Закон отражения света: кто открыл, формула и математическая запись

Отражение света

Теория Р. Фейнмана

О явлениях отражения и преломления (прохождения) света известно с давних времен, но сущность этих явлений не ясна до сих пор.

Многие ученые пытались и пытаются понять сущность этих явлений. Одни из них пытаются объяснить эти явления, делая упор на волновую составляющую света, а другие на корпускулярное представление света, например, Р. Фейнман. Но и те, и другие оперируют с математическими объектами, поэтому у каждого получается объяснение заведомо не полноценным и никогда не получится полноценным. Если оперировать с сущностью света, то когда-нибудь описание этих явлений может принять достоверный характер.

Задача, пишущего эти строки, взглянуть на явления, описываемые Р. Фейнманом, чуть по-другому. Цитаты из трудов Р. Фейнмана выделены курсивом. В своих лекциях “КЭД – СТРАННАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА И ВЕЩЕСТВА” он пишет:

“Я буду исходить из того, что вы представляете себе свойства света в повседневных обстоятельствах – например, что свет распространяется прямолинейно, преломляется, попадая в воду, что, когда свет отражается от зеркальной поверхности, угол падения равен углу отражения, что свет можно разложить на цвета, что очень красивые цвета видны на луже, когда в нее попадает немного масла, что линза фокусирует свет и т. д. … Я собираюсь объяснить эти явления при помощи квантовой электродинамики”(стр. 17).

“Частичное отражение – это уже непостижимая загадка, и это была очень трудная задача для Ньютона” (стр.19).

Для стекла отражение составляет 4%. 96% света проходит через стекло. Предлагаемые гипотезы частичного отражения не устраивают Фейнмана.

“Одна из теорий, объясняющих частичное отражение от одной поверхности, предполагает, что поверхность состоит, в основном, из “дырок”, которые пропускают свет, и немногих “пятен”, которые отражают свет” (стр. 19).

“Другая возможная теория состоит в том, что фотоны имеют какой-то внутренний механизм – “колесики” и “шестеренки”, которые поворачиваются некоторым образом, – так что когда фотон “нацелен” правильно, он проходит сквозь стекло, а когда неправильно – отражается” (стр. 20).

В общем, делается вывод:

“Сколько бы мы ни старались изобрести разумную теорию, объясняющую, как фотон “решает”, проходить ли ему сквозь стекло или отскакивать назад, предсказать, как будет двигаться данный фотон, невозможно”. “Все, что мы можем предсказать – это то, что из 100 вылетевших фотонов в среднем 4 отразятся от поверхности” (стр. 20). “Природа позволяет нам вычислять только вероятности” (стр. 20).

“Если частичное отражение от одной поверхности – это непостижимая загадка и трудная проблема, то частичное отражение от двух и более поверхностей совершенно ошеломляет”.

Оказывается, что количество отраженных фотонов от двух поверхностей зависит от толщины стекла и периодически меняется от 0 до 16. Как же объяснить это явление, и какие трудности возникают в этом объяснении?

“На протяжении многих лет после Ньютона частичное отражение от двух поверхностей благополучно объяснялось волновой теорией, но когда провели эксперименты, в которых на фотоумножители светили очень слабым светом, волновая теория потерпела крах. По мере того, как свет становился все более тусклым, фотоумножители продолжали издавать полновесные щелчки – только они раздавались все реже. Свет вел себя как частицы” (стр. 23).

Реакция Фейнмана на данное поведение света такое.

“Я не собираюсь объяснять, как фотоны в действительности “решают” вопрос, отскочить ли назад или пройти насквозь. Это неизвестно. (Возможно, вопрос не имеет смысла.) Я только покажу вам, как вычислить правильную вероятность того, что свет отразится от стекла данной толщины, потому что это единственное, что физики умеют делать!” (стр. 24).

И Фейнман при помощи придуманного им графического аппарата показывает, как можно описать измеренное явление. По сути это та же волновая теория, где частоту задают часы, амплитуду векторная сумма неких событий, которым приписывается определенная вероятность.

“Однако я могу гарантировать,…что любое явление, связанное со светом, которое было тщательно изучено, можно объяснить квантовой электродинамикой; хотя я буду описывать только простейшие и самые известные явления” (стр. 36).

Как же эта электродинамика объясняет, что свет должен отразиться от зеркала, и что угол падения равен углу отражения? Фейнман рисует нижеприведенную схему. На ней указаны возможные пути движения фотонов от источника S приемнику P. (Деление зеркала на зоны условное.) Стр. 41.

“…настоящее правило – и то, что на самом деле происходит, – гораздо проще: фотон, попадающий в детектор, имеет почти равные шансы попасть туда любым путем, так что все стрелки будут иметь почти одинаковую длину” (стр. 39).

Действительно после сложения всех стрелочек мы в этом случае получим некоторую результирующую стрелку:

“И обратите внимание – мы получили довольно длинную результирующую стрелку! Квантовая электродинамика предсказывает, что свет, действительно, должен отражаться от зеркала!” (стр. 42).

А из чего мы исходили? Из того что свет отражается от каждой точки зеркала. Если мы полагаем, что свет отражается от его частей, то следует сразу же признать, что свет должен с необходимостью отражаться от зеркала.

То что свет отражается от зеркала ни у кого не вызывает сомнения, но существуют ли объективно пути для фотонов, например, SAP или SLP? Фейнман утверждает, что да, а так ли это? Нет. Это же легко проверяется: уберите зеркало G или перекройте путь SGP и никакого света в точке P не будет. Вероятность фотону попасть в точку P будет нулевой, несмотря на множество предложенных Фейнманом путей. Об этом рассказано в статье Отражение света от одной поверхности. Квантовая точка зрения.

Читайте также:  Комбинированное освещение: описание, разновидности и методы проектирования

Если исходить из устройства кванта, представленного в статьях “Kвант энергии, из чего он состоит” и “Квант энергии, как устроен и как движется” , то можно представить две такие модель отражение света от одной поверхности.

Одна из них такая. Рассмотрим (мысленно) сильно увеличенную поверхность стекла. Мы увидим поверхность, устланную атомами и молекулами, точнее эти самые молекулы и атомы и создают данную поверхность. Эти молекулы и атомы лежат на этой поверхности не ровным слоем. Одни атомы выше некоторого условного уровня, другие ниже. Если вещество аморфно, то разброс превышений одних атомов над другими носит более хаотичный порядок (естественно при условии одинаковой механической обработке вещества), а если вещество кристаллическое, то порядок будет более строгий. При определенной шлифовке или отливке некоторая часть атомов будет находиться, примерно, на одном уровне.

Если мы приблизимся к атому, то увидим ядро и движущиеся вокруг него электроны. Электроны можно представлять в любом виде. Кто пожелает, может представить его в Резерфордовском виде (правда для великих ученых это не допустимо, так как, например, Фейнман полагает, что это 1910 год), а кто считает себя более продвинутым, может представлять электрон в виде некой волны с той или иной вероятностью находящейся в определенной точке. Главное не считать, что эта волна стоит на месте, а верить, что она движется по той или иной траектории вокруг ядра. И движется не хаотично, а по определенной траектории.

Мы знаем, что электрон имеет отрицательный заряд, который создает вокруг себя отрицательное электрическое поле, которое быстро затухает в макромасштабе, но в микромире это рабочая величина. В целом атом нейтрален, но поскольку электроны вокруг ядра, то вблизи орбит электронов существует повышенная напряженность поля. Она не однородна, но в среднем больше, нежели напряженность воздуха или вакуума. Если усреднить эту напряженность, то окажется, что атомы находятся в этом поле.

Электроны тела стекла полностью находятся в этом поле, а электроны поверхностных атомов, частично попадают в зону воздуха или вакуума. Точнее скажем так, электроны атома “А” в нижней точке своей орбиты находятся в поле большей отрицательной напряженности, чем в верхней точке. (Рис.1.)

Но любое изменение скорости электрона приводит электрон в возбужденное состояние . При увеличении скорости он пытается излучить фотон, а при уменьшении скорости пытается поглотить фотон.

Как только электрон на ветви “б” начинает тормозиться, он приобретает свойство поглощать фотоны. Если в это время появится фотон, электрон начнет процедуру поглощения. И тут возможны варианты.

1. Электрон оказывается резонансным данному фотону. В этом случае электрон переходит на другой устойчивый уровень и может находиться в этом положении сколь угодно долго, пока некая сила не будет его тормозить или ускорять. И эта сила как раз появляется на ветви “а”. Она будет противоположная по знаку, и требуемая ее величина будет, аккурат, в симметричной точке на этой ветви. Поглощенный фотон будет излучен и угол падения, и угол отражения будут равны. Если бы этой разгонной силы не было, то фотон бы поглотился и электрон в атоме находился бы на образовавшемся уровне. На втором витке может быть поглощен другой фотон, если позволяют ускорения и появится, именно резонансный фотон. И так до бесконечности.

2. Электрон не может при данных ускорениях приобрести резонансных свойств для данного спектра. В этом случае фотон не может замкнуться в электроне и поэтому электрон не может его удержать. И фотон начинает излучаться. В какой точке орбиты электрон излучит не резонансный фотон сказать трудно, но очевидно, что это ровно такая точка, которая изменяет направление излучения. Дальше фотон движется по нерезонансным электронам согласно гипотезе Гюйгенса, то есть прямо, поглощаясь и излучаясь промежуточными электронами.

В том случае, когда никаких фотонов нет, электрон, возбужденный для поглощения, так и будет в возбужденном состоянии, пока возбуждение не будет снято на противоположной ветви. Цикл будет повторяться все время.

Внутренние электроны находятся в одинаковых условиях, на них не воздействует внешняя пограничная среда, и свет может распространяться только прямо, в направлении, заданном пограничным электроном.

Когда в потоке фотонов некоторые окажутся резонансными для некоторых внутренних электронов, то эти фотоны будут поглощены данными электронами, электроны перейдут на следующие уровни. Световой поток уменьшится. Но ведь фотоны поступают и поступают. Где же брать резонансные электроны, чтобы они поглощали следующие порции фотонов? После того как электрон перешел на следующий уровень он уже не может поглотить такой же фотон, который перевел его на этот уровень, но он может передавать такой фотон. А передача – это возбуждение электрона.

Природа устроена так, что она сразу начинает действовать, а какой получится результат, она не знает. Поглощение фотона требует определенного времени (это и есть, коэффициент преломления). Когда фотон начинает поглощаться, электрон не знает, сможет он его поглотить, то есть резонансный ли для него этот фотон. Он просто поглощает его до конца и если место для фотона в электроне есть, то фотон поглощается и, несмотря на воздействие внешних сил (ядер и электронов), занимает другую орбиту, усиливая или ослабляя ковалентную связь. Если же фотон в процессе поглощения тянет электрон на другую орбиту, но сил мало (то есть он полностью поглотиться, а устойчивый уровень еще пока не достигнут), то внешние силы будут толкать его обратно, заставляя его излучать фотон.

Читайте также:  Искусственное освещение: разновидности по функциональному назначению

По идее эти силы должны бы заставить электрон излучить последний фотон, но они помят, что они были напряжены предыдущим фотоном. Для этих сил последний уровень оказывается менее устойчивый, нежели предыдущий. По этой причине они заставят излучить не только последний, но и предпоследний фотоны. По сути это фотон удвоенной энергии, а для видимого спектра удвоение энергии обозначает переход в инфракрасный диапазон излучения. Излучится фотон, который нашим организмом воспринимается как тепловой. Теперь электрон будет готов к поглощению следующего фотона. Так вещество, нагреваясь, будет поглощать резонансные ему фотоны, уменьшая световой поток. В конце концов, наступает равновесное состояние между поглощением и излучением. Количество резонансных электронов вещества определяет прозрачность вещества.

Возможна и вторая модель отражения света от одной поверхности. В первой модели электрон и фотон были одной поляризации, поэтому электрон обязан был поглощать фотон (так природа устроена) и затем излучать его. Но если электрон и фотон разных поляризаций, то электрон не может по своей природе примерить этот фотон и если он резонансный, то поглотить и перейти на следующий уровень, а в случае не резонансности ретранслировать этот фотон. В этом случае электрон сразу, квант за квантом, отражает данный фотон.

Возвратимся в начало статьи и вспомним о моделях отражения и прохождения света через вещество. Оказывается, что “пятна” это резонансные электроны, а “дырки” это все остальное. В частности, на поверхности стекла резонансных электронов 4%, а в теле стекла их почти нет. Хотя это одни и те же электроны, но в различных условиях. “Колесики” и “шестеренки” – это магнитные и электрические поля фотона. Все немножечко правы. Зря по этому поводу Р. Фейнман впадал в пессимизм.

Отражение света от двух поверхностей. Квантовая точка зрения.

Как же объяснить, что количество отраженных фотонов меняется с толщиной стеклянных пластинок? Выше мы выяснили, что электроны находятся в разной степени погружения и некоторые из них включаются в режим отражения. Это может быть, как на первой поверхности, так и на второй.

Когда пластинка тонкая никакого отражения вообще нет. Приграничное поле выражено слабо, поэтому электроны тормозятся и ускоряются не значительно. С увеличением толщины стекла количество отражаемых фотонов возрастает. При определенной толщине пластины, близкой к длине волны фотона от обеих поверхностей отражается по 4 фотона, то есть 4%. Счетчик зафиксирует 8 фотонов. Как это происходит мы это и попытаемся понять.

Как и в случае отражения от одной плоскости, так и для отражения света от двух поверхностей мы рассмотрим несколько моделей. Может быть среди них не будет ни одной истинной, а может быть какая-нибудь подтвердится.

Предположим, что световая волна представляет поток фотонов по 4 кванта в каждом фотоне, а длительность фотонов и промежутки между ними одинаковы. Рассмотрим фотоны движущиеся параллельно справа налево (Рис. 2.).

В случае 1 выбрана толщина стекла равная половине длины волны излучения . В такой ситуации, когда начало фотона 2 достигает на первой поверхности стекла “прозрачного” электрона (я так условно назвал электрон, который не может поглотить фотон, а только его ретранслирует), то фотон 1 уже успеет отразится от второй поверхности и его начало тоже окажется у “прозрачного” электрона.

И вот тут начинаются чудеса компьютерной техники. При воздействии двух фотонов на электрон происходит процесс их сложения. А поскольку эти фотоны приходят на электрон с противоположных сторон, то это просто вычитание. И никакого выраженного отражения от стекла нет. Об этом рассказано в статье “Опыт Юнга” . Их действия компенсируют друг друга и с электроном ничего не происходит. Грубо говоря, один фотон толкает электрон в одну сторону, а другой в противоположную. Получается, как в математике: 4-4=0 и все исчезло. Но это в математике, а в природе так не случается. Энергия никуда не исчезает. Проще можно сказать, что процессе этого вычитания образовался тепловой фотон и ушел на разогрев стекла.

Но это объяснение типично для науки, а в действительности может произойти скрытие энергии. Все говорят, что ее на много больше, нежели видимой. Такую скрытую энергию называют темной. Об этом рассказано в статьях о кванте.

Вполне возможно, что может возникнуть естественный вопрос: а с какой стати отраженный фотон должен попасть именно на этот самый электрон? Ведь по мнению Фейнмана этот самый фотон может летать где угодно. Да и по мнению Шредингера такое попадание – это вероятностный процесс.

На этот вопрос отвечу вопросом. А почему свет от фонаря на голове у шахтера, отраженный от чего-либо, попадает ему в глаза? Ведь он исходит почти из глаз. Или почему свет (радиоволны) от антенны радиолокационной станции отражается в ту же антенну? Почему?

Читайте также:  Расчет освещения по площади помещения: примеры как найти по формуле и таблице + 2 калькулятора

Если кто задумается над этими вопросами, то может обратится к математическому обоснованию этого явления в виде возврата Ферми-Паста-Улама . Правда там очень сложно понять, как это все соотносится с природой, но возврат действительно существует. Это подтверждается очень простым опытом. Передатчик на Останкинской башне нагружается возвратной энергией от каждого приемника, который соединен напрямую, не через ретранслятор, с передатчиком. Чем больше приемников, тем большей мощностью должен обладать передатчик.

Ну и, наконец, можно просто поверить, что такое возможно, тем более, что оно хоть чуть подтверждено опытами. Ведь многие же верят в дуализм и суперпозицию, а они якобы подтверждаются только опытом Юнга и больше ничем.

Если толщина стекла равна 7/8 длины волны, положение 2, то фотон 1 отразится раньше и один из его квантов пройдет через “прозрачный” электрон, а остальные три прореагируют с тремя квантами фотона 2. Энергия отраженного фотона будет представлена остатком фотона в один квант. Приборы покажут, что интенсивность отраженного потока будет в четыре раза меньше падающего потока.

При толщине стекла равной 1/4 длины волны, положение 3, отраженный поток будет представлен двумя квантами. Еще тоньше стекло, положение 4, отразит три кванта. А первая поверхность может отразить фотон без потерь.

В нашем случае, при таком соотношении длины волны и длины фотона, при толщине стекла большей нежели полуволна фотон 1 и фотон 2 вообще не прореагируют. Но могут прореагировать фотон 1 и фотон 3 или какой-нибудь следующий фотон. В конце концов регулярность наступит, и она зависит от длины волны и длины фотона.

Следует заметить, что под длиной волны понимается не математический смысл с какими-то положительными и отрицательными абстрактными величинами, а реальная организация в периодические порции движения реальных, объективно существующих, порций энергии в виде фотонов. Примерно, как самолеты, заходящие волнами на бомбежку.

Если эта модель верна, то она указывает на возможность производства фотонов требуемой энергии, а это прямой путь к построению квантового компьютера. А со стрелочками Фейнмана далеко не поедешь.

Формула и доказательство закона отражения света

Природа света отбиваться от различных поверхностей была интересна ещё в далёком прошлом. В своё время ей занимались такие философы, как Архимед, Галилей. Но первое теоретическое обоснование поведения луча встречается только в XVII веке в работах Пьера Ферми. Пожалуй, одним из интереснейших и полезных эффектов для человечества является закон отражения света. Формула закона довольно проста и легко подтверждается на практике.

  1. Общие сведения
  2. Закономерность отражения
  3. Зеркальное изображение
  4. Принцип Гюйгенса

Общие сведения

При построении храма Зевса в Олимпии древнегреческому скульптору Фидию была заказана статуя высота, которой составляла порядка 14 метров. В те времена об электричестве ещё даже не подозревали, поэтому освещение в храме выполнялось естественным путём или при помощи факелов. Для того чтобы осветить статую Зевса Фидий придумал перед ней вырыть бассейн, заполнив его оливковым маслом. Лучи света, проникающие из верхних ниш храма, попадали на поверхность жидкости и отражаясь освещали скульптуру.

Изучением природы света и его правилами распространения занимается специальный раздел физики — оптика. Существует такое явление, как теплопередача. Это изменение энергии тела без осуществления работы. Характеризуется оно теплопроводностью, конвекцией и излучением. При увеличении температуры можно заметить, что тела начинают светиться. При этом чем она выше, тем ярче происходит излучение. Другими словами, возрастает перенос энергии. Как оказалось, важную роль в этом играет свет.

Доказать это утверждение довольно легко. Для этого можно взять надутый воздушный шарик и направить на него луч лазера (светового источника). В результате резина расплавится, и шар лопнет. Таким образом, можно сформулировать определение для света. Звучит оно так: это вид излучения, который может восприниматься человеческим глазом. Отличаются же световые лучи от тепловых только количественно. Поэтому свет может распространяться и в абсолютной пустоте.

Существует множество источников видимого излучения. Например, Луна, Солнце, Галактика, Полярное сияние, светлячок, огонь. В зависимости от их происхождения источники разделяют на естественные и искусственные. Распространяется свет с помощью пучка, представляющего собой поток энергии.

Его траектория движения — прямая линия. Но это утверждение справедливо для однородной среды. Если же световой пучок попадает на границу раздела двух поверхностей с ним может произойти три явления:

  • отражение;
  • преломление;
  • поглощение.

При этом, как оказалось, свет обладает дуализмом. При распространении он может вести себя как волна и как частица. Таким образом, одни оптические явления описываются с помощью корпускулярной теории, а другие — волновой. За частицу же света приняли фотон, представляющий квант электромагнитного излучения.

Закономерность отражения

Отражение света от различных поверхностей было подмечено людьми довольно давно. Существует история о том, что Архимед смог, используя явление защитить свой город при нападении римского флота. При помощи медных начищенных щитов он направлял лучи света на локальные места кораблей, тем самым вызывая их воспламенение. В наше время был проведён опыт для проверки легенды. На расстоянии около 30 метров расположили макет корабля и с помощью зеркал лучи свели в одну точку. Судно загорелось.

Читайте также:  Поляризованный свет: описание явления, примеры, формулы и разновидности

Под отражающей поверхностью понимают среду, которая не пропускает в себя свет, а полностью отбивает его. На самом деле реально существующих таких тел нет. Но поглощённая и преломлённая энергия их настолько ничтожна, что ей можно пренебречь. Как оказалось, отбивание луча от поверхности происходит не хаотично, а подчиняется строгому закону. Его формулировка звучит так: угол падения равен углу отражения.

Другими словами, если изобразить графически на плоскости падающий и отражённый пучок в виде прямой линии, то место в котором происходит изменение пути распространения можно представить, как точку. Через неё можно провести перпендикуляр. Так вот, угол падения (a), построенный между перпендикуляром и падающим лучом, равен отражению, углу (b) между прямой линией и отбитым от поверхности пучком: ∠a = ∠ b.

Явление может быть двух видов:

  • зеркальным — при падении света все отражённые лучи сохраняют свойство параллельности по отношению друг к другу;
  • диффузным — после падения светового пучка траектория распространения перестаёт быть параллельной, то есть лучи отражаются в разные стороны.

Второе явление связано с неровностями поверхностного слоя вещества. Если его рассмотреть под микроскопом, то можно увидеть множество бугорков — шероховатостей. Именно поэтому одни тела являются матовыми, а другие блестящими (зеркальными).

Следует отметить, что полное описание явления отражения света звучит так: перпендикуляр, падающий луч и отражённый к поверхности проведённой через точку падения лежат в одной плоскости. Причём это утверждение справедливо как для первого, так и второго явления.

Зеркальное изображение

Для получения рисунка в плоском зеркале нужно рассмотреть, как происходит отражение от светящейся точки. От неё во все стороны расходится свет. Получить изображение предмета в зеркале можно с помощью двух лучей. Один — падает на поверхность произвольно, а другой — перпендикулярно. Чтобы построить путь первого нужно нарисовать линию под углом 90 0 к точке отражения поверхности, а затем провести луч согласно закону распространения. Во втором же случае световой поток будет идти по траектории падения, но в обратную сторону.

Как оказалось, изображение предмета возможно видеть из-за пересечения отражённых лучей. При рассматриваемом распространении в видимой части пути линии света не пересекаются. Для того же чтобы их найти нужно продолжить их путь за поверхностью зеркала. Точку, в которой они пересекутся можно обозначить как S1. Она представляет собой не настоящее изображение, а продолжение световых лучей. Такую картину в оптике называют мнимой.

Плоское зеркало даёт мнимое изображение. Чтобы его увидеть нужно смотреть вдоль перпендикуляра построенного к точке отражения. Причём расстояния от источника до зеркала, будет равно длине от него к точке S1. Это является главной особенностью изображения зеркальной поверхности.

Но реалистичные изображения чаще всего протяжённые. Например, пусть есть предмет длиной AB. Чтобы построить его отражение, нужно отдельно нарисовать распространение лучей для его начальной и конечной точек. В результате получится два мнимых места: A1 и B1. Поcле их соединения получится линия, повторяющая изображение предмета в плоском зеркале, где AB — это предмет, а A1B1 — его отражение.

Что интересно, изображение предмета в плоском зеркале, такое же по размеру, как и предмет. При этом оно прямое, а не перевёрнутое. Расстояния же от поверхности как в одну, так и другую сторону одинаковые. Итак, можно выделить свойства изображения предмета в плоском зеркале. Они будут заключаться в следующем:

  • мнимое;
  • совпадать по размеру;
  • прямое;
  • находится на равноудалённом расстоянии от поверхности при сравнении с реальным телом.

Получается, что на самом деле отражение и сам предмет — это разные изображения. Но из-за того, что они одинаковые по размеру и прямые оно воспринимается как реальное. Эти эффекты отражения часто используются в быту. Например, с их помощью можно визуально увеличивать помещение.

Принцип Гюйгенса

Согласно принципу учёного, каждая точка среды, до которой дошла волна сама становится источником вторичных отражений. Открыть закономерность физику позволили следующие рассуждения. Пусть имеется прибор, который создаёт волну, при этом её передний фронт дошёл до какого-либо места. Можно предположить, что каждая точка излучения будет источником вторичных колебаний. Эти волны сферические. Такая ситуация соответствует моменту времени t0.

Через Δt волна пройдёт расстояние Δt * с. Каждый из источников вторичных волн создаёт свою сферическую вону. Кратко говоря Гюйгенс предложил взять огибающую фронтов, которая и будет новым положение распространения света и соответствовать времени: t = Δt + t0. Эту процедуру можно продолжать для любого момента.

Именно Гюйгенс стал тем, чей принцип помог доказать справедливость закона отражения. Пусть есть горизонтальная плоская поверхность, на которую падает волна. Её ширина определяется первым и вторым граничным лучом. Место встречи их с поверхностью соответственно можно обозначить точками A и B. Волновой фронт перпендикулярен лучам. Распространяется он со скоростью волны к отражающей поверхности. В определённое время фронт касается поверхности в точке A. Противолежащая точка его соприкосновения пусть будет C.

Как только, волновой фронт коснулся A она превращается в источник сферических волн. Они перестанут исходить лишь в том случае, когда C также достигнет поверхности. Можно записать, что Δt = CB / c. Получается, что можно построить огибающую сферических волн множества точек, ставших вторичными источниками. Перпендикуляр к отражённому фронту будет являться отражённым лучом. Фактически получились два треугольника ABC и ABD.

Читайте также:  Что такое люмен: в светодиодных лампах и лампах накаливания, способы перевода в Ватт

Они оба прямоугольные при этом у них есть общая сторона AB. AD же расстояние, которое можно найти как произведение скорости распространения волн ни изменение времени, то есть: AD = CB. По теореме равенства треугольники равные, значит, и углы у них одинаковые. Следовательно наклон падения равен отражению. Такое доказательство часто показывают в средней школе при обучении оптике в старших классов. Оно простое к пониманию и легко читается, так как не использует формулы и сложные термины.

Светотехнические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость

1. Световой поток

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

где: Qе – энергия излучения.

Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.

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

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

где: Фλ — монохроматический поток излучения; Фе – поток излучения.

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

где: λ — длина волны.

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

Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.

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

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

Таблица 1. Типичные световые величины источников света:

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

Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей

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

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

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

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

Единицей силы света является кандела. 1 кд.

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

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

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

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом – 100 000 люкс

Читайте также:  Коэффициент пульсации освещенности: определение норм и способы снижения

Уличное освещение – 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь – 0,25 люкс

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

Закон обратных квадратов

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

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

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

Это закон косинуса (рисунок 1.).

Рис. 1. К закону косинуса

5. Горизонтальная освещенность

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

Что известно о силе света и формула ее расчета

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

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

Общие сведения о понятии

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

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

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

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

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

Свечение одной свечи

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

Диаграмма фотометрического параметра

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

Четыре важнейших световых характеристики

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

Диаграмма для силы света

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

Обозначение параметра в СИ

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

Обратите внимание! Через канделу можно определить остальные фотометрические единицы.

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

Читайте также:  Скорость света в вакууме: приблизительное значение и где она используется

Формула светового потока

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

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

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

Формула для силы света

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

Дополнительные варианты расчета

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

Вторая формула для расчета

Эта формула позволит оценить нужную величину в различных направлениях.

Заключение

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

Что представляет собой световой поток и в чем он измеряется?

Вопрос, в чем измеряется световой поток, стал иметь значение для пользователей осветительных приборов только тогда, когда появились виды ламп, яркость которых не равнялась потребляемой мощности, измеряемой в ваттах.

Разберемся, как связано понятие яркости с понятием освещенности, а также как можно представить распределение потока света по помещению и правильно выбрать подходящий осветительный прибор.

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.

Единица измерения светового потока

1 люмен – это свет, излучаемый источником с силой света в 1 канделу в пределах телесного угла в 1 стерадиан. 100-ваттная лампа накаливания создает поток света, примерно равный 1000 люменов. Чем ярче источник света, тем больше люменов он излучает.

Кроме люменов есть другие единицы измерения, позволяющие охарактеризовать свет. Можно измерить пространственную и поверхностную плотность потока – так мы узнаем силу света и освещенность. Сила света измеряется в канделах, освещенность – в люксах. Но для потребителя важнее разобраться, в каких единицах указывают яркость лампочек и прочих осветительных приборов при продаже. Некоторые производители сообщают количество люменов, деленных на ватт. Так измеряется световая эффективность (светоотдача): сколько света лампа выдает, затратив 1 ватт.

Определяющие формулы

Поскольку любой источник света излучает его неравномерно, число люменов не дает полной характеристики осветительного прибора. Вычислить силу света в канделах можно, разделив его поток, выраженный в люменах, на телесный угол, измеряемый в стерадианах. Используя эту формулу, удастся учесть совокупность лучей, идущих от источника, когда они пересекают поверхность воображаемой сферы, образуя на ней круг.

Читайте также:  Нормы освещенности (таблицы): для производственных, административных и вспомогательных помещений

Но возникает вопрос, что дает на практике число кандел, которое мы найдем; найти подходящий светодиод или фонарь только по параметру силы света невозможно, нужно учитывать еще соотношение угла рассеивания, зависящего от конструкции прибора. Выбирая лампы, равномерно светящие во все стороны, важно понять, подходят ли они для целей покупателя.

Если раньше лампочки в разные помещения подбирали, ориентируясь на количество ватт, то перед покупкой светодиодных ламп придется посчитать их суммарную яркость в люменах, а потом разделить эту цифру на площадь комнаты. Так вычисляется освещенность, которая измеряется в люксах: 1 люкс – это 1 люмен на 1 м². Существуют нормы освещенности для помещений разного назначения.

Измерение светового потока

Перед тем как выпустить продукцию на рынок, производитель делает в лабораторных условиях определение и измерение характеристик осветительного прибора. В домашних условиях, не имея специальных приборов, это сделать нереально. Но проверить цифры, указанные производителем, можно с помощью вышеприведенных формул, воспользовавшись компактным люксметром.

Сложность точного измерения параметров света заключается в том, что он исходит во всех возможных направлениях распространения. Поэтому лаборатории используют сферы с внутренней поверхностью, которая имеет высокий коэффициент отражения – сферические фотометры; применяют их и для измерения динамического диапазона фотоаппаратов, т.е. светочувствительности их матриц.

В быту больше смысла имеет измерять такие важные параметры света, как освещенность помещений и коэффициент пульсации. Высокий коэффициент пульсации и тусклое освещение заставляют людей чрезмерно напрягать глаза, что быстрее вызывает усталость.

Коэффициент пульсации потока света – это показатель, характеризующий степень его неравномерности. Допустимые уровни этих коэффициентов регулируются СанПиН.

Не всегда можно заметить невооруженным глазом, что лампочка мерцает. Тем не менее даже незначительное превышение коэффициента пульсации влияет на центральную нервную систему человека негативно, а также уменьшает работоспособность. Свет, который может неравномерно пульсировать, излучают все экраны: мониторы компьютеров и ноутбуков, дисплеи планшетов и мобильных телефонов, экран телевизора. Пульсацию измеряют люксметром-пульсметром.

Что такое кандела?

Еще одной важной характеристикой источника света является кандела, входящая в 7 величин Международной системы единиц (СИ), принятых Генеральной конференцией по мерам и весам. Изначально 1 кандела равнялась излучению 1 свечи, принятой за эталон. Отсюда и возникло название этой единицы измерения. Сейчас ее определяют по специальной формуле.

Кандела – это сила света, измеряемая исключительно в заданном направлении. Распространение лучей на часть сферы, очерченную телесным углом, позволяет вычислить величину, равную отношению светового потока к этому углу. В отличие от люменов эта величина используется для определения интенсивности лучей. При этом не учитывается бесполезный, рассеянный свет.

У карманного фонаря и потолочного светильника световой конус будет разным, так как лучи падают под разным углом. Канделы (точнее, милликанделы) используют для обозначения силы света источников с направленным свечением: индикаторных светодиодов, карманных фонариков.

Люмены и люксы

В люменах измеряется величина потока света, это характеристика его источника. То количество лучей, которое добралось до какой-либо поверхности (отражающей или поглощающей), уже будет зависеть от расстояния между источником и этой поверхностью.

Уровень освещенности измеряется в люксах (лк) специальным прибором – люксметром. Самый простой люксметр состоит из селенового фотоэлемента, преобразующего свет в энергию электрического тока, и стрелочного микроамперметра, измеряющего этот ток.

Спектральная чувствительность селенового фотоэлемента отличается от чувствительности человеческого глаза, поэтому в разных условиях приходится использовать поправочные коэффициенты. Самые простые люксметры предназначены для измерения какого-то одного типа освещенности, например, дневного света. Без использования коэффициентов погрешность может составлять более 10%.

Люксметры высокого класса оснащаются светофильтрами, специальными насадками сферической или цилиндрической формы (для измерения пространственной освещенности), приспособлениями для измерения яркости и контрольной проверки чувствительности прибора. Их уровень погрешности – около 1%.

Плохая освещенность помещений способствует развитию близорукости, плохо сказывается на работоспособности, вызывает усталость, снижение настроения.

Минимальная освещенность поверхности компьютерного стола по СанПиН – 400 люкс. Школьные парты должны иметь освещенность не менее 500 люкс.

Люмен и ватт

Энергосберегающие лампы при той же светоотдаче потребляют в 5-6 раз меньше электрической энергии, чем лампы накаливания. Светодиодные – в 10-12 раз меньше. Мощность светового потока уже не зависит от количества ватт. Но производители всегда указывают ватты, так как использование слишком мощных лампочек в не предназначенных для такой нагрузки патронах приводит к порче электроприборов или короткому замыканию.

Если расположить самые распространенные виды лампочек в порядке возрастания светоотдачи, можно получить такой список:

  1. Лампа накаливания – 10 люмен/ватт.
  2. Галогенная – 20 люмен/ватт.
  3. Ртутная – 60 люмен/ватт.
  4. Энергосберегающая – 65 люмен/ватт.
  5. Компактная люминесцентная лампа – 80 люмен/ватт.
  6. Металлогалогенная – 90 люмен/ватт.
  7. Светодиодная (LED) – 120 люмен/ватт.

Но большинство людей привыкли при покупке лампочек смотреть на количество ватт, указанное производителем. Чтобы подсчитать, сколько нужно ватт на квадратный метр, сначала стоит определиться, насколько ярким должен быть свет в помещении. 20 ватт лампы накаливания на 1 м² – такое освещение подойдет для рабочего места или гостиной; для спальни будет достаточно 10-12 ватт на 1 м². При покупке энергосберегающих ламп эти цифры делят на 5. Важно учесть и высоту потолка: если он выше 3 м, общее количество ватт следует умножить на 1,5.

Читайте также:  Естественное освещение (виды, системы и нормы)

Что такое сила света: что важно знать об этом явлении

Как у любого физического явления, есть свои характеристики у света. И фонарик, и большой прожектор создают световой поток. Сила света — это термин, который часто встречается во многих источниках, описывающих освещение.

Что это такое

Интенсивность света — это показатель, который отображает объем световой направленной энергии в единицу времени. От силы света зависит мощность любого осветительного прибора. Но можно объяснить данное понятие и более простым языком.

Данный показатель означает, сколько света излучает источник. Однако большинство населения называет это свойство осветительных приборов яркостью. Ученые сразу скажут, что подобные названия не равноценны. Чтобы понять разницу между этими терминами, достаточно провести небольшой эксперимент.

Если взять 2 одинаковые лампы накаливания и поместить одну из них в прожектор с малым углом рассеивания, а другую включить без прожектора, то для наблюдающего за экспериментом человека более ярким будет казаться свет прожектора, хотя в действительности поток, исходящий от обоих источников будет одинаковым. Чувствительность человеческих глаз к свету зависит от длины волны данного потока.

Как и в чем измеряется

Единица светового потока обозначается 1 люмен (лм или lm), при этом 1 люмен приравнивается к световому потоку с силой в 1 канделу, излучаемую в 1 стерадиан. Яркость освещения исчисляется в кд/м².

В отличие от привычного плоского угла из геометрии, этот угол является объемным и графически будет передаваться в виде конуса. Хотя специалисты считают такое сравнение не совсем корректным.

Лампа накаливания в 100 В имеет силу светового потока в 1380 лм, а люминесцентная лампа ЛБ 40 В – 2800 лм.

  1. Яркость люминесцентных ламп находится в промежутке от 5000 до 15000 кд/м².
  2. Яркость поверхности солнца имеет значение 2000000000 кд/м².

Знать, какой поток создает осветительный прибор, необходимо для того, чтобы правильно организовать освещение в помещении. Но часто производители не указывают данный параметр на упаковках даже ламп накаливания. Силу потока можно соотнести с мощностью осветительного прибора. Существуют специальные таблицы, где прослеживается такая зависимость. Данные в ней получены путем измерений.

Наиболее интенсивный поток света создают диодные лампы при относительно небольшой мощности. Так, светильник мощностью в 16 Вт создает поток в 1400 лм. На практике это будет означать, что данные осветители будут светить ярче.

Существует величина, которая тоже описывает освещение, – светимость. Данный показатель характеризует плотность потока, который испускает светящаяся поверхность. Измеряется светимость в Вт/м².

Полезное видео по теме:

Плотность и мощность светового потока

Физической величиной, выражающей поток, является количество мощности, падающей на поверхность. Эта величина не зависит от телесного угла. Данная характеристика учитывается при сравнении разных источников света при заданной величине мощности.

При упоминании мощности света следует учитывать, что это не мощность, которая потребляется лампочкой при работе. В этом случае под мощностью подразумевается излучение света.

Что еще важно знать

Световой поток может изменяться в зависимости от того, в какой плоскости разместить осветительный прибор. Например, расположенная на потолке лампа в люстре будет испускать поток освещения в неизменном виде в границах, определяемых плафоном. В других направлениях свет будет рассеиваться равномерно.

Также при организации освещения в помещениях следует обязательно учитывать цвет стен. Поток, отражаемый от светлых стен, будет более мощным, чем при отражении от темных поверхностей.

При правильном подходе к организации освещения можно уменьшить расходы на электричество. Достаточно лампу в 100 Вт заменить на люминесцентную в 30 Вт. Большая экономия будет наблюдаться, если для освещения использовать светодиодную лампочку в 12 Вт. При этом уровень освещенности в комнате будет примерно одинаковым.

Например, имеется помещение под гостиную с площадью в 14,5 м². Подсчитаем, какие источники света понадобятся для ее освещения.

Для данного помещения общий световой поток должен рассчитываться по формуле: 15,5 м² x 150 лк = 2325 лм. Потом подбираются светильники и лампы, исходя из этого параметра. Высчитывается необходимое их количество. Если покупаются лампы в 550 лм, потребуется 5 подобных ламп для нормального освещения помещения.

При замене простой лампочки необходимо помнить, что ватты и люмены – это разные величины. Покупая лампочку, в первую очередь необходимо обращать внимание на ее яркость и лишь потом на мощность. Если на лампочке нет необходимой маркировки, надо найти освещенность в специальной таблице (например, в Интернете).

При установке источников света в квартире или доме необходимо учитывать и конструкции светильников. Яркость свечения может изменяться со временем. Чем дольше служит лампа, тем больше яркости она теряет. У лампы накаливания исчезает до 15% потока. У люминесцентной лампы эти потери в 2 раза выше. Меньше всего яркости теряет светодиодная лампа – около 10%.

Рекомендуем посмотреть видео по теме:

В заключение

При реконструкции освещения соответствующие расчеты заказывают у специалистов. Если не сделать все правильно сразу, то в дальнейшем это будет чревато дополнительными финансовыми потерями.

Для того, чтобы правильно рассчитать расположение источников света и выбрать необходимый тип ламп, используют специальные программы.

Сила света, световой поток, освещенность — 3 характеристики ламп простыми словами.

Любой кто начинает изучать характеристики светильников и отдельных видов ламп, обязательно сталкивается с такими понятиями как освещенность, световой поток и сила света. Что они означают и чем отличаются друг от друга?

Читайте также:  Скорость света в вакууме: приблизительное значение и где она используется

Давайте попробуем простыми, понятными для всех словами, разобраться в этих величинах. Как они связаны между собой, их единицы измерения и каким образом все это дело можно замерить без специальных приборов.

В старые добрые времена, основным параметром по которому выбирали лампочку в прихожую, на кухню, в зал, была ее мощность. Никто никогда и не задумывался спрашивать в магазине про какие-то люмены или канделы.

Сегодня с бурным развитием светодиодов и других видов ламп, поход в магазин за новыми экземплярами сопровождается кучей вопросов не только по цене, но и по их характеристикам. Одним из наиболее важных параметров является световой поток.

Говоря простыми словами, световой поток – это количество света, которое дает светильник.

Однако не путайте световой поток светодиодов по отдельности, со световым потоком светильников в сборе. Они могут существенно отличаться.

Надо понимать, что световой поток это всего лишь одна из множества характеристик источника света. Причем его величина зависит:

    от мощности источника

Вот таблица этой зависимости для светодиодных светильников:

А это таблицы их сравнения с другими видами ламп накаливания, люминесцентных, ДРЛ, ДНаТ:

Однако есть здесь и нюансы. Светодиодные технологии до сих пор еще развиваются и вполне возможен вариант, когда светодиодные лампочки одинаковой мощности, но разных производителей, будут иметь абсолютно разные световые потоки.

Просто некоторые из них ушли более вперед, и научились снимать с одного ватта больше люмен, чем другие.

Кто-то спросит, для чего нужны все эти таблицы? Для того, чтобы вас тупо не обманывали продавцы и производители.

На коробочке красиво напишут:

    мощность 9Вт
    светопоток 1000Лм
    аналог лампы накаливания 100Вт

Но с такой мощностью вам и близко не будет хватать прежнего света. Начнете ругаться на светодиоды и технологии их несовершенства. А дело то оказывается в недобросовестном производителе и его товаре.

    от эффективности

То есть, насколько эффективно тот или иной источник преобразует электрическую энергию в световую. Например, обычная лампа накаливания имеет отдачу 15 Лм/Вт, а натриевая лампа высокого давления уже 150 Лм/Вт.

Получается, что это в 10 раз более эффективный источник, чем простая лампочка. При одной и той же мощности, вы имеете в 10 раз больше света!

Измеряется световой поток в Люменах – Лм.

Что такое 1 Люмен? Днем при нормальном свете, наши глаза больше всего чувствительны к зеленному цвету. К примеру, если взять два светильника с одинаковой мощностью синего и зеленого цвета, то для всех нас более ярким покажется именно зеленый.

Длина волны зеленого цвета равна 555 Нм. Такое излучение называется монохроматическим, потому что содержит в себе очень узкий диапазон.

Конечно, в реалии зеленый дополняется и другими цветами, чтобы в итоге можно было получить белый.

Но так как чувствительность человеческого глаза максимальна именно к зелени, то и люмены привязали к нему.

Так вот, световой поток в один люмен, как раз таки и соответствует источнику, который излучает свет с длиной волны 555 Нм. При этом мощность такого источника равняется 1/683 Вт.

Почему именно 1/683, а не 1 Вт для ровного счета? Величина 1/683 Вт возникла исторически. Изначально, основным источником света была обычная свечка, и излучение всех новых ламп и светильников как раз таки и сравнивались со светом от свечи.

В настоящее время эта величина 1/683 узаконена многими международными соглашениями и принята повсеместно.

Это напрямую влияет на зрение человека.

При этом многие путают единицы измерения Люмены с Люксами. Запомните, в люксах измеряется именно освещенность.

Как наглядно объяснить их разницу? Представьте себе давление и силу. С помощью всего лишь маленькой иголки и небольшой силы, можно создать высокое удельное давление в отдельно взятой точке.

Также и с помощью слабого светового потока, можно создать высокую освещенность в отдельно взятом участке поверхности.

На поверхности этого стола должна быть определенная норма освещенности, чтобы вы могли комфортно работать. Первоисточником для норм освещенности служат требования сводов правил СП 52.13330

Для обычного рабочего места это 350 Люкс. Для места, где производятся точные мелкие работы – 500 Лк.

Данная освещенность будет зависеть от множества параметров. К примеру, от расстояния до источника света.

От посторонних предметов рядом. Если стол находится около белой стены, то и люксов соответственно будет больше, чем от темной. Отражение обязательно скажется на общем итоге.

Любую освещенность можно замерить. Если у вас нет специальных люксометров, воспользуйтесь программами в современных смартфонах.

Правда заранее приготовьтесь к погрешностям. Но для того, чтобы сделать навскидку первоначальный анализ, телефон вполне сгодится.

А как узнать примерный светопоток в люменах, вообще без измерительных приборов? Здесь можно воспользоваться значениями светоотдачи и их пропорциональной зависимости к потоку.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: