Lichtfluss. Zusammenhang zwischen Energie und Lichtmengen
Zur Quantifizierung von Strahlung wird ein ziemlich breiter Bereich von Größen verwendet, der bedingt in zwei Einheitensysteme unterteilt werden kann: Energie und Licht. Dabei charakterisieren die Energiegrößen die Strahlung bezogen auf den gesamten optischen Bereich des Spektrums und die Beleuchtungsgrößen die sichtbare Strahlung. Die Energiemengen sind proportional zu den entsprechenden Beleuchtungsmengen.
Die Hauptgröße im Energiesystem, die es ermöglicht, die Strahlungsmenge zu beurteilen, ist Strahlungsfluss Ph, oder Strahlungsleistung, d.h. Energiemenge W, abgestrahlt, getragen oder pro Zeiteinheit absorbiert:
Der Fe-Wert wird in Watt (W) ausgedrückt. - Energieeinheit
In den meisten Fällen berücksichtigen sie die Quantennatur des Auftretens von Strahlung nicht und betrachten sie als kontinuierlich.
Ein qualitatives Merkmal der Strahlung ist die Verteilung des Strahlungsflusses über das Spektrum.
Für Strahlungen mit kontinuierlichem Spektrum wird das Konzept eingeführt spektrale Dichte des Strahlungsflusses (j l)- das Verhältnis der einem bestimmten schmalen Ausschnitt des Spektrums zuzuordnenden Strahlungsleistung zur Breite dieses Ausschnitts (Abb. 2.2). Für einen schmalen Spektralbereich dl der Strahlungsfluss ist dФ l . Die Ordinate zeigt die spektralen Dichten des Strahlungsflusses j l = dФ l /dl, Daher wird der Fluss durch die Fläche eines elementaren Abschnitts des Diagramms dargestellt, d.h.
Liegt das Emissionsspektrum innerhalb der Grenzen von l 1 Vor l 2, dann die Größe des Strahlungsflusses
Unter Lichtstrom F, verstehen im allgemeinen Fall die Stärke der Strahlung, geschätzt durch ihre Wirkung auf das menschliche Auge. Die Einheit des Lichtstroms ist Lumen (lm). – Beleuchtungseinheit
Die Einwirkung des Lichtstroms auf das Auge bewirkt dessen bestimmte Reaktion. Je nach Wirkungsstärke des Lichtstroms arbeitet die eine oder andere Art von lichtempfindlichen Augenempfängern, Stäbchen oder Zapfen genannt. Bei schlechten Lichtverhältnissen (z. B. im Mondlicht) sieht das Auge aufgrund von Stäbchen die umgebenden Objekte. Bei starker Beleuchtung beginnt der Tagessehapparat, für den die Zapfen zuständig sind, zu arbeiten.
Darüber hinaus werden Zapfen nach ihrer lichtempfindlichen Substanz in drei Gruppen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit in verschiedenen Bereichen des Spektrums eingeteilt. Anders als Stäbchen reagieren sie daher nicht nur auf den Lichtstrom, sondern auch auf dessen spektrale Zusammensetzung.
Insofern kann man das sagen Lichtwirkung zweidimensional.
Das quantitative Merkmal der Reaktion des Auges, das mit der Beleuchtungsstärke verbunden ist, wird genannt Leichtigkeit. Das qualitative Merkmal, das mit dem unterschiedlichen Reaktionsniveau der drei Zapfengruppen verbunden ist, wird genannt Farbart.
Lichtintensität (I). In der Lichttechnik wird dieser Wert als angenommen Basic. Diese Wahl hat keine grundsätzliche Grundlage, sondern wird aus Gründen der Bequemlichkeit getroffen, da Die Lichtintensität ist entfernungsunabhängig.
Der Begriff der Lichtstärke bezieht sich nur auf Punktquellen, d.h. zu Quellen, deren Abmessungen im Vergleich zum Abstand von ihnen zur beleuchteten Fläche klein sind.
Die Lichtstärke einer Punktquelle in einer bestimmten Richtung ist pro Raumwinkeleinheit W Lichtfluss F von dieser Quelle in eine bestimmte Richtung emittiert:
Ich = F / Ω
Energie Die Lichtstärke wird in Watt pro Steradiant ( Di/Mi).
Pro Beleuchtung Einheit der Lichtstärke wird akzeptiert Candela(cd) ist die Lichtstärke einer Punktquelle, die einen Lichtstrom von 1 lm emittiert, der gleichmäßig in einem Raumwinkel von 1 Steradiant (sr) verteilt ist.
Ein Raumwinkel ist ein Raumteil, der durch eine Kegelfläche und eine geschlossene krummlinige Kontur begrenzt wird, die nicht durch den Scheitelpunkt des Winkels verläuft (Abb. 2.3). Beim Zusammendrücken einer Kegelfläche werden die Abmessungen der Kugelfläche o unendlich klein. Der Raumwinkel wird auch in diesem Fall infinitesimal:
Abbildung 2.3 - Zur Definition des Begriffs "Raumwinkel"
Beleuchtung (E). Unter energetischer Beleuchtung E e den Strahlungsfluss verstehen Flächeneinheit beleuchtete Fläche Q:
Energiebeleuchtung wird ausgedrückt in W / m 2.
Leichte Beleuchtung E ausgedrückt durch die Lichtstromdichte F auf der beleuchteten Fläche (Abb. 2.4):
Für die Einheit wird die Lichtbeleuchtung genommen Luxus, d.h. die Beleuchtung einer Fläche, die einen Lichtstrom von 1 lm empfängt, der gleichmäßig über eine Fläche von 1 m 2 verteilt ist.
Wichtig sind unter anderem Größen, die in der Lichttechnik verwendet werden Energie Strahlung Wir oder Lichtenergie W, sowie Energie Nein oder Licht H Exposition.
Die Werte We und W werden durch die Ausdrücke bestimmt
wo sind jeweils die Funktionen der zeitlichen Änderungen des Strahlungsflusses und des Lichtstroms. Wir wird in Joule oder Ws gemessen, a W- in lm s.
Unter Energie H e oder Belichtung die Oberflächenenergiedichte der Strahlung verstehen Wir oder Lichtenergie W jeweils auf der beleuchteten Fläche.
Also Belichtung h ist das Produkt der Erleuchtung E, erzeugt von der Strahlungsquelle, für eine gewisse Zeit t Wirkung dieser Strahlung.
1. Strahlungsfluss. Das Konzept des Spektrums elektromagnetischer Strahlung. Das Prinzip der Messung der Strömungsverteilung über das Spektrum. Energiemengen.
Strahlungsfluss (Leistung) (F) yavl. die Hauptgröße im Energiesystem der Messungen. Als Strahlungsleistung (oder Strahlungsfluss) wird die pro Zeiteinheit übertragene Energie bezeichnet. Der Wert von F wird in Watt (W) ausgedrückt.
Bereich elektromagnetischer Wellen Zögern, n. in der Natur, ist ziemlich breit und erstreckt sich von Bruchteilen eines Angstroms bis zu einem Kilometer.
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung, Mikrometer
Gammastrahlen _____________________________________ kleiner als 0,0001
Röntgenstrahlen ________________________________ 0,01-0,0001
Ultraviolette Strahlen ____________________________ 0,38-0,01
Sichtbares Licht ____________________________ 0,78-0,38
Infrarotstrahlen ________________________________1000-0,78
Funkwellen ______________________________ mehr als 1000
Nur ein Teil der elektromagnetischen Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von λmin= 0,01 µm bis λmax=1000 µm gehört zum optischen Bereich des Spektrums und entsteht durch elektromagnetische Anregung von Atomen, Schwingungs- und Rotationsbewegung von Molekülen.
Im optischen Spektrum lassen sich drei Hauptbereiche unterscheiden: ultraviolett, sichtbar, infrarot.
Ultraviolette Strahlung erzeugt die stärksten Photonen und hat eine starke photochemische Wirkung.
Die Emission von sichtbarem Licht ermöglicht es uns, trotz des ziemlich engen Intervalls, die ganze Vielfalt der Welt um uns herum zu sehen. Da das menschliche Auge Strahlung mit extremen Wellenlängenbereichen praktisch nicht wahrnimmt (sie haben eine schwache Wirkung auf das Auge), wird in der Praxis Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von 400–700 nm als sichtbares Licht angesehen. Diese Strahlung hat einen signifikanten photophysikalischen und photochemischen Effekt, jedoch weniger als Ultraviolett.
Photonen der Infrarotstrahlung haben die minimale Energie aus dem gesamten optischen Bereich des Spektrums. Diese Strahlung ist durch einen thermischen Effekt und in viel geringerem Maße photophysikalisch und photochemisch gekennzeichnet. Aktion.
2. Das Konzept des Strahlungsempfängers . Empfängerreaktionen. Klassifizierung von Strahlungsempfängern. Lineare und nichtlineare Empfänger. Spektrale Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers.
Körper, in denen solche Umwandlungen unter Einwirkung optischer Strahlung stattfinden, haben in der Lichttechnik einen geläufigen Namen bekommen "Strahlungsempfänger"
Herkömmlicherweise werden Strahlungsempfänger unterteilt in:
1. Der natürliche Empfänger von Strahlung ist das menschliche Auge.
2. Lichtempfindliche Materialien, die zur optischen Aufzeichnung von Bildern verwendet werden.
3. Empfänger sind auch lichtempfindliche Elemente von Messgeräten (Densitometer, Kolorimeter)
Optische Strahlung hat eine hohe Energie und beeinflusst daher viele Substanzen und Körper.
Durch die Absorption von Licht in Medien und Körpern kommt es zu einer Reihe von Phänomenen (Abb. 2.1, Sir 48)
Ein Körper, der Strahlung absorbiert hat, beginnt selbst zu strahlen. Dabei kann die Sekundärstrahlung gegenüber der absorbierten einen anderen Spektralbereich aufweisen. Wenn der Körper beispielsweise mit ultraviolettem Licht beleuchtet wird, emittiert er sichtbares Licht.
Die Energie der absorbierten Strahlung wird wie beim Photoeffekt in elektrische Energie umgewandelt oder bewirkt eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des Materials, wie es bei Photoleitern auftritt. Solche Transformationen werden aufgerufen photophysikalisch.
Eine andere Art der photophysikalischen Transformation ist die Umwandlung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie. Dieses Phänomen hat Anwendung in Thermoelementen gefunden, die zur Messung der Strahlungsleistung verwendet werden.
Die Strahlungsenergie wird in chemische Energie umgewandelt. Es findet eine photochemische Umwandlung einer lichtabsorbierenden Substanz statt. Diese Umwandlung findet in den meisten lichtempfindlichen Materialien statt.
Die Körper, in denen solche Umwandlungen unter Einwirkung optischer Strahlung stattfinden, haben in der Lichttechnik einen gebräuchlichen Namen erhalten. "Strahlungsempfänger"
Lineare nichtlineare Empfänger??????????????????
Spektrale Empfindlichkeit des Strahlungsempfängers.
Unter Einwirkung optischer Strahlung im Empfänger findet eine photochemische und photophysikalische Umwandlung statt, die die Eigenschaften des Empfängers in vorgegebener Weise verändert.
Diese Änderung wird als nützliche Antwort des Empfängers bezeichnet.
Allerdings wird nicht die gesamte Energie der einfallenden Strahlung für eine nützliche Reaktion aufgewendet.
Ein Teil der Energie der Empfänger wird nicht absorbiert und kann daher keine Reaktion hervorrufen. Die aufgenommene Energie wird auch nicht vollständig in nutzbare umgewandelt. Beispielsweise kann zusätzlich zur photochemischen Umwandlung eine Erwärmung des Empfängers erfolgen. Praktisch genutzter Teil der genannten Energie. nützlich, und der praktisch genutzte Teil der Strahlungsleistung (Strahlungsfluss Ф) ist der effektive Fluss Ref.
Das Verhältnis des effektiven Flusses Ref zum auf den Empfänger einfallenden Strahlungsfluss
genannt Empfindlichkeit des Empfängers.
Bei den meisten Empfängern hängt die spektrale Empfindlichkeit von der Wellenlänge ab.
Sλ= сРλ eff/Фλ und Рλ eff=КФλSλ
Die Größen heißen Фλ bzw. Рλ, der monochromatische Strahlungsfluss und der monochromatische effektive Fluss, und Sλ ist die monochromatische spektrale Empfindlichkeit.
Wenn man die Leistungsverteilung über das Spektrum Ф(λ) für die auf den Empfänger einfallende Strahlung und die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers S(λ) kennt, kann man den effektiven Fluss nach der Formel – Реф=К ∫ Ф(λ )S(λ)dλ
Die Messung bezieht sich auf einen Bereich von ∆λ, der entweder durch die spektrale Empfindlichkeit des Empfängers oder durch den Spektralbereich der Messung begrenzt ist.
3.Eigenschaften des Auges als Empfänger. Lichtfluss. Sein Zusammenhang mit dem Strahlungsfluss. Sichtbarkeitskurve. Die Differenz zwischen Licht und Energie fließt im Bereich von 400-700 nm.
Merkmale des Auges als Empfänger.
Der Sehapparat besteht aus einem Strahlenempfänger (Augen), Sehnerven und Sehbereichen des Gehirns. In diesen Zonen werden die Signale, die sich in den Augen bilden und durch die Sehnerven eintreten, analysiert und in visuelle Bilder umgewandelt.
Der Strahlungsempfänger besteht aus zwei Augäpfeln, von denen sich jeder mit Hilfe von sechs äußeren Muskeln sowohl in der horizontalen als auch in der vertikalen Ebene leicht in der Umlaufbahn drehen kann. Bei der Untersuchung eines Objekts bewegen sich die Augen sprunghaft und fixieren abwechselnd verschiedene Punkte des Objekts. Diese Bewegung ist von Natur aus vektoriell, d.h. die Richtung jedes Sprungs wird durch das betrachtete Objekt bestimmt. Die Sprunggeschwindigkeit ist sehr hoch, und die Fixationspunkte, an denen das Auge für 0,2-0,5 s stehen bleibt, befinden sich hauptsächlich an den Randbereichen von Details, wo es Helligkeitsunterschiede gibt. Während "Stops" ruht das Auge nicht, sondern macht schnelle Mikrobewegungen relativ zum Fixationspunkt. Trotz dieser Mikrosakkaden wird der beobachtete Bereich des Objekts an den Fixierungspunkten auf die zentrale Fovea der lichtempfindlichen Netzhaut der Augen fokussiert.
Abb.2.4 (Horizontalschnitt des Auges) S.56
Lichtfluss(F) Unter Lichtstrom versteht man im Allgemeinen die Strahlungsleistung, geschätzt anhand ihrer Wirkung auf das menschliche Auge. Die Einheit des Lichtstroms ist Lumen (lm).
Die Einwirkung des Lichtstroms auf das Auge bewirkt dessen bestimmte Reaktion. Je nach Wirkungsstärke des Lichtstroms arbeitet die eine oder andere Art von lichtempfindlichen Augenempfängern, Stäbchen oder Zapfen genannt. Bei schlechten Lichtverhältnissen (z. B. im Mondlicht) sieht das Auge aufgrund von Stäbchen die umgebenden Objekte. Bei starker Beleuchtung beginnt der Tagessehapparat, für den die Zapfen zuständig sind, zu arbeiten.
Darüber hinaus werden Zapfen nach ihrer lichtempfindlichen Substanz in drei Gruppen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit in verschiedenen Bereichen des Spektrums eingeteilt. Anders als Stäbchen reagieren sie daher nicht nur auf den Lichtstrom, sondern auch auf dessen spektrale Zusammensetzung.
In diesem Zusammenhang können wir sagen, dass die Lichtwirkung zweidimensional ist. Ein quantitatives Merkmal der Reaktion des Auges, das mit der Beleuchtungsstärke verbunden ist, genannt. hell. Ein qualitatives Merkmal, das mit einem unterschiedlichen Reaktionsniveau der drei Zapfengruppen verbunden ist, wird Chromatizität genannt.
Ein wichtiges Merkmal ist die Verteilungskurve der relativen spektralen Empfindlichkeit des Auges (relative spektrale Lichtausbeute) bei Tageslicht νλ = f(λ) Abb.1.3 S.9
In der Praxis hat sich herausgestellt, dass das menschliche Auge unter Tageslichtbedingungen eine maximale Empfindlichkeit gegenüber Strahlung mit Lamda = 555 nm (V555 = 1) hat, gleichzeitig hat jede Lichtstromeinheit mit F555 eine Strahlungsleistung von Ф555 = 0,00146W Das Verhältnis des Lichtstroms F555 zu Ф555 wird genannt spektrale Lichtausbeute.
K= F555/F555=1/0,00146=680 (lm/W)
Oder für jede Wellenlänge der Strahlung im sichtbaren Bereich K=const:
K \u003d 1 / V (λ) * F λ / Ф λ \u003d 680. (eines)
Mit Formel (1) kann ein Zusammenhang zwischen dem Lichtstrom und dem Strahlungsstrom hergestellt werden.
Fλ = 680 * Vλ * Δλ
Für integrierte Strahlung
F= 680 ∫ Vλ Äλ dλ
4. Photoaktiver Fluss. Allgemeine Informationen zum effizienten Durchfluss. Monochromatische und integrale Ströme. Aktinismus .
In der Licht- und Wiedergabetechnik werden zwei Arten von effektiven Flussmitteln verwendet: Licht F und photoaktinisches A.
Der Lichtstrom steht in Beziehung zur Leistung (Strahlungsstrom Ф) durch den folgenden Ausdruck:
F=680 ∫ Ä(λ) V(λ) dλ
400 Nanometer
wobei Ф(λ) die Verteilung der Strahlungsleistung über das Spektrum, V(λ) die relative spektrale Lichtausbeutekurve (Sichtbarkeitskurve) und 680 der Koeffizient ist, mit dem Sie von Watt zu Lumen wechseln können. Er wird Lichtstromäquivalent genannt und in lm/W ausgedrückt.
Fällt der Lichtstrom auf eine beliebige Fläche, so wird seine Flächendichte als Beleuchtungsstärke bezeichnet. Die Beleuchtungsstärke E wird durch die Formel mit dem Lichtstrom in Beziehung gesetzt
Wobei Q die Fläche in m ist Die Einheit der Beleuchtung ist Lux (kl)
Für lichtempfindliche Materialien und Fotodetektoren von Messgeräten verwenden photoaktinischer FlussEIN.
Dies ist der durch den Ausdruck definierte effiziente Fluss
A = ∫ Ä (λ) S (λ) dλ
Wird der Spektralbereich, in dem gemessen wird, durch die Wellenlängen λ1 und λ2 begrenzt, so gilt der Ausdruck für photoaktinischer Fluss wird die Form annehmen
A \u003d ∫ F (λ) * S (λ) dλ
λ1
Die Maßeinheit A hängt von der Maßeinheit der spektralen Empfindlichkeit ab. Wenn Sλ ein relativer Wert ist, wird A in Watt gemessen. Wenn Sλ eine Dimension hat, z.B.
m /J, dann beeinflusst dies die Dimension des photoaktinischen Flusses
Flächendichte des photoaktinischen Flusses auf der beleuchteten Fläche Aktivität der Naz-Strahlunga, a= da/ dQ
Wenn die Oberfläche des Empfängers gleichmäßig beleuchtet ist, dann ist a=A/Q.
Für monochromatische Strahlung.
Fλ = 680 * Vλ * Δλ
Für integrierte Strahlung
F= 680 ∫ Vλ Äλ dλ
Aktinismus- Beleuchtung analog. Seine Maßeinheit hängt vom Maß A ab
Wenn A - W, dann a-W / m
Abb.2.2 Seite 52
Je größer die Aktinizität der Strahlung ist, desto effizienter wird die Strahlungsenergie genutzt und desto nützlicher wird die Reaktion des Empfängers sein, wenn alle anderen Dinge gleich bleiben.
Um eine maximale Aktivität zu erreichen, ist es wünschenswert, dass die maximale spektrale Empfindlichkeit des Empfängers und die maximale Strahlungsleistung in dieselben Spektralzonen fallen. Diese Überlegung leitet die Auswahl einer Lichtquelle zum Erhalten von Bildern auf einem bestimmten Typ von lichtempfindlichen Materialien.
Zum Beispiel der Kopiervorgang.
Die zur Herstellung von Druckplatten verwendeten Kopierschichten sind empfindlich gegenüber ultravioletter und blauvioletter Strahlung. Sie reagieren nicht auf die Strahlung anderer Zonen des sichtbaren Spektrums. Um den Kopiervorgang durchzuführen, verwenden sie daher
Metallhalogenidlampen, reich an ultravioletter und blauer Strahlung.
ABB. 2.3. Seite 53 Handbuch
5. Farbtemperatur. Leuchtkraftkurven eines absolut schwarzen Körpers bei verschiedenen Temperaturen. Das Konzept einer normalisierten Kurve. Definition des Begriffs „Farbtemperatur“. Richtungsänderung der Farbe der Strahlung bei Änderung der Farbtemperatur.
Unter Farbtemperatur versteht man die Temperatur in Kelvin eines vollständig schwarzen Körpers, bei der die Strahlung die gleiche Farbe hat wie die betrachtete. Bei Glühlampen mit einem Wolframfaden ist die spektrale Strahlungsverteilung proportional zur spektralen Strahlungsverteilung eines vollständig schwarzen Körpers im Wellenlängenbereich von 360–1000 nm. Um die spektrale Zusammensetzung der Strahlung eines schwarzen Körpers bei einer bestimmten absoluten Erwärmungstemperatur zu berechnen, können Sie die Planck-Formel verwenden:
e-5 s2/λt
Rλ \u003d C1 λ (e -1)
äh
Wobei Rλ die Leuchtkraft der spektralen Energie ist, C1 und C2 Konstanten sind, e die Basis natürlicher Logarithmen ist, T die absolute Temperatur ist, K
Experimentell wird die Farbtemperatur durch den Wert des Blau-Rot-Verhältnisses der Aktinizitäten bestimmt. Aktinitäts-Beleuchtungsstärke, wirksam in Bezug auf den Photodetektor:
Аλ = Фλ Sλ / Q = Eλ Sλ
Wobei Ф der Strahlungsfluss ist, Sλ die Empfindlichkeit des Fotodetektors ist, Qλ seine Fläche ist
Wenn ein Belichtungsmesser als Fotodetektor verwendet wird, dann ist die Aktinizität die Beleuchtung, die bestimmt wird, wenn die Fotozelle mit Blau- und Rotlichtfiltern abgeschirmt wird.
Technisch wird die Messung wie folgt durchgeführt.
Die Fotozelle des Belichtungsmessers wird abwechselnd durch speziell ausgewählte Blau- und Rotlichtfilter abgeschirmt. Lichtfilter müssen zonal sein und in der Transmissionszone die gleiche Multiplizität aufweisen. Luxmeter-Galvanometer bestimmt die Beleuchtung von der gemessenen Quelle für jeden der Filter. Berechnen Sie das Blau-Rot-Verhältnis mit der Formel
K \u003d Ac / Ak \u003d Es / Ek
ZEITPLAN Seite 6 Laborsklave
Фλ. Dazu werden nach der Planck-Formel die Werte der spektralen Energieleuchtkraft berechnet. Als nächstes wird die resultierende Funktion normalisiert. Die Rationierung besteht in einer proportionalen Verringerung oder Erhöhung aller Werte auf diese Weise
so dass die Funktion durch einen Punkt mit den Koordinaten λ= 560nm geht, lg R560 =2.0
oder λ = 560 nm, R560 rel = 100 In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass sich jeder Wert auf das Spektralintervall ∆λ bezieht, das dem Berechnungsschritt entspricht.
∆λ=10 nm, Leuchtkraft 100 W*m entsprechen einer Wellenlänge von 560 nm im Wellenlängenbereich von 555-565 nm.
Abb. 1.2 Page 7 Laborsklave
Unter Verwendung der spektralen Abhängigkeitsfunktion Rλ = f λ kann man die Funktionen E λ = Фλ = f λ finden. Verwenden Sie dazu die Formeln
E- Beleuchtung, R-Leuchtkraft, Ф- Energiefluss, Q- Bereich
6. Lichtquelle. ihre spektralen Eigenschaften. Klassifizierung von Lichtquellen nach der Art der Strahlung. Formel von Planck und Wien.
7. Photometrische Eigenschaften von Strahlungsquellen. Klassifizierung nach geometrischen Größen: punktförmige und ausgedehnte Lichtquellen, photometrischer Körper.
Abhängig vom Verhältnis der Abmessungen des Strahlers und seiner Entfernung zum untersuchten Punkt des Feldes können Strahlungsquellen in 2 Gruppen eingeteilt werden:
1) Punktstrahlungsquellen
2) eine Quelle mit endlichen Abmessungen (lineare Quelle) Eine Strahlungsquelle, deren Abmessungen viel kleiner sind als die Entfernung zum untersuchten Punkt, werden Punktquellen genannt. Als Punktquelle wird in der Praxis eine solche angesehen, deren maximale Größe mindestens 10 mal kleiner ist als der Abstand zum Strahlungsempfänger. Für solche Strahlungsquellen gilt das Abstandsgesetz.
E=I/r 2 Cosinus alpha, wobei alpha=Winkel zwischen dem Lichtstrahl und der Senkrechten zur Fläche C.
Wenn von dem Punkt, an dem sich die punktförmige Strahlungsquelle befindet, in verschiedenen Raumrichtungen Vektoren der Einheitsstrahlungsstärke beiseite gelegt und eine Fläche durch ihre Enden gezogen wird, dann wird ein PHOTOMETRISCHER KÖRPER der Strahlungsstärke der Quelle erhalten . Ein solcher Körper charakterisiert vollständig die Verteilung des Strahlungsflusses einer gegebenen Quelle im umgebenden Raum
8. Strahlungsumwandlung durch optische Medien. Eigenschaften der Strahlungsumwandlung: Lichtkoeffizienten, Multiplizitäten, optische Dichten, die Beziehung zwischen ihnen. Filter Definition des Begriffs. Spektralkurve als universelle Filtercharakteristik.
Wenn der Strahlungsfluss Ф0 auf einen realen Körper (optisches Medium) trifft, wird ein Teil seines Ф(ро) von der Oberfläche reflektiert, ein Teil Ф(alpha) wird vom Körper absorbiert und ein Teil Ф(tau) durchdringt ihn. Die Fähigkeit des Körpers (optisches Medium) zu einer solchen Transformation wird durch den Reflexionskoeffizienten ro=Fro/Ф0, den Koeffizienten tau=Ftau/Ф0 charakterisiert.
Wenn die Koeffizienten durch die Umwandlung von Lichtströmen (F, lm) bestimmt werden, werden sie als Licht (photometrisch) bezeichnet.
Rosv \u003d Fo / Fo; Alphasw=Falpha/Fо;tausv=Ftau/Fо
Für optische und Lichtkoeffizienten gilt die Aussage, dass ihre Summe 1,0 beträgt (po + alpha + tau \u003d 1)
Es gibt zwei weitere Arten von Koeffizienten - monochromatisch und zonal. Erstere werten die Wirkung des optischen Mediums auf monochromatische Strahlung mit einer Wellenlänge von Lambda aus.
Die zonalen Koeffizienten schätzen die Umwandlung von Strahlung, die aus den Spektralzonen entlehnt wird (blau mit Delta Lambda = 400-500 nm, grün mit Delta Lambda = 500-600 nm und rot mit Delta Lambda = 600-700 nm)
9. Gesetz des Bouguer-Lambert-Beers. Gesetzlich gebundene Mengen. Additivität optischer Dichten als Hauptschlussfolgerung aus dem Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz. Lichtstreuungsindikatrien, Medientrübung. Arten der Lichtstreuung.
F 0 /F t = 10 kl , k-Absorptionsrate. Beer fand heraus, dass der Absorptionsindex auch von der Konzentration der lichtabsorbierenden Substanz c abhängt, k \u003d Xc, x ist der molare Absorptionsindex, ausgedrückt als Kehrwert der Dicke der Schicht, die Licht bei einer Konzentration um das Zehnfache dämpft an lichtabsorbierender Substanz darin 1 mol/l.
Die letzte Gleichung, die das Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz ausdrückt, sieht folgendermaßen aus: F0 / Ft \u003d 10 hoch Xc1
Der von der Schicht transmittierte Lichtstrom hängt exponentiell über den molaren Absorptionsindex, die Schichtdicke und die Konzentration der lichtabsorbierenden Substanz mit dem verminderten Lichtstrom zusammen. Die physikalische Bedeutung des Begriffs der optischen Dichte ergibt sich aus dem betrachteten Gesetz. Durch Integration des Ausdrucks Ф0/Фт=10 hoch Xc1
Wir bekommen D \u003d X * s * l, diese. Die optische Dichte des Mediums hängt von seiner Beschaffenheit ab, ist proportional zu seiner Dicke und der Konzentration der lichtabsorbierenden Substanz. Da das Bouguer-Lambert-Beer-Gesetz den Anteil des absorbierten Lichts durch den Anteil des durchgelassenen Lichts charakterisiert, berücksichtigt es nicht das reflektierte und gestreute Licht. Außerdem gilt die resultierende Beziehung, die das Bouger-Lambert-Beer-Gesetz ausdrückt, nur für homogene Medien und berücksichtigt nicht den Verlust der Lichtreflexion von der Oberfläche von Körpern. Abweichung vom Gesetz führt zur Nicht-Additivität optischer Medien.
Photometrie bezeichnet den Bereich der Optik, der sich mit der Messung von Lichtströmen und damit verbundenen Größen befasst. In der Photometrie werden folgende Größen verwendet:
1) Energie – Charakterisierung der Energieparameter optischer Strahlung, unabhängig von ihrer Wirkung auf Strahlungsempfänger;
2) hell - charakterisieren die physiologische Wirkung von Licht und werden durch die Wirkung auf das Auge (bezogen auf die sogenannte mittlere Augenempfindlichkeit) oder andere Strahlungsempfänger bewertet.
1. Energiemengen. Strahlungsfluss Φ e ist ein Wert, der gleich dem Energieverhältnis ist W Strahlung zur Zeit t, für die die Strahlung aufgetreten ist:
Die Einheit des Strahlungsflusses ist Watt (W).
Energie Leuchtkraft (Strahlung) Betreff ist ein Wert, der gleich dem Verhältnis des von der Oberfläche emittierten Strahlungsflusses Φ e zur Fläche ist S Abschnitt, durch den diese Strömung fließt:
diese. ist die Oberflächenstrahlungsflussdichte.
Die Einheit der Energieleuchtkraft ist Watt pro Quadratmeter (W / m 2).
Strahlungsintensität:
wo ∆ S- eine kleine Fläche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung, durch die der Fluss ΔΦ e übertragen wird.
Die Maßeinheit der Strahlungsintensität ist die gleiche wie die der Energieleuchtkraft – W/m 2 .
Um die folgenden Größen zu bestimmen, müssen Sie ein geometrisches Konzept verwenden - fester Winkel , was ein Maß für die Öffnung einer konischen Oberfläche ist. Wie Sie wissen, ist das Maß eines ebenen Winkels das Verhältnis eines Kreisbogens l zum Radius dieses Kreises r, d.h. (Abb. 3.1a). Analog ist der Raumwinkel Ω definiert (Abb. 3.1 b) als Verhältnis der Oberfläche des Kugelabschnitts S zum Quadrat des Kugelradius:
Die Maßeinheit für den Raumwinkel ist Steradiant (sr) ist der Raumwinkel, dessen Scheitel im Mittelpunkt der Kugel liegt und der auf der Oberfläche der Kugel eine Fläche gleich dem Quadrat des Radius ausschneidet: Ω = 1 sr, falls . Es ist leicht zu sehen, dass der gesamte Raumwinkel um einen Punkt 4π Steradiant beträgt - dazu müssen Sie die Oberfläche der Kugel durch das Quadrat ihres Radius teilen.
Energieleistung des Lichts (Strahlungsleistung ) ich z bestimmt mit Konzept einer Punktlichtquelle – eine Quelle, deren Ausmaße im Vergleich zur Entfernung zum Beobachtungsort vernachlässigt werden können. Die Energieintensität des Lichts ist ein Wert, der dem Verhältnis des Strahlungsflusses der Quelle zum Raumwinkel Ω entspricht, in dem sich diese Strahlung ausbreitet:
Die Einheit der Lichtenergie ist Watt pro Steradiant (W/sr).
Energiehelligkeit (Strahlung) Im E- ein Wert, der dem Verhältnis der Energieintensität des Lichts entspricht ∆I z abstrahlendes Oberflächenelement zum Bereich ∆S Projektionen dieses Elements auf eine Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung:
. (3.6)
Die Einheit der Strahldichte ist Watt pro Steradiantmeter zum Quadrat (W / (sr m 2)).
Energiebeleuchtung (Bestrahlungsstärke) Sie charakterisiert die Größe des auf eine Einheit der beleuchteten Fläche einfallenden Strahlungsflusses. Die Einheit der Energiebeleuchtung stimmt mit der Einheit der Energieleuchtkraft (W / m 2) überein.
2. Leichte Mengen. Optische Messungen verwenden unterschiedliche Strahlungsdetektoren (z. B. Augen, Fotozellen, Fotovervielfacher), die nicht die gleiche Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Energiewellenlängen haben und daher selektiv (selektiv) . Jeder Lichtempfänger ist durch seine Empfindlichkeitskurve gegenüber Licht unterschiedlicher Wellenlängen gekennzeichnet. Daher unterscheiden sich Lichtmessungen, die subjektiv sind, von objektiven Energiemessungen und für sie Lichteinheiten, nur für sichtbares Licht verwendet. Hauptlichteinheit in SI ist die Einheit der Lichtstärke - Candela (cd), definiert als die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Quelle, die monochromatische Strahlung mit einer Frequenz von 540 10 12 Hz aussendet, deren Lichtenergiestärke in dieser Richtung 1/683 W/sr beträgt. Die Definition von Lichteinheiten ist ähnlich wie bei Energieeinheiten.
Lichtfluss Φ sv ist definiert als die Leistung optischer Strahlung durch die Lichtempfindung, die sie verursacht (etwa ihre Wirkung auf einen selektiven Lichtempfänger mit einer bestimmten spektralen Empfindlichkeit).
Lichtstromeinheit - Lumen (lm): 1 lm ist der Lichtstrom, der von einer Punktquelle mit einer Lichtstärke von 1 cd innerhalb eines Raumwinkels von 1 sr abgestrahlt wird (bei gleichmäßigem Strahlungsfeld innerhalb eines Raumwinkels) (1 lm = 1 cd sr).
Die Kraft des Lichts Ich St bezogen auf den Lichtstrom durch das Verhältnis
, (3.7)
wo dΦ sv ist der von der Quelle innerhalb des Raumwinkels emittierte Lichtstrom dΩ. Wenn ein Ich St richtungsunabhängig ist, wird die Lichtquelle genannt isotrop. Für eine isotrope Quelle
. (3.8)
Energiefluss . Φ e, gemessen in Watt, und dem Lichtstrom Φ St., gemessen in Lumen, beziehen sich auf:
, lm, (3.9)
wo 
- konstant, - Sichtbarkeitsfunktion, bestimmt durch die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber Strahlung verschiedener Wellenlängen. Der Maximalwert wird bei erreicht 
. Der Komplex verwendet Laserstrahlung mit einer Wellenlänge 
. In diesem Fall .
Helligkeit R sv wird durch die Relation bestimmt
. (3.10)
Die Einheit der Leuchtkraft ist Lumen pro Quadratmeter (lm / m 2).
Helligkeit In ϕ leuchtende Fläche S In irgendeiner Richtung, die einen Winkel φ mit der Normalen zur Oberfläche bildet, gibt es einen Wert, der dem Verhältnis der Lichtstärke in einer bestimmten Richtung zur Projektionsfläche der leuchtenden Oberfläche auf eine Ebene senkrecht zur angegebenen Richtung entspricht:
. (3.11)
Als Quellen werden Quellen bezeichnet, deren Helligkeit in alle Richtungen gleich ist Lambertisch (befolgt Lamberts Gesetz) oder Kosinus (Der von einem Oberflächenelement einer solchen Quelle gesendete Fluss ist proportional zu ). Folgt strikt dem Lambertschen Gesetz nur absolut schwarzer Körper.
Die Einheit der Helligkeit ist Candela pro Quadratmeter (cd/m2).
Erleuchtung E- ein Wert, der dem Verhältnis des auf die Oberfläche einfallenden Lichtstroms zur Fläche dieser Oberfläche entspricht:
.
(3.12)
Beleuchtungseinheit - Luxus (lx): 1 lx - die Beleuchtung der Oberfläche, auf deren 1 m 2 ein Lichtstrom von 1 lm fällt (1 lm \u003d 1 lx / m 2).
Arbeitsauftrag
 Reis. 3.2. |
Aufgabe 1. Bestimmung der Laserlichtintensität.
Durch Messen des Durchmessers des divergierenden Laserstrahls in seinen beiden um einen Abstand getrennten Abschnitten erhält man den kleinen Strahldivergenzwinkel und den Raumwinkel , in dem sich die Strahlung ausbreitet (Abb. 3.2):
, (3.13)
Die Lichtintensität in Candela wird durch die Formel bestimmt:
, (3.15)
wo 
- eine Konstante, die Strahlungsleistung ist auf ein Minimum eingestellt - gleich (der Laserstrom-Einstellknopf wird gegen den Uhrzeigersinn in seine äußerste Position gedreht), - Sichtbarkeitsfunktion, bestimmt durch die Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegenüber Strahlung verschiedener Wellenlängen. Der Maximalwert wird bei erreicht . Der Komplex verwendet Laserstrahlung mit einer Wellenlänge . In diesem Fall .
Experiment
1. Montieren Sie Modul 2 auf der Optischen Bank und richten Sie den Aufbau wie auf Seite beschrieben aus. Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass die Installation ausgerichtet ist, entfernen Sie Modul 2.
2. Setzen Sie den Strahlerlinsenaufsatz (Objekt 42) auf. Installieren Sie die Kondensorlinse (Modul 5) am Ende der Bank, wobei der Bildschirm zum Emitter zeigt. Korrigieren Sie die Koordinatenrisiken seiner Bewerter. Bestimmen Sie den Durchmesser des Laserstrahls aus dem Kondensorschirm.
3. Bewegen Sie den Kondensor um 50 - 100 mm zum Laser. Legen Sie die Risikokoordinate fest und bestimmen Sie dementsprechend den Strahldurchmesser aus dem Kondensorschirm.
4. Berechnen Sie den linearen Strahldivergenzwinkel mit Formel (3.13) unter der Annahme . Berechnen Sie den Raumwinkel der Strahldivergenz mit Formel (3.14) und die Lichtintensität mit Formel (3.15). Nehmen Sie eine Standardfehlerschätzung vor.
5. Führe den Versuch noch 4 mal mit anderen Positionen des Kondensators durch.
6. Tragen Sie die Messergebnisse in die Tabellen ein:
| № | , | , | ||||
| № | , % | ||||
Aufgabe 2. Intensität in einer Kugelwelle
Der Laserstrahl wird durch eine Sammellinse in eine sphärische Welle umgewandelt, die zuerst zum Fokus konvergiert und nach dem Fokus divergiert. Es ist erforderlich, die Art der Intensitätsänderung mit der Koordinate - zu verfolgen. Die Messwerte des Voltmeters werden wie ohne Umwandlung in Absolutwerte verwendet.
Experiment
1. Entfernen Sie den Zerstreuungslinsenaufsatz vom Strahler. Installieren Sie am Ende der freien Bank einen Mikroprojektor (Modul 2) und dicht davor eine Kondensorlinse (Modul 5). Stellen Sie sicher, dass das Bewegen von Modul 5 weg von Modul 2 die Größe des Flecks auf dem Setup-Bildschirm und die Intensität der Strahlung in der Mitte des Flecks ändert. Bringen Sie den Kondensator wieder in seine ursprüngliche Position.
2. Platzieren Sie den Fotosensor - Objekt 38 in der Objektebene des Mikroprojektors, schließen Sie den Fotosensor an das Multimeter an, stellen Sie das Multimeter auf den Gleichspannungsmessmodus (Messbereich - bis 1 V) und lesen Sie die Abhängigkeit der Spannung ab auf dem Voltmeter auf dem Modul koordinieren Sie 5 mit einem Schritt von 10 mm, wobei Sie als Punktzählkoordinate Risiken Modul 2 nehmen. Führen Sie 20 Messungen durch.
4. Definieren Sie die wichtigsten photometrischen Größen (Energie und Licht) und geben Sie die Maßeinheiten an.
5. Welche Lichteinheit ist die wichtigste in SI? Wie ist es definiert?
6. Wie hängen Strahlungsfluss und Lichtstrom zusammen?
7. Welche Lichtquelle wird als isotrop bezeichnet? Wie hängen Lichtstärke und Lichtstrom einer isotropen Quelle zusammen? Wieso den?
8. Wann wird eine Lichtquelle Lambertian genannt? Nennen Sie ein Beispiel für eine streng Lambertsche Quelle.
9. Wie hängt die Intensität einer von einer isotropen Punktquelle emittierten Lichtwelle vom Abstand zur Quelle ab? Wieso den?
Labor Nr. 4
Die Definitionen der photometrischen Größen der Lichtreihe und die mathematischen Beziehungen zwischen ihnen sind ähnlich wie die entsprechenden Größen und Beziehungen der Energiereihe. Deshalb Lichtfluss, Ausbreitung innerhalb des Raumwinkels gleich . Lichtstromeinheit 
(Lumen). Für monochromatisches Licht Zusammenhang zwischen Energie und Lichtmengen gegeben durch die Formeln:
wo 
ist eine Konstante namens das mechanische Äquivalent von Licht.
Der Lichtstrom fällt auf das Wellenlängenintervall ab l Vor ,
, (30.8)
wo j ist die Verteilungsfunktion der Energie über Wellenlängen (siehe Abb. 30.1). Dann ist der gesamte Lichtstrom, getragen von allen Wellen des Spektrums,
. (30.9)
Erleuchtung
Der Lichtstrom kann auch von Körpern kommen, die selbst nicht leuchten, aber das auf sie fallende Licht reflektieren oder streuen. In solchen Fällen ist es wichtig zu wissen, welcher Lichtstrom auf einen bestimmten Bereich der Körperoberfläche fällt. Dazu wird eine physikalische Größe namens Beleuchtungsstärke verwendet.
. (30.10)
Erleuchtung numerisch gleich dem Verhältnis des gesamten auf das Oberflächenelement einfallenden Lichtstroms zur Fläche dieses Elements (siehe Abb. 30.4). Für eine gleichmäßige Lichtleistung
Beleuchtungseinheit 
(Lux). Suite entspricht der Ausleuchtung einer Fläche mit einer Fläche von 1 m 2 , wenn ein Lichtstrom von 1 lm darauf fällt. Energiebeleuchtung wird ähnlich definiert
Einheit der Energiebeleuchtung.
Helligkeit
Für viele Beleuchtungsberechnungen können einige Quellen als Punktquellen betrachtet werden. In den meisten Fällen werden die Lichtquellen jedoch nahe genug platziert, um ihre Form zu unterscheiden, mit anderen Worten, die Winkelabmessungen der Quelle liegen innerhalb der Fähigkeit des Auges oder optischen Instruments, ein ausgedehntes Objekt von einem Punkt zu unterscheiden. Für solche Quellen wird eine physikalische Größe namens Helligkeit eingeführt. Das Konzept der Helligkeit ist nicht auf Quellen anwendbar, deren Winkelabmessungen kleiner sind als die Auflösung des Auges oder eines optischen Instruments (z. B. auf Sterne). Helligkeit charakterisiert die Abstrahlung einer leuchtenden Fläche in eine bestimmte Richtung. Die Quelle kann mit ihrem eigenen oder reflektierten Licht leuchten.
Nehmen wir einen Lichtstrom heraus, der sich in einem Raumwinkel von einem Abschnitt einer leuchtenden Fläche in einer bestimmten Richtung ausbreitet. Die Strahlachse bildet mit der Flächennormalen einen Winkel (siehe Abb. 30.5).
Projektion eines Ausschnitts einer leuchtenden Fläche auf einen Ort senkrecht zur gewählten Richtung,
(30.14)
genannt sichtbare Oberfläche Quellsite-Element (siehe Abbildung 30.6).
Der Wert des Lichtstroms hängt von der Fläche der sichtbaren Fläche, vom Winkel und vom Raumwinkel ab:
Der Proportionalitätsfaktor heißt Helligkeit, hängt von den optischen Eigenschaften der emittierenden Fläche ab und kann für verschiedene Richtungen unterschiedlich sein. Ab (30,5) Helligkeit
. (30.16)
Auf diese Weise, Helligkeit wird bestimmt durch den Lichtstrom, der in einer bestimmten Richtung von einer Einheit sichtbarer Fläche pro Raumwinkeleinheit abgestrahlt wird. Oder mit anderen Worten: Die Helligkeit in einer bestimmten Richtung ist numerisch gleich der Lichtintensität, die von einer Flächeneinheit der sichtbaren Oberfläche der Quelle erzeugt wird.
Generell ist die Helligkeit richtungsabhängig, aber es gibt Lichtquellen, bei denen die Helligkeit nicht richtungsabhängig ist. Solche Quellen werden genannt Lambertisch oder Kosinus, denn für sie gilt das Lambertsche Gesetz: Die Lichtintensität in einer bestimmten Richtung ist proportional zum Kosinus des Winkels zwischen der Normalen auf der Quellfläche und dieser Richtung:
wobei die Lichtintensität in Richtung der Flächennormalen ist, ist der Winkel zwischen der Flächennormalen und der gewählten Richtung. Um in alle Richtungen die gleiche Helligkeit zu gewährleisten, sind technische Lampen mit Milchglasschalen ausgestattet. Lambertsche Quellen, die diffuses Licht emittieren, umfassen eine mit Magnesiumoxid beschichtete Oberfläche, unglasiertes Porzellan, Zeichenpapier und frisch gefallenen Schnee.
Einheit der Helligkeit 
(nichts). Hier die Helligkeitswerte einiger Lichtquellen:
Mond - 2,5 kn,
Leuchtstofflampe - 7 kn,
Glühbirnenfaden - 5 Mnt,
die Oberfläche der Sonne beträgt 1,5 Gnt.
Die niedrigste vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit beträgt etwa 1 Mikronth, und eine Helligkeit von mehr als 100 Knoten verursacht Augenschmerzen und kann das Sehvermögen beeinträchtigen. Die Helligkeit eines weißen Blattes Papier beim Lesen und Schreiben sollte mindestens 10 Nits betragen.
Energiehelligkeit wird ähnlich definiert
. (30.18)
Maßeinheit der Strahlung 
.
Helligkeit
Betrachten wir eine Lichtquelle mit endlichen Abmessungen (die mit ihrem eigenen oder reflektierten Licht leuchtet). Helligkeit Quelle ist die Flächendichte des von der Fläche in alle Richtungen innerhalb des Raumwinkels abgestrahlten Lichtstroms. Strahlt ein Flächenelement einen Lichtstrom aus, dann
Für gleichmäßige Leuchtkraft können wir schreiben:
Helligkeitseinheit.
Energiehelligkeit wird ähnlich definiert
Einheit der Energie Leuchtkraft.
Gesetze der Beleuchtung
Photometrische Messungen basieren auf zwei Beleuchtungsgesetzen.
1. Die Beleuchtung einer Fläche durch eine Punktlichtquelle ändert sich umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands der Quelle von der beleuchteten Fläche. Betrachten Sie eine Punktquelle (siehe Abbildung 30.7), die Licht in alle Richtungen aussendet. Beschreiben wir um die Quelle herum konzentrische Kugeln mit der Quelle mit den Radien und . Offensichtlich ist der Lichtstrom durch die Flächenbereiche und gleich, da er sich in einem Raumwinkel ausbreitet. Dann wird die Beleuchtung der Bereiche und bzw. und sein. Wenn wir die Elemente von Kugeloberflächen durch den Raumwinkel ausdrücken, erhalten wir:
. (30.22)
2. Die Beleuchtung, die auf einem Elementarabschnitt der Oberfläche durch einen unter einem bestimmten Winkel einfallenden Lichtstrom erzeugt wird, ist proportional zum Kosinus des Winkels zwischen der Richtung der Strahlen und der Normalen zur Oberfläche. Betrachten wir ein paralleles Strahlenbündel (siehe Abb. 29.8), das auf Bereiche von Flächen und fällt. Strahlen treffen entlang der Normalen auf die Oberfläche und in einem Winkel zur Normalen auf die Oberfläche ein. Durch beide Abschnitte geht der gleiche Lichtstrom. Die Beleuchtung der ersten und zweiten Abschnitte wird jeweils und sein 
. Aber deshalb
Wenn wir diese beiden Gesetze kombinieren, können wir formulieren Grundgesetz der Erleuchtung: Die Beleuchtung einer Fläche durch eine Punktquelle ist direkt proportional zur Lichtstärke der Quelle, dem Kosinus des Einfallswinkels der Strahlen und umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung von der Quelle zur Oberfläche
. (30.24)
Berechnungen mit dieser Formel ergeben ein ziemlich genaues Ergebnis, wenn die linearen Abmessungen der Quelle 1/10 des Abstands zur beleuchteten Oberfläche nicht überschreiten. Wenn die Quelle eine Scheibe mit einem Durchmesser von 50 cm ist, dann erreicht an einem Punkt auf der Normalen zum Mittelpunkt der Scheibe der relative Fehler in den Berechnungen für einen Abstand von 50 cm 25%, für einen Abstand von 2 m es 1,5 % nicht überschreitet und bei einer Entfernung von 5 m auf 0,25 % abnimmt.
Wenn mehrere Quellen vorhanden sind, ist die resultierende Beleuchtung gleich der Summe der Beleuchtungen, die von jeder einzelnen Quelle erzeugt werden. Wenn die Quelle nicht als Punktquelle betrachtet werden kann, wird ihre Oberfläche in elementare Abschnitte unterteilt und nach Bestimmung der von jedem von ihnen erzeugten Beleuchtung gemäß dem Gesetz 
, dann über die gesamte Oberfläche der Quelle integrieren.
Es gibt Beleuchtungsnormen für Arbeitsplätze und Räumlichkeiten. Auf den Tischen der Klassenzimmer sollte die Beleuchtung mindestens 150 Lux betragen, zum Lesen von Büchern benötigen Sie eine Beleuchtung und zum Zeichnen 200 Lux. Für Korridore gilt die Beleuchtung als ausreichend, für Straßen -.
Die wichtigste Lichtquelle für alles Leben auf der Erde – die Sonne erzeugt an der oberen Grenze der Atmosphäre eine Energiebeleuchtung, die sogenannte Sonnenkonstante – und eine Beleuchtung von 137 klx. Die Energiebeleuchtung, die im Sommer durch direkte Strahlen auf der Erdoberfläche erzeugt wird, ist zweimal geringer. Die Beleuchtung durch direkte Sonneneinstrahlung am Mittag auf dem mittleren Breitengrad des Gebiets beträgt 100 klx. Der Wechsel der Jahreszeiten auf der Erde erklärt sich aus der Änderung des Einfallswinkels der Sonnenstrahlen auf ihrer Oberfläche. Auf der Nordhalbkugel ist der größte Einfallswinkel von Strahlen auf der Erdoberfläche im Winter und der kleinste im Sommer. Die Beleuchtung an einem offenen Ort mit bewölktem Himmel beträgt 1000 Lux. Beleuchtung in einem hellen Raum in der Nähe des Fensters - 100 Lux. Zum Vergleich geben wir die Beleuchtung vom Vollmond - 0,2 Lux und vom Nachthimmel in einer mondlosen Nacht - 0,3 mlk an. Die Entfernung von der Sonne zur Erde beträgt 150 Millionen Kilometer, aber aufgrund der Tatsache, dass die Stärke des Sonnenlichts gleich ist, ist die von der Sonne auf der Erdoberfläche erzeugte Beleuchtung so groß.
Für Quellen, deren Lichtintensität richtungsabhängig ist, verwenden Sie manchmal mittlere sphärische Lichtstärke, wobei der gesamte Lichtstrom der Lampe ist. Als Lichtstrom bezeichnet man das Verhältnis des Lichtstroms einer elektrischen Lampe zu ihrer elektrischen Leistung Lichtleistung Lampen: . Beispielsweise hat eine 100-W-Glühlampe eine durchschnittliche sphärische Lichtstärke von etwa 100 cd. Der Gesamtlichtstrom einer solchen Lampe beträgt 4 × 3,14 × 100 cd = 1260 lm und die Lichtausbeute 12,6 lm / W. Die Lichtausbeute von Leuchtstofflampen ist um ein Vielfaches höher als die von Glühlampen und erreicht 80 lm / W. Darüber hinaus beträgt die Lebensdauer von Leuchtstofflampen mehr als 10.000 Stunden, während sie bei Glühlampen weniger als 1000 Stunden beträgt.
Das menschliche Auge hat sich über Jahrmillionen der Evolution an das Sonnenlicht angepasst, daher ist es wünschenswert, dass die spektrale Zusammensetzung des Lichts der Lampe möglichst nahe an der spektralen Zusammensetzung des Sonnenlichts liegt. Diese Anforderung wird am besten von Leuchtstofflampen erfüllt. Deshalb werden sie auch Leuchtstofflampen genannt. Die Helligkeit des Glühfadens einer Glühbirne verursacht Schmerzen im Auge. Um dies zu verhindern, werden milchige Glasschirme und Lampenschirme verwendet.
Bei all ihren Vorteilen haben Leuchtstofflampen auch eine Reihe von Nachteilen: die Komplexität des Schaltkreises, das Pulsieren des Lichtstroms (mit einer Frequenz von 100 Hz), die Unfähigkeit, in der Kälte zu starten (aufgrund von Quecksilberkondensation), das Summen der Drosselklappe (aufgrund von Magnetostriktion), Umweltgefährdung (Quecksilber aus einer zerbrochenen Lampe vergiftet die Umwelt).
Damit die spektrale Zusammensetzung der Strahlung einer Glühlampe der der Sonne entspricht, müsste ihr Glühfaden auf die Temperatur der Sonnenoberfläche erhitzt werden, also auf bis zu 6200 K. Aber Wolfram , das hitzebeständigste aller Metalle, schmilzt bereits bei 3660 K.
Bei einer Bogenentladung in Quecksilberdampf oder in Xenon wird bei einem Druck von etwa 15 atm eine Temperatur nahe der Sonnenoberfläche erreicht. Die Lichtstärke einer Bogenlampe kann auf bis zu 10 Mcd gebracht werden. Solche Lampen werden in Filmprojektoren und Scheinwerfern verwendet. Mit Natriumdampf gefüllte Lampen zeichnen sich dadurch aus, dass bei ihnen ein erheblicher Teil der Strahlung (etwa ein Drittel) im sichtbaren Bereich des Spektrums konzentriert ist (zwei intensive gelbe Linien 589,0 nm und 589,6 nm). Obwohl die Emission von Natriumlampen für das menschliche Auge sehr unterschiedlich vom üblichen Sonnenlicht ist, werden sie zur Beleuchtung von Autobahnen verwendet, da ihr Vorteil eine hohe Lichtausbeute von bis zu 140 lm / W ist.
Photometer
Geräte zur Messung der Intensität von Licht oder Lichtströmen aus verschiedenen Quellen werden genannt Photometer. Nach dem Registrierungsprinzip gibt es zwei Arten von Photometern: subjektiv (visuell) und objektiv.
Das Funktionsprinzip eines subjektiven Photometers beruht auf der Fähigkeit des Auges, die gleiche Beleuchtung (genauer: Helligkeit) zweier benachbarter Felder mit hinreichend hoher Genauigkeit festzuhalten, sofern sie mit gleichfarbigem Licht beleuchtet werden.
Photometer zum Vergleich zweier Quellen sind so konstruiert, dass die Rolle des Auges darauf reduziert wird, die gleiche Beleuchtung zweier benachbarter Felder festzustellen, die von den verglichenen Quellen beleuchtet werden (siehe Abb. 30.9). Das Auge des Betrachters betrachtet ein weißes dreiflächiges Prisma, das in der Mitte einer geschwärzten Röhre im Inneren installiert ist. Das Prisma wird von und Quellen beleuchtet. Durch Veränderung der Abstände und von den Quellen zum Prisma ist es möglich, die Beleuchtung der Flächen und anzugleichen. Dann , wo und sind die Lichtintensitäten bzw. der Quellen und . Ist die Lichtstärke einer der Quellen bekannt (Referenzquelle), so kann die Lichtstärke der anderen Quelle in der gewählten Richtung bestimmt werden. Indem sie die Lichtstärke der Quelle in verschiedenen Richtungen messen, finden sie den Gesamtlichtstrom, die Beleuchtung usw. heraus. Die Referenzquelle ist eine Glühlampe, deren Lichtstärke bekannt ist.
Die Unmöglichkeit, das Abstandsverhältnis in einem sehr weiten Bereich zu ändern, erzwingt die Verwendung anderer Methoden zur Strömungsdämpfung, z. B. Lichtabsorption durch einen Filter variabler Dicke - einen Keil (siehe Abb. 30.10).
Eine der Varianten der visuellen Methode der Photometrie ist die Methode des Quenchens, die auf der Verwendung der Konstanz der Schwellenempfindlichkeit des Auges für jeden einzelnen Beobachter basiert. Die Schwellenempfindlichkeit des Auges ist die niedrigste Helligkeit (ca. 1 Mikron), auf die das menschliche Auge reagiert. Nachdem die Empfindlichkeitsschwelle des Auges zuvor auf irgendeine Weise (z. B. mit einem kalibrierten Absorptionskeil) bestimmt wurde, wird die Helligkeit der untersuchten Quelle auf die Empfindlichkeitsschwelle reduziert. Wenn man weiß, wie oft die Helligkeit abgeschwächt wird, ist es möglich, die absolute Helligkeit der Quelle ohne Referenzquelle zu bestimmen. Diese Methode ist äußerst empfindlich.
Die direkte Messung des Gesamtlichtstroms der Quelle erfolgt in Integralphotometern, beispielsweise in einem Kugelphotometer (siehe Abb. 30.11). Die zu untersuchende Quelle ist im inneren Hohlraum einer Kugel aufgehängt, die innen mit einer matten Oberfläche weiß getüncht ist. Durch mehrfache Lichtreflexionen innerhalb der Kugel entsteht eine Beleuchtung, die durch die durchschnittliche Lichtstärke der Quelle bestimmt wird. Die Beleuchtung des Lochs, das durch den Schirm vor direkten Strahlen geschützt ist, ist proportional zum Lichtstrom: , wobei die Konstante des Geräts in Abhängigkeit von seiner Größe und Farbe ist. Das Loch ist mit milchigem Glas bedeckt. Auch die Helligkeit von Milchglas ist proportional zur Lichtleistung. Sie wird durch das oben beschriebene Photometer oder durch ein anderes Verfahren gemessen. In der Technik werden automatisierte Kugelphotometer mit Fotozellen beispielsweise zur Kontrolle von Glühlampen auf dem Förderband einer Elektrolampenfabrik eingesetzt.
Objektive Methoden der Photometrie werden in fotografische und elektrische unterteilt. Fotografische Methoden beruhen darauf, dass die Schwärzung der lichtempfindlichen Schicht proportional zur Dichte der Lichtenergie ist, die während ihrer Belichtung, d. h. Belichtung, auf die Schicht fällt (siehe Tabelle 30.1). Dieses Verfahren bestimmt die relative Intensität von zwei nahe beieinander liegenden Spektrallinien in einem Spektrum oder vergleicht die Intensitäten derselben Linie in zwei benachbarten (auf derselben fotografischen Platte aufgenommenen) Spektren, indem bestimmte Bereiche der fotografischen Platte geschwärzt werden.
Visuelle und fotografische Verfahren werden nach und nach durch elektrische ersetzt. Letztere haben den Vorteil, dass sie ganz einfach die Ergebnisse automatisch erfassen und weiterverarbeiten können, bis hin zum Einsatz eines Computers. Elektrische Photometer ermöglichen die Messung der Strahlungsintensität jenseits des sichtbaren Spektrums.
KAPITEL 31
31.1. Eigenschaften der Wärmestrahlung
Auf ausreichend hohe Temperaturen erhitzte Körper glühen. Das Glühen von Körpern durch Erwärmung wird genannt thermische (Temperatur-)Strahlung. Wärmestrahlung, die in der Natur am häufigsten vorkommt, entsteht aufgrund der Energie der thermischen Bewegung von Atomen und Molekülen der Materie (d. h. aufgrund ihrer inneren Energie) und ist charakteristisch für alle Körper bei Temperaturen über 0 K. Wärmestrahlung ist gekennzeichnet durch ein kontinuierliches Spektrum, dessen Maximum von der Temperatur abhängt. Bei hohen Temperaturen werden kurze (sichtbare und ultraviolette) elektromagnetische Wellen emittiert, bei niedrigen Temperaturen werden überwiegend lange (infrarote) Wellen emittiert.
Die quantitative Eigenschaft der Wärmestrahlung ist spektrale Energiedichte Leuchtkraft (Strahlung) eines Körpers- Strahlungsleistung pro Flächeneinheit der Körperoberfläche im Frequenzbereich der Einheitsbreite:
Rv,T =, (31.1)
wo ist die pro Zeiteinheit emittierte Energie der elektromagnetischen Strahlung (Strahlungsleistung) pro Flächeneinheit der Körperoberfläche im Frequenzbereich v Vor v+dv.
Einheit der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft Rv,T- Joule pro Quadratmeter (J / m 2).
Die geschriebene Formel lässt sich als Funktion der Wellenlänge darstellen:
=Rv,Tdv= R λ ,T dλ. (31.2)
Als c = λvυ, dann dλ/ dv = - Lebenslauf 2 = - λ 2 /Mit,
wobei das Minuszeichen angibt, dass sich einer der Werte erhöht ( λ oder v) der andere Wert sinkt. Daher wird im Folgenden auf das Minuszeichen verzichtet.
Auf diese Weise,
R υ,T =Rλ,T . (31.3)
Unter Verwendung von Formel (31.3) kann man von ausgehen Rv,T zu Rλ,T umgekehrt.
Wenn wir die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft kennen, können wir sie berechnen integrale Energie Leuchtkraft(integraler Emissionsgrad), Summierung über alle Frequenzen:
R T = . (31.4)
Die Fähigkeit von Körpern, auf sie einfallende Strahlung zu absorbieren, wird charakterisiert durch Absorption
Und v,T =(31.5)
zeigt, welcher Anteil der Energie pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit auf die Körperoberfläche durch auf sie einfallende elektromagnetische Wellen mit Frequenzen gebracht wird v Vor v+dv wird vom Körper aufgenommen.
Die spektrale Absorption ist eine dimensionslose Größe. Mengen Rv,T und Ein v, T hängen von der Beschaffenheit des Körpers, seiner thermodynamischen Temperatur ab und unterscheiden sich gleichzeitig für Strahlungen mit unterschiedlichen Frequenzen. Daher werden diese Werte als klassifiziert T und v(oder besser gesagt, auf einen ziemlich engen Frequenzbereich von v Vor v+dv).
Ein Körper, der in der Lage ist, bei jeder Temperatur alle auf ihn einfallende Strahlung jeder Frequenz vollständig zu absorbieren, wird als Körper bezeichnet Schwarz. Daher ist die spektrale Extinktion eines schwarzen Körpers für alle Frequenzen und Temperaturen identisch gleich eins ( A h v, T = eines). In der Natur gibt es keine absolut schwarzen Körper, jedoch sind solche Körper wie Ruß, Platinschwarz, schwarzer Samt und einige andere in einem bestimmten Frequenzbereich in ihren Eigenschaften ihnen ähnlich.
Das ideale Modell eines schwarzen Körpers ist ein geschlossener Hohlraum mit einem kleinen Loch, dessen Innenfläche geschwärzt ist (Abb. 31.1). Ein Lichtstrahl, der in Abb.31.1 eingedrungen ist.
eines solchen Hohlraums mehrfache Reflexionen an den Wänden erfährt, wodurch sich herausstellt, dass die Intensität der emittierten Strahlung praktisch gleich Null ist. Die Erfahrung zeigt, dass bei einer Lochgröße von weniger als 0,1 des Hohlraumdurchmessers die einfallende Strahlung aller Frequenzen vollständig absorbiert wird. Dadurch erscheinen die offenen Fenster der Häuser von der Straßenseite aus schwarz, obwohl es in den Räumen durch die Lichtreflexion der Wände recht hell ist.
Zusammen mit dem Konzept eines schwarzen Körpers wird das Konzept verwendet grauer Körper- ein Körper, dessen Absorptionsvermögen kleiner als Eins ist, aber für alle Frequenzen gleich ist und nur von Temperatur, Material und Beschaffenheit der Körperoberfläche abhängt. Also für den grauen Körper A mit v,T< 1.
Kirchhoffsches Gesetz
Kirchhoffsches Gesetz: das Verhältnis der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft zur spektralen Extinktion hängt nicht von der Beschaffenheit des Körpers ab; es ist eine universelle Funktion von Frequenz (Wellenlänge) und Temperatur für alle Körper:
= rv,T(31.6)
Für Schwarzkörper Ahv, T=1, so dass aus dem Kirchhoffschen Gesetz folgt Rv,T für einen schwarzen Körper ist rw, T. Also die universelle Kirchhoff-Funktion rw, T ist nichts anderes als die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers. Daher ist nach dem Kirchhoffschen Gesetz für alle Körper das Verhältnis der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft zum spektralen Absorptionsvermögen gleich der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers bei gleicher Temperatur und Frequenz.
Aus dem Kirchhoffschen Gesetz folgt, dass die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft eines beliebigen Körpers in jedem Bereich des Spektrums immer kleiner ist als die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers (bei gleichen Werten T und v), als Ein v, T < 1, и поэтому Rv,T < r v υ,T. Außerdem folgt aus (31.6) dass, wenn der Körper bei einer gegebenen Temperatur T keine elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich absorbiert v, Vor v+dv, dann sind sie in diesem Frequenzbereich bei einer Temperatur T und strahlt nicht, da Ein v, T=0, Rv,T=0
Unter Verwendung des Kirchhoff-Gesetzes kann der Ausdruck für die integrale Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers (31.4) geschrieben werden als
R T = .(31.7)
Für den grauen Körper R mit T = BEI = A T R e, (31.8)
wo Betreff= -Energie Leuchtkraft des schwarzen Körpers.
Das Kirchhoffsche Gesetz beschreibt nur die Wärmestrahlung und ist für diese so charakteristisch, dass es als zuverlässiges Kriterium zur Bestimmung der Strahlungsnatur dienen kann. Strahlung, die dem Kirchhoffschen Gesetz nicht gehorcht, ist nicht thermisch.
Aus dem Kirchhoffschen Gesetz folgt für die Praxis, dass Körper mit dunkler und rauher Oberfläche einen Absorptionskoeffizienten nahe 1 haben. Aus diesem Grund wird im Winter dunkle, im Sommer helle Kleidung bevorzugt. Aber auch Körper mit einem Absorptionskoeffizienten nahe Eins haben eine entsprechend höhere Energieleuchtkraft. Wenn Sie zwei identische Gefäße nehmen, eines mit dunkler, rauer Oberfläche und die Wände des anderen hell und glänzend, und die gleiche Menge kochendes Wasser hineingießen, kühlt das erste Gefäß schneller ab.
31.3. Stefan-Boltzmann-Gesetze und Wien-Verschiebungen
Aus dem Kirchhoffschen Gesetz folgt, dass die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft eines Schwarzen Körpers eine universelle Funktion ist, daher ist es ein wichtiges Problem in der Theorie der Wärmestrahlung, ihre explizite Abhängigkeit von Frequenz und Temperatur zu finden.
Stefan, der die experimentellen Daten analysierte, und Boltzmann, der die thermodynamische Methode verwendete, lösten dieses Problem nur teilweise, indem sie die Abhängigkeit der Energieleuchtkraft feststellten Betreff von der Temperatur. Entsprechend Stefan-Boltzmann-Gesetz,
R e \u003d σ T 4, (31.9)
d.h. die Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers ist proportional zum Viertel der Potenz seiner thermodynamischen Temperatur; σ
- Stefan-Boltzmann-Konstante: sein experimenteller Wert ist 5,67 × 10 –8 W/(m 2 × K 4 ).
Stefan - Boltzmannsches Gesetz, Definition der Abhängigkeit Betreff B. zur Temperatur, gibt keine Antwort auf die spektrale Zusammensetzung der Schwarzkörperstrahlung. Aus den experimentellen Kurven der Abhängigkeit der Funktion rλ,T von der Wellenlänge λ (r λ,T =´ ´ r ν,T) bei verschiedenen Temperaturen (Abb.30.2) Abb.31.2.
Daraus folgt, dass die Energieverteilung im Spektrum eines schwarzen Körpers ungleichmäßig ist. Alle Kurven haben ein ausgeprägtes Maximum, das sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt. Durch die Abhängigkeitskurve begrenzter Bereich rλ,T aus λ und der Abszissenachse, ist proportional zur Energiehelligkeit Betreff Schwarzer Körper und damit nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die Viertel des Temperaturgrades.
V. Vin stellte unter Berufung auf die Gesetze der Thermo- und Elektrodynamik die Wellenlängenabhängigkeit fest λ max entspricht dem Maximum der Funktion rλ,T, auf Temperatur T. Gemäß Wiens Verschiebungsgesetz,
λ max \u003d b / T, (31.10)
d.h. Wellenlänge λ
max entspricht dem Maximalwert des Spektrums
Energie Leuchtdichte rλ,T Schwarzer Körper ist umgekehrt proportional zu seiner thermodynamischen Temperatur. b - ständiger Fehler sein experimenteller Wert beträgt 2,9 × 10 –3 m × K.
Der Ausdruck (31.10) wird Wiensches Verschiebungsgesetz genannt, er zeigt die Verschiebung der maximalen Position der Funktion rλ,T wenn die Temperatur in den Bereich der kurzen Wellenlängen ansteigt. Das Wiensche Gesetz erklärt, warum bei abnehmender Temperatur erhitzter Körper in deren Spektrum langwellige Strahlung überwiegt (z. B. der Übergang von Weißglut zu Rot beim Abkühlen des Metalls).
Rayleigh-Jeans und Planck-Formeln
Aus der Betrachtung der Stefan-Boltzmann- und Wien-Gesetze folgt, dass der thermodynamische Ansatz zur Lösung des Problems, die universelle Kirchhoff-Funktion zu finden, nicht die gewünschten Ergebnisse lieferte.
Ein rigoroser Versuch einer theoretischen Abhängigkeitsinferenz rλ,T gehört Rayleigh und Jeans, die die Methoden der statistischen Physik auf die Wärmestrahlung anwendeten, indem sie das klassische Gesetz der gleichmäßigen Energieverteilung über Freiheitsgrade verwendeten.
Die Rayleigh-Jeans-Formel für die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers hat die Form:
r v , T = <E> = kT, (31.11)
wo <Е>= kT ist die mittlere Energie eines Oszillators mit Eigenfrequenz ν .
Wie die Erfahrung gezeigt hat, ist der Ausdruck (31.11) nur im Bereich ausreichend niedriger Frequenzen und hoher Temperaturen mit experimentellen Daten konsistent. Im Bereich hoher Frequenzen widerspricht diese Formel sowohl dem Experiment als auch dem Wienschen Verschiebungsgesetz. Und aus dieser Formel das Stefan-Boltzmann-Gesetz zu bekommen, führt ins Absurde. Dieses Ergebnis wird als „Ultraviolett-Katastrophe“ bezeichnet. Diese. im rahmen der klassischen physik war es nicht möglich, die gesetze der energieverteilung im spektrum eines schwarzen körpers zu erklären.
Im Bereich hoher Frequenzen ergibt sich eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment durch die Wiensche Formel (Wiensches Strahlungsgesetz):
r ν, T \u003d Сν 3 A e -Аν / T, (31.12)
wo rw, T- spektrale Dichte der Energieleuchtkraft des schwarzen Körpers, AUS und ABER sind konstante Werte. In moderner Notation mit
Das Wiensche Strahlungsgesetz der Planckschen Konstante kann geschrieben werden als
r ν, T = . (31.13)
Der korrekte Ausdruck, der mit experimentellen Daten für die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft eines schwarzen Körpers übereinstimmt, wurde von Planck gefunden. Nach der fortgeschrittenen Quantenhypothese strahlen Atomoszillatoren Energie nicht kontinuierlich ab, sondern in bestimmten Portionen - Quanten, und die Quantenenergie ist proportional zur Schwingungsfrequenz
E 0 =hν = hс/λ,
wo h\u003d 6,625 × 10 -34 J × s - Plancksche Konstante Da die Strahlung portionsweise emittiert wird, ist die Oszillatorenergie E nur bestimmte diskrete Werte annehmen kann , Vielfache einer ganzen Zahl elementarer Energieportionen E 0
E = nhv(n= 0,1,2…).
In diesem Fall die durchschnittliche Energie<E> Oszillator kann nicht gleichgesetzt werden kT.
In der Näherung, dass die Verteilung von Oszillatoren über mögliche diskrete Zustände der Boltzmann-Verteilung gehorcht, ist die mittlere Energie des Oszillators
<E> = , (31.14)
und die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft wird durch die Formel bestimmt
r v , T = . (31.15)
Planck leitete die Formel für die universelle Kirchhoff-Funktion ab
rw, T = , (31.16)
was mit den experimentellen Daten über die Energieverteilung in den Strahlungsspektren eines Schwarzen Körpers über den gesamten Frequenz- und Temperaturbereich übereinstimmt.
Aus Plancks Formel, Kenntnis der universellen Konstanten h,k und Mit, können wir die Stefan-Boltzmann-Konstanten berechnen σ und Wein b. Umgekehrt. Die Plancksche Formel stimmt gut mit experimentellen Daten überein, enthält aber auch besondere Gesetze der Wärmestrahlung, d.h. ist eine vollständige Lösung für das Problem der Wärmestrahlung.
Optische Pyrometrie
Die Gesetze der Wärmestrahlung werden verwendet, um die Temperatur von glühenden und selbstleuchtenden Körpern (z. B. Sternen) zu messen. Als optische Pyrometrie werden Verfahren zur Messung hoher Temperaturen bezeichnet, die die Abhängigkeit der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft oder der integralen Energieleuchtkraft von Körpern von der Temperatur nutzen. Geräte zur Messung der Temperatur erhitzter Körper durch die Intensität ihrer Wärmestrahlung im optischen Bereich des Spektrums werden als Pyrometer bezeichnet. Je nachdem, welches Wärmestrahlungsgesetz bei der Temperaturmessung von Körpern angewendet wird, unterscheidet man Strahlungs-, Farb- und Helligkeitstemperaturen.
1. Strahlungstemperatur ist die Temperatur eines schwarzen Körpers, bei der seine Energie Leuchtkraft hat Betreff gleich Energie Leuchtkraft Rt untersuchter Körper. Dabei wird die Energieleuchtkraft des untersuchten Körpers erfasst und nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz seine Strahlungstemperatur berechnet:
T p =.
Strahlungstemperatur T p Körper ist immer niedriger als seine wahre Temperatur T.
2.Bunte Temperatur. Bei grauen Körpern (oder Körpern, die ihnen in ihren Eigenschaften nahestehen), die spektrale Dichte der Energieleuchtkraft
R λ,Τ = A Τ r λ,Τ,
wo Ein t = konst < 1. Folglich ist die Energieverteilung im Emissionsspektrum eines grauen Körpers die gleiche wie im Spektrum eines schwarzen Körpers gleicher Temperatur, daher gilt für graue Körper das Wiensche Verschiebungsgesetz. Wellenlänge kennen λ m ah, entsprechend der maximalen spektralen Dichte der Energieleuchtkraft Rλ,Τ des untersuchten Körpers kann seine Temperatur bestimmt werden
T c = b/ λ m äh,
was als Farbtemperatur bezeichnet wird. Bei grauen Körpern stimmt die Farbtemperatur mit der wahren überein. Für Körper, die sich stark von Grau unterscheiden (z. B. solche mit selektiver Absorption), verliert der Begriff der Farbtemperatur seine Bedeutung. Auf diese Weise wird die Temperatur auf der Sonnenoberfläche bestimmt ( T c=6500 K) und Sterne.
3.Helligkeitstemperatur T i, ist die Temperatur eines schwarzen Körpers, bei der für eine bestimmte Wellenlänge seine spektrale Energiedichte Leuchtkraft hat ist gleich der spektralen Dichte der Energieleuchtkraft des untersuchten Körpers, d.h.
rλ,Τ = Rλ,Τ,
wo T ist die wahre Temperatur des Körpers, die immer höher ist als die Helligkeit.
Als Helligkeitspyrometer wird in der Regel ein Glühfadenpyrometer verwendet. In diesem Fall wird das Bild des Pyrometerfadens vor dem Hintergrund der Oberfläche des heißen Körpers ununterscheidbar, d. h. der Faden scheint zu „verschwinden“. Unter Verwendung eines Schwarzkörper-kalibrierten Milliamperemeters kann die Helligkeitstemperatur bestimmt werden.
Thermische Lichtquellen
Das Leuchten heißer Körper wird genutzt, um Lichtquellen zu erzeugen. Schwarze Körper sollten die besten thermischen Lichtquellen sein, da ihre spektrale Energie-Leuchtkraftdichte für jede Wellenlänge größer ist als die spektrale Energie-Leuchtkraftdichte von nicht-schwarzen Körpern, aufgenommen bei denselben Temperaturen. Es stellt sich jedoch heraus, dass bei einigen Körpern (z. B. Wolfram), die eine Selektivität für Wärmestrahlung aufweisen, der Energieanteil, der der Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums zuzuschreiben ist, viel größer ist als bei einem schwarzen Körper, der auf die gleiche Temperatur erhitzt wird . Daher ist Wolfram, das auch einen hohen Schmelzpunkt hat, das beste Material für die Herstellung von Lampenfäden.
Die Temperatur des Wolframfadens in Vakuumlampen sollte 2450 K nicht überschreiten, da es bei höheren Temperaturen zu starkem Sputtern kommt. Das Strahlungsmaximum bei dieser Temperatur entspricht einer Wellenlänge von 1,1 µm, ist also sehr weit von der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Auges (0,55 µm) entfernt. Das Füllen von Lampenkolben mit Edelgasen (z. B. einem Gemisch aus Krypton und Xenon unter Zusatz von Stickstoff) bei einem Druck von 50 kPa ermöglicht es, die Wendeltemperatur auf 3000 K zu erhöhen, was zu einer Verbesserung der spektralen Zusammensetzung führt die Strahlung. Die Lichtausbeute erhöht sich dabei jedoch nicht, da zusätzliche Energieverluste durch Wärmeaustausch zwischen Wendel und Gas durch Wärmeleitfähigkeit und Konvektion entstehen. Um Energieverluste durch Wärmeübertragung zu reduzieren und die Lichtleistung von gasgefüllten Lampen zu erhöhen, ist der Glühfaden in Form einer Spirale ausgeführt, deren einzelne Windungen sich gegenseitig erwärmen. Bei hoher Temperatur bildet sich um diese Spirale eine feste Gasschicht und eine Wärmeübertragung durch Konvektion ist ausgeschlossen. Energieeffizienz Glühlampen derzeit 5 % nicht übersteigt.
Frage 2. Photometrische Größen und ihre Einheiten.
Die Photometrie ist ein Teilgebiet der Optik, das sich mit der Messung der Energieeigenschaften optischer Strahlung bei Ausbreitungs- und Wechselwirkungsprozessen mit Materie befasst. Die Photometrie verwendet Energiegrößen, die die Energieparameter optischer Strahlung unabhängig von ihrer Wirkung auf Strahlungsempfänger charakterisieren, sowie Lichtgrößen, die die physiologische Wirkung von Licht charakterisieren und durch die Wirkung auf das menschliche Auge oder andere Empfänger bewertet werden.
Energiemengen.
EnergieflussF e ist ein Wert, der numerisch gleich der Energie ist W Strahlung, die pro Zeiteinheit einen Schnitt senkrecht zur Richtung der Energieübertragung durchläuft
F e = W/ t, Watt (Di).
Der Energiefluss entspricht der Kraft der Energie.
Die von einer realen Quelle in den umgebenden Raum abgestrahlte Energie wird über dessen Oberfläche verteilt.
Energie Leuchtkraft(Glanz) R e ist die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit in alle Richtungen:
R e = F e / S, (Di/m 2),
diese. ist die Oberflächenstrahlungsflussdichte.
Energiekraft des Lichts (Strahlungskraft) ich e wird unter Verwendung des Begriffs einer Punktlichtquelle definiert – einer Quelle, deren Abmessungen im Vergleich zum Abstand zum Beobachtungspunkt vernachlässigt werden können. Energiekraft des Lichts ich e-Wert gleich dem Verhältnis des Strahlungsflusses F e Quelle zu Raumwinkel ω , in dem sich diese Strahlung ausbreitet:
ich e= F e / ω , (Di/Heiraten) - Watt pro Steradiant.
Ein Raumwinkel ist ein Teil des Raums, der von einer Kegelfläche begrenzt wird. Sonderfälle von Raumwinkeln sind Dreikant- und Polyederwinkel. Fester Winkel ω gemessen am Flächenverhältnis S der durch diesen Raumwinkel ausgeschnittene Teil der Kugel, dessen Mittelpunkt der Scheitelpunkt der Kegelfläche ist, zum Quadrat des Kugelradius, d.h. ω = S/r 2. Eine vollständige Kugel bildet einen Raumwinkel gleich 4π Steradiant, d.h. ω = 4π r 2 /r 2 = 4π Heiraten.
Die Lichtintensität der Quelle hängt oft von der Strahlungsrichtung ab. Wenn es nicht auf die Strahlungsrichtung ankommt, wird eine solche Quelle als isotrop bezeichnet. Bei einer isotropen Quelle ist die Lichtstärke
ich e= F e /4π.
Bei einer ausgedehnten Quelle können wir von der Lichtstärke eines Elements ihrer Oberfläche sprechen dS.
Energiehelligkeit (Glanz) BEI e ist ein Wert gleich dem Verhältnis der Energieintensität von Licht Δ ich e-Element der strahlenden Fläche auf den Bereich ∆S Projektionen dieses Elements auf eine Ebene senkrecht zur Beobachtungsrichtung:
BEI e = Δ ich e / ∆ S. [(Di/(sr.m 2)].
Energiebeleuchtung (Bestrahlung) E e charakterisiert den Beleuchtungsgrad der Fläche und ist gleich der Größe des Strahlungsflusses aus allen Richtungen, der auf die Einheit der beleuchteten Fläche ( Di/m 2).
In der Photometrie wird das Abstandsquadratgesetz (Keplersches Gesetz) verwendet: die Beleuchtung einer Ebene aus einer senkrechten Richtung von einer Punktquelle mit einer Kraft ich e in der Ferne r daraus ist gleich:
E e = ich e/ r 2 .
Abweichung des Strahls optischer Strahlung von der Senkrechten zur Oberfläche um einen Winkel α führt zu einer Abnahme der Beleuchtung (Lambertsches Gesetz):
E e = ich e cos α /r 2 .
Eine wichtige Rolle bei der Messung der Energieeigenschaften von Strahlung spielt die zeitliche und spektrale Verteilung ihrer Leistung. Wenn die Dauer der optischen Strahlung kürzer als die Beobachtungszeit ist, wird die Strahlung als gepulst angesehen, und wenn sie länger ist, als kontinuierlich. Quellen können Strahlung verschiedener Wellenlängen aussenden. Daher wird in der Praxis das Konzept des Strahlungsspektrums verwendet - die Verteilung der Strahlungsleistung auf einer Wellenlängenskala λ (oder Frequenzen). Fast alle Quellen strahlen in verschiedenen Teilen des Spektrums unterschiedlich.
Für ein unendlich kleines Intervall von Wellenlängen dλ Der Wert jeder photometrischen Größe kann anhand ihrer spektralen Dichte angegeben werden. Zum Beispiel die spektrale Energiedichte der Leuchtkraft
R eλ = dW/dλ,
wo dW ist die von einer Flächeneinheit pro Zeiteinheit im Wellenlängenbereich abgestrahlte Energie λ Vor λ + dλ.
Leichte Mengen. Bei optischen Messungen werden verschiedene Strahlungsempfänger verwendet, deren spektrale Charakteristika der Empfindlichkeit gegenüber Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich sind. Die spektrale Empfindlichkeit eines optischen Strahlungsfotodetektors ist das Verhältnis des Werts, der den Grad der Reaktion des Empfängers charakterisiert, zum Fluss oder zur Energie der monochromatischen Strahlung, die diese Reaktion verursacht. Unterscheiden Sie zwischen der absoluten spektralen Empfindlichkeit, ausgedrückt in benannten Einheiten (z. B. ABER/Di wenn die Empfängerantwort gemessen wird ABER) und die dimensionslose relative spektrale Empfindlichkeit - das Verhältnis der spektralen Empfindlichkeit bei einer bestimmten Strahlungswellenlänge zum Maximalwert der spektralen Empfindlichkeit oder zur spektralen Empfindlichkeit bei einer bestimmten Wellenlänge.
Die spektrale Empfindlichkeit eines Photodetektors hängt nur von seinen Eigenschaften ab, sie ist für verschiedene Empfänger unterschiedlich. Relative spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges v(λ ) ist in Abb. 5.3.
Das Auge reagiert am empfindlichsten auf Strahlung mit einer Wellenlänge λ =555 nm. Funktion v(λ ) für diese Wellenlänge wird gleich Eins genommen.
Bei gleichem Energiefluss ist die visuell geschätzte Lichtintensität für andere Wellenlängen geringer. Die relative spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges für diese Wellenlängen ist kleiner als Eins. Zum Beispiel bedeutet der Wert der Funktion, dass Licht einer bestimmten Wellenlänge eine doppelt so große Energieflussdichte haben muss wie Licht, damit die visuellen Empfindungen gleich sind.
Das Lichtmengensystem wird unter Berücksichtigung der relativen spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges eingeführt. Daher unterscheiden sich Lichtmessungen, die subjektiv sind, von objektiven Energiemessungen, und für sie werden Lichteinheiten eingeführt, die nur für sichtbares Licht verwendet werden. Die Grundeinheit des Lichts im SI-System ist die Lichtstärke - Candela (CD), die gleich der Lichtintensität in einer bestimmten Richtung einer Quelle ist, die monochromatische Strahlung mit einer Frequenz von 5,4 · 10 · 14 aussendet Hertz, dessen Energieintensität in dieser Richtung 1/683 W/sr beträgt. Alle anderen Lichtmengen werden in Candela ausgedrückt.
Die Definition von Lichteinheiten ist ähnlich wie bei Energieeinheiten. Zur Messung von Lichtmengen werden spezielle Techniken und Geräte verwendet - Photometer.
Lichtfluss . Die Einheit des Lichtstroms ist Lumen (lm). Sie ist gleich dem Lichtstrom, der von einer isotropen Lichtquelle mit einer Potenz von 1 ausgestrahlt wird CD innerhalb eines Raumwinkels von einem Steradiant (bei gleichmäßigem Strahlungsfeld innerhalb des Raumwinkels):
1 lm = 1 CD·eines Heiraten.
Es wurde experimentell festgestellt, dass der Lichtstrom von 1 lm durch Strahlung mit einer Wellenlänge entsteht λ = 555nm entspricht einem Energiefluss von 0,00146 Di. Lichtstrom im 1 lm, gebildet durch Strahlung mit einer anderen Wellenlänge λ , entspricht dem Energiefluss
F e = 0,00146/ v(λ ), Di,
diese. eines lm = 0,00146 Di.
Erleuchtung E- Wert um das Verhältnis des Lichtstroms gewickelt F Einfall auf der Oberfläche, in den Bereich S diese Oberfläche:
E = F/S, Luxus (OK).
1 OK– Flächenbeleuchtung, je 1 m 2 in die der Lichtstrom fällt 1 lm (1OK = 1 lm/m 2). Für Beleuchtungsmessungen werden Geräte verwendet, die den Fluss optischer Strahlung aus allen Richtungen messen - Luxmeter.
Helligkeit R C (Leuchtkraft) einer leuchtenden Fläche in irgendeiner Richtung φ ist eine Größe, die gleich dem Verhältnis der Lichtstärke ist ich in dieser Richtung zum Platz S Projektionen einer leuchtenden Fläche auf eine Ebene senkrecht zu einer gegebenen Richtung:
R C= ich/(S cos φ ), (CD/m 2).
Im Allgemeinen ist die Helligkeit von Lichtquellen für verschiedene Richtungen unterschiedlich. Quellen, deren Helligkeit in alle Richtungen gleich ist, werden als Lambertian oder Kosinus bezeichnet, da der von einem Element der Oberfläche einer solchen Quelle emittierte Lichtstrom proportional zu cosφ ist. Streng genommen erfüllt diese Bedingung nur ein absolut schwarzer Körper.
Jedes Photometer mit einem begrenzten Betrachtungswinkel ist im Wesentlichen ein Leuchtdichtemessgerät. Durch die Messung der spektralen und räumlichen Verteilung von Helligkeit und Beleuchtungsstärke lassen sich alle anderen photometrischen Größen durch Integration berechnen.
Testfragen:
1. Was ist die physikalische Bedeutung des absoluten Indikators?
Brechung des Mediums?
2. Was ist der relative Brechungsindex?
3. Unter welchen Bedingungen wird Totalreflexion beobachtet?
4. Was ist das Funktionsprinzip von Lichtleitern?
5. Was ist das Fermatsche Prinzip?
6. Was ist der Unterschied zwischen Energie- und Lichtmengen in der Photometrie?
