה בגובה h ממקור האור למשטח.

איור 2:

לאחר מכן:

אנחנו מקבלים:

נוסחה זו מחשבת את התאורה האופקית בנקודת המדידה.

אורז. 2. תאורה אופקית

6. תאורה אנכית

ההארה של אותה נקודה P במישור אנכי המכוון לכיוון מקור האור יכולה להיות מיוצגת כפונקציה של גובה (h) של מקור האור וזווית הפגיעה (γ) של עוצמת האור (I) (איור 3) ).

אנחנו מקבלים:

אורז. 3. תאורה אנכית

7. הארה

כדי לאפיין משטחים שזוהרים עקב שטף האור העובר דרכם או מוחזר מהם, נעשה שימוש ביחס בין שטף האור הנפלט מאלמנט השטח לשטח של אלמנט זה. כמות זו נקראת בהירות:

למשטחים בעלי ממדים מוגבלים:

עוצמת הארה היא צפיפות שטף האור הנפלט ממשטח האור. יחידת עוצמת ההארה היא הלומן למ"ר של משטח האור, המתאים לשטח של 1 מ"ר הפולט באופן אחיד שטף אור של 1 lm. במקרה של קרינה כוללת, מושג הבהירות האנרגיה של הגוף המקרין (Me) מוצג.

יחידת האור הזוהר היא W/m2.

הבהירות במקרה זה יכולה להתבטא על ידי הצפיפות הספקטרלית של בהירות האנרגיה של הגוף הפולט Meλ (λ)

לצורך הערכה השוואתית, אנו מביאים את בהירות האנרגיה לבהירויות של משטחים מסוימים:

• משטח סולארי — Me = 6 • 107 W / m2;

• חוט ליבון - Me = 2 • 105 W / m2;

• פני השמש בשיאה - M = 3.1 • 109 lm / m2;

• נורת פלורסנט — M = 22 • 103 lm / m2.

8. בהירות

בהירות הבהירות של האור הנפלט מיחידת משטח בכיוון מסוים. יחידת המדידה לבהירות היא הקנדלה למ"ר (cd / m2).

המשטח עצמו יכול לפלוט אור, בדומה למשטח של מנורה, או להחזיר אור שמגיע ממקור אחר, כמו משטח דרך.

משטחים בעלי תכונות מחזירות שונות תחת אותה תאורה יהיו בעלי דרגות בהירות שונות.

הבהירות הנפלטת מהמשטח dA בזווית Φ ביחס להקרנה של משטח זה שווה ליחס בין עוצמת האור הנפלט בכיוון נתון להקרנה של המשטח הפולט (איור 4).

אורז. 4. בהירות

עוצמת האור והקרנת המשטח הפולט אינם תלויים במרחק. לכן, הבהירות גם לא תלויה במרחק.

כמה דוגמאות מעשיות:

• בהירות משטח השמש - 2,000,000,000 cd / m2

• בהירות של מנורות פלורסנט - מ 5000 עד 15000 cd / m2

• בהירות פני השטח של ירח מלא - 2500 cd / m2

• תאורת כביש מלאכותית - 30 לוקס 2 cd / m2