Измерение интенсивности света — описание и значение

Что такое люмен?

Светодиод излучает свет при прохождении через него электрического тока. Мощность (P, измеряется в ваттах), потребляемая светодиодом, равна произведению силы тока (I, измеряется в амперах) на падение напряжения (U, разность потенциалов между выводами светодиода, измеряется в вольтах). Формула для расчета мощности светодиода: P=I*U. Например, если через светодиод протекает ток, равный 0,1 А, а падение напряжения составляет 3 В, то мощность равна 3В*0,1А=0,3Вт.

Для измерения мощности светового потока также можно использовать ватты, но результат такого измерения не дает наглядной картины. Дело в том, что глаз проявляет разную чувствительность к световому излучению разных длин волн. При одинаковой мощности зеленый свет будет казаться ярче, чем темно-красный или фиолетовый. Для измерения световой мощности используется другая единица – люмен (Лм). Чтобы перевести люмены в ватты, используются специальные таблицы для различных видов ламп.

Люмен определяется как сила света определенного эталонного источника. В качестве эталонного источника взят белый свет, примерно соответствующий дневному, максимальной спектральной интенсивности длиной волны 555 нм при силе светового потока 683 люмена.

Мощность такого источника излучения составляет 1 Вт. Если условно принять, что вся электроэнергия на 100% преобразуется в свет (идеальные условия), то эффективность излучения составит примерно 680 Лм/Вт.

Что такое свет в физике

Споры вокруг того, что же такое свет, шли в физике и научной среде многие века. Различные деятели выдвигали самые разные теории, что представляет собой данное явление природы, но никак не могли сойтись в едином мнении. Теории появлялись, как грибы после дождя, то опровергая, то дополняя друг друга. 

Был создан целый раздел физики – оптика, задача которого стояла в изучении рассматриваемого явления.

К изучению природы света приложили свои талантливые руки все видные деятели науки, начиная с 17 века. Такие европейские светила, как Декарт, Гук, Юнг, Ньютон, Гейгенс, Ампер и многие другие предпринимали многие попытки понять, чем является видимое нам излучение: волной или же потоком частиц. 

Именно это противоречие, к которому приводили опыты, ставило исследователей в тупик. Ученым была никак не понятна сочетаемость: как в одном эксперименте явление может вести себя, как поток частиц, а в другом – как электромагнитное излучение.

На сегодня данный вопрос в известной степени решен. Все новые знания позволили вникнуть в суть вещей более глубоко. Корпускулярную и волновую теорию позже дополнила электромагнитная, далее специальная теория относительности Эйнштейна, позже квантовая теория и, наконец, квантовая электродинамика.

Общие сведения

Каждому человеку жизненно необходим качественный по всем физическим показателям свет. Световая отдача, яркость и интенсивность светового потока как в естественных, так и в искусственных условиях требуют непременного планирования, организации и последующего контроля имеющихся показателей перечисленных критериев. Любой, используемый нами источник света, представлен предметом, излучающим его по отношению к поверхности освещаемого объекта. Чем больше световых волн попадает на площадь данной поверхности, тем отчетливее и лучше виден рассматриваемый предмет. Именно эта величина именуется в физике освещенностью или интенсивностью света.

Конкретный вид распределения интенсивности световых волн в пространстве, куда они непосредственно падают, называется интерференцией

Физические свойства светового потока влияют на здоровье глаз, нервной системы и других жизненно важных органов человека, поэтому к обустройству жилого, учебного и рабочего помещения важно подходить с особой тщательностью

Свет, как физический фактор, имеет немало изученных специалистами характеристик, каждая из которых обладает своими единицами измерения. Перечислим основные из них:

• Сила света — параметр энергии, распространяемой за отдельный промежуток времени в определенном направлении. Единица измерения — канделы (Кд).
• Освещенность — демонстрирует отношение потока света к поверхности, на которую он падает. Единица измерения — люксы (Лк).
• Светоотдача — отражает отношение света и мощности осветительных устройств, которые его излучают. Единица измерения — люмены (Лм).

Таким образом, в оптике существует несколько важных физических факторов — светоотдача, яркость, сила и интенсивность, которые важно учитывать при приобретении специализированных осветительных устройств и аксессуаров к ним, последующем планировании и оборудовании ими помещения. Большинству рядовых покупателей разобраться в этих нюансах довольно сложно

Наиболее информативными являются единицы измерения, указанные производителем на упаковке товара — Лм/Вт, Кд, Лк и пр. Предлагаем узнать, в чем измеряется интенсивность света далее.

Интенсивность электромагнитного излучения

Основная статья: Вектор Пойнтинга

Электромагнитное излучение (например, свет) представляет собой совокупность волн, колебания в которых совершают напряжённость электрического поля и магнитная индукция. Электромагнитные волны переносят энергию электромагнитного поля, поток которой определяется величиной вектора Пойнтинга. Интенсивность электромагнитного излучения равна усреднённому за период значению модуля вектора Пойнтинга:

I(t) = \frac{1}{T}\int\limits_t^{t+T}\left|\vec S(t)\right|dt,

где вектор Пойнтинга \vec S(t)=\frac{c}{4\pi}\left, (в системе СГС), E — напряжённость электрического поля, а B — магнитная индукция.

Для монохроматической линейно поляризованной волны с амплитудой напряжённости электрического поля E_0 интенсивность равна:

I = \frac{\epsilon_0cE_0^2}{8\pi}.

Для монохроматической циркулярно поляризованной волны это значение в два раза больше:

I = \frac{\epsilon_0cE_0^2}{4\pi}.

Нужно ли, на самом деле, измерять степень освещенности и что такое единица измерения света?

Ученые доказали, что тусклый или, наоборот, слишком яркий свет разрушают сетчатку человеческого глаза, из-за чего ухудшается острота зрения. Из-за разрушения сетчатки скорость и качество функционирования мозга снижаются. Недостаточное количество яркости увеличивает в людях сонливость, понижает работоспособность и ухудшает настроение

Следует учесть, что мы не берем во внимание ситуации, в которых тусклое свечение украшает обстановку: романтическое свидание, просмотр фильма и так далее. Насыщенный световой поток прибавляет сил, энергии, желания работать, тем самым быстрее утомляя человека

Единица измерения света установлена СанПиНом называют санитарные правила и нормы — данные, на которые нужно равняться при измерении освещенности. Замеры делаются для определения не только степени освещенности, но и уровня шума, пыли, загрязненности, вибрации. По мнению докторов, постоянный недостаток света на рабочем месте приводит к переутомлению сотрудников, ухудшению зрения и концентрации внимания. Рабочие становятся менее трудоспособными, что может вылиться в несчастный случай по невнимательности или другим причинам.

Помимо людей, от недостаточной освещенности страдают и другие живые организмы: растения, животные. Для быстрого развития и плодородного цветения растениям обязательно нужен мощный поток света. У животных из-за некачественного освещения могут появиться нарушения в росте и развитии, репродуктивной функции, наборе массы тела и может снизиться активность существа.

Определение и формула длины волн

Волна – это возмущение, распространяющееся от точки, в которой она возникла, в окружающую среду. Такое возмущение переносит энергию без чистого переноса вещества. 

Длина представляет собой фактическое расстояние, пройденное волной, которое не всегда совпадает с расстоянием среды, или частиц, в которых распространяется волна. Ее также определяют как пространственный период волнового процесса.

Греческая буква “λ” (лямбда) в физике используется для обозначения длины в уравнениях. Она обратно пропорциональна частоте волны.

Период Т — время завершения полного колебания, единица измерения секунды (с).

Длинная волна соответствует низкой частоте, а короткая – высокой. Длина измеряется в метрах. Количество волн, излучаемых в каждую секунду, называется частотой и обратно пропорционально периоду.

У различных длин разная скорость распространения. Например, скорость света в воде равна 3/4 от скорости в вакууме.

Пространственный период волны – это расстояние, которое точка с постоянной фазой «пролетает» за интервал времени, соответствующий периоду колебаний.

Частота f — количество полных колебаний в единицу времени. Измеряется в Герцах (Гц).

При одном полном колебании в секунду f = 1 Гц; при 1000 колебаний в секунду f = 1 килогерц (кГц); 1 млн. колебаний в секунду f = 1 мегагерц (1 МГц).

Зная, что скорость света в вакууме с — 300 000 км/с, или 300 000 000 м/с, то для перевода длины волны в частоту нужно 3 х 108 м/с поделить на длину в метрах.

Единицы измерения длины волны λ – нанометры и ангстремы, где нанометр является миллиардной частью метра (1 м = 109 нм) и ангстрем является десятимиллиардной частью метра (1 м = 1010 А), то есть нанометр эквивалентен 10 ангстрем (1 нм = 10 А).

Свет, который исходит от Солнца, является электромагнитным излучением, которое движется со скоростью 300 000 км/с, но длина не одинакова для любого фотона, а колеблется между 400 нм и 700 нм. Длина световой волны влияет на цвет.

Белый свет разлагается на спектр различных цветных полос, каждая из которых определяется своей длиной волны. Таким образом, светом с наименьшей длиной является фиолетовый, который составляет около 400 нм, а светом с наибольшей длиной – красный, который составляет около 700 нм.

Таблица показывает длину волны в зависимости от цвета:

Излучения с длиной меньше фиолетового называются ультрафиолетовым излучением, рентгеновским и гамма-лучами в порядке уменьшения. Излучения больше красного называются инфракрасными, микроволнами и радиоволнами, в порядке возрастания. 

Предельная дальность связи зависит от длины. Размеры антенны часто превышают рабочую длину радиоэлектронного средства.

Рисунок показывает длину волн и частоту (нм), исходящих от различных источников:

Кратные единицы люмена

Люмен, как и все его «сородичи» в системе СИ, имеет ряд стандартных кратных и дольных единиц. Одни используются для простоты расчетов, когда приходиться иметь дело либо со слишком малыми, либо со слишком большими величинами.

Если речь идет о последних, то они записываются в виде позитивной степени, если о первых — в виде отрицательной. Так, самая большая кратная единица люмена — иотталюмен — равен 1024 лм. Его чаще всего применяют, при характеристике космических тел. Например, световой поток Солнца равен 36300 Илм.

Чаще всего применяются четыре кратные единицы: килолюмен (103), мегалюмен (106), гигалюмен (109) и тералюмен (1012).

Что такое световой поток и светоотдача

Для правильного понимания данной темы необходимо уточнить специфическую терминологию. Свет – это электромагнитные волны в диапазоне от 360 до 840 нм. Данные границы нельзя назвать точными, так как речь идет об индивидуальной (уникальной) чувствительности органов зрения. Тем не менее, чтобы выполнять расчеты, пользуются усредненным поправочным коэффициентом (k). С его помощью учитывают эффективность излучения при дневном естественном освещении.

Как посчитать свет, показывает формула:

Ф = k * V * Фм,

где:

• Ф – световой поток;
• V – фиксированный коэффициент 683 люмен на Ватт (лм Вт), который используют для перевода результата вычислений в стандарт международной системы измерений «СИ»;
• Фм – поток монохроматического излучения с определенной длиной волны.

При рассмотрении спектра суммируют вклад отдельных линий. С помощью интеграла по заданному диапазону вычисляют значение непрерывного потока.

Формулы для расчета светового потока

Скорость света в идеальной среде (вакууме) составляет почти 300 000 000 м/с. Некоторые вещества (алмазы) способны снизить ее почти вдвое. Однако и в этом случае при подаче питания источник светового потока немедленно выполняет свои основные функции.

Чтобы правильно отвечать на практические вопросы, надо знать, сколько энергии расходуется в рабочем цикле. Оценку делают по светоотдаче. Этот параметр показывает, какой световой поток генерирует устройство при потреблении определенного количества электроэнергии за единицу времени.

Математическое описание

Если точечный источник излучает энергию во всех направлениях (создавая сферическую волну ), а энергия не поглощается и не рассеивается средой, то интенсивность уменьшается пропорционально квадрату расстояния от объекта. Это пример закона обратных квадратов .

Применяя закон сохранения энергии , если чистая излучаемая мощность постоянна,

п знак равно ∫ я ⋅ d А {\ Displaystyle P = \ int \ mathbf {I} \, \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A}} ,

где P – излучаемая полезная мощность, I – интенсивность как функция положения, а d A – дифференциальный элемент замкнутой поверхности, на которой находится источник.

Если интегрировать по поверхности однородной интенсивности I , например, по сфере с центром вокруг точечного источника, уравнение принимает вид

п знак равно | я | ⋅ А s ты р ж знак равно | я | ⋅ 4 π р 2 {\ Displaystyle P = | I | \ cdot A _ {\ mathrm {surf}} = | I | \ cdot 4 \ pi r ^ {2} \,} ,

где I – интенсивность на поверхности сферы, а r – радиус сферы. ( это выражение для площади поверхности сферы).
А s ты р ж знак равно 4 π р 2 {\ displaystyle A _ {\ mathrm {surf}} = 4 \ pi r ^ {2}}

Решая, что я даю

| я | знак равно п А s ты р ж знак равно п 4 π р 2 {\ displaystyle | I | = {\ frac {P} {A _ {\ mathrm {surf}}}} = {\ frac {P} {4 \ pi r ^ {2}}}} .

Если среда демпфирована, то интенсивность падает быстрее, чем предполагает приведенное выше уравнение.

Все, что может передавать энергию, может иметь связанную с этим интенсивность. Для монохроматического распространяющейся электромагнитной волны, например, плоской волны или гауссова пучка , если Е представляет собой комплексную амплитуду от электрического поля , то усредненный по времени плотность энергии волны, путешествия в немагнитного материала, задается :

⟨ U ⟩ знак равно п 2 ε 2 | E | 2 {\ displaystyle \ left \ langle U \ right \ rangle = {\ frac {n ^ {2} \ varepsilon _ {0}} {2}} | E | ^ {2}} ,

а локальная интенсивность получается умножением этого выражения на скорость волны c / n :

я знак равно c п ε 2 | E | 2 {\ displaystyle I = {\ frac {\ mathrm {c} n \ varepsilon _ {0}} {2}} | E | ^ {2}} ,

где n – показатель преломления , c – скорость света в вакууме и – диэлектрическая проницаемость вакуума .
ε {\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}

Для немонохроматических волн можно просто сложить вклады интенсивности различных спектральных компонентов. Приведенное выше рассмотрение неприменимо к произвольным электромагнитным полям. Например, затухающая волна может иметь конечную электрическую амплитуду, не передавая никакой энергии. Затем интенсивность следует определять как величину вектора Пойнтинга .

Техническое применение фотонов

Важное техническое устройство, использующее фотоны — лазер. Лазеры применяют во многих областях технологии: с их помощью режут, варят и плавят металлы, получают сверхчистые металлы

На лазерах основаны многие точные физические приборы — например, сейсмографы. Ну а с лазерными принтерами и указками вы наверняка знакомы.

На определении местоположения фотонов основаны многие генераторы случайных чисел. Чтобы сгенерировать один бит случайной последовательности, фотон направляется на лучеделитель — штуку, которая разделяет свет на два потока.

Для любого фотона существует лишь две возможности, причем с одинаковой вероятностью: пройти лучеделитель или отразиться от его грани. В зависимости от того, прошел фотон через лучеделитель или нет, следующим битом в последовательность записывается 0 или 1.

Измерение количества света для светодиодных устройств

Для наглядности удобно представить значение освещенности в типовых ситуациях. Эти значения можно сравнить с параметрами, которые приводят в сопроводительной документации производители светодиодных приборов.

Таблица освещенности

Значение, лк	Условия
0,001-0,003	Ночью при сильной облачности
0,2-0,25	Полная луна, ясное небо
15-25	В океане на глубине 45-50 метров при малой замутненности
90-250	Изображение на экране, созданное с применением проекционной техники
90-120	Центр помещения с большими окнами в ясный солнечный день
40-60	Место для чтения
400-550	Рабочее пространство для выполнения сложных операций с миниатюрными объектами
1200-2500	Облачный день
10000-12000	Искусственное освещение съемочной площадки в теле,- или киностудии

В рекламных проспектах для улучшения продаж лампочку могут назвать яркой и энергосберегающей. Чтобы сделать правильный вывод о потребительских параметрах изделия, можно пользоваться представленной выше информацией.

Энергия и импульс фотона

Каждый фотон переносит некоторое количество энергии. Именно это количество называется энергией фотона.

Энергия фотона (соотношение Планка-Эйнштейна) E = hv E — энергия фотона h — постоянная Планка h = 6,6 × 10-34 Дж × c ν — частота фотона

Импульс фотона связан с энергией следующим соотношением:

Соотношение импульса и энергии фотона p = E/c p — импульс фотона [(кг*м)/с] E — энергия фотона с — скорость света [м/с] c = 3 * 108 м/с

Подставляем вместо E формулу энергии фотона: p = hv/c

А вместо частоты формулу v = с/λ: p = hc/cλ

Сокращаем скорость света и получаем формулу импульса.

Импульс фотона p = h/λ p — импульс фотона [(кг*м)/с] h — постоянная Планка h = 6,6 × 10-34 Дж × c λ — длина волны

Связь со скоростью

Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучается движение тел без учета внешнего воздействия).

Формула скорости ???? = S/t ???? — скорость [м/с] S — путь t — время

Переходя к волнам, можно провести следующие аналогии:

• путь — длина волны
• время — период

А для скорости даже аналогия не нужна — скорость и Африке скорость.

Формула скорости волны ???? = λ/T ???? — скорость [м/с] λ — длина волны T — период

Задачка

Лодка совершает колебания на волнах. За 40 с она совершила 10 колебаний. Какова скорость распространения волны, если расстояние между соседними гребнями волны равно 1 м?

Решение:

1. Возьмем формулу скорости:

???? = λ/T

Нам известна длина волны, но не дан период. Период вычисляется по формуле:

T = t/N

T = 40/10 = 4 с

Теперь подставляем величины в формулу

???? = λ/T

???? = ¼ = 0,25 м/с

Ответ: ???? = 0,25 м/с

Устаревшие агрегаты

Единицы силы света

старый блок	в канделе
Карсель	9,74 кд
Свеча DVGW	1.08 кд
Берлин LE	1,11 кд
Свеча	0,981 кд
Violle	20,38 кд
Международная свеча (ИК)	1.019 кд
Свеча Хефнера (HK)	0,903 кд

Единицы измерения силы света, которые были распространены в прошлом, были:

• Старый осветительный прибор, представляющий собой восковую свечу весом 83 г с высотой пламени 42 мм.
• Carcel , заводная лампа с рапсовым маслом, представлена ​​во Франции
• Vereinsparaffinkerze (1868) – подразделение Немецкой ассоциации экспертов по газу и воде , DVGW, определяемое парафиновой свечой диаметром 20 мм и высотой пламени 50 мм.
• Берлинский световой блок, определяемый свечой Вальрата с высотой пламени 44,5 мм и потреблением 7,77 г в час.
• Candlepower (английская обычная свеча), свеча Вальрата, представленная в 1860 году.
• Единица Violle, названная в честь французского физика Жюля Виоля , определенная в 1889 году как сила света одного квадратного сантиметра платины при температуре затвердевания 2042 Кельвина.
• « Bougie Décimale », определяется как 1 / ₂₀ единиц Виоллы, была единицей интенсивности света во Франции до 1901 года и был принят Великобританией и США в 1909 году как «Международная Свеча» (IK).
• Пентановая лампа с 1 свечой (1877 г.), лампа с пентановым фитилем с 1 свечой (1887 г.) и газовая лампа с пентаном на 10 свечей (1898 г.) – это лампы, изобретенные Августом Харкортом с пентаном в качестве топлива, которые последовательно заменили английскую обычную свечу.
• Свеча Хефнера  (HK), использовалась в Германии с 1896 г.

В 1942 году все единицы были заменены на “New Candle” (NK), которая была переименована в Candela в 1948 году и с тех пор является единицей СИ для измерения силы света.

По каким параметрам измеряется интенсивность света?

Обычный покупатель даже не задумывается, в чем измеряется свет и насколько это важная информация. Ведь свет, являясь физической величиной, измеряется по многим количественным и качественным параметрам. Их обязательно необходимо учитывать, планируя ремонт в квартире и подсчитывая количество лампочек, необходимых для каждой комнаты.

Свет можно измерять по следующим характеристикам:

• интенсивности;
• силе;
• яркости.

Просто так, «на глазок» вы не сумеете определить все необходимые параметры, поэтому стоит позаботиться о покупке приборов, которые помогут вам сохранить свое зрение и позитивный психологический настрой в любое время суток.