Основные понятия и единицы светотехники

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности людей необходимы источники света. Естественного освещения, создаваемого Солнцем, во многих случаях недостаточно для удовлетворения потребности людей в освещении. В связи с этим с древних времен человек создавал и использовал искусственные источники света: тела, вещества и устройства, в которых энергия любого вида при определенных условиях, зависящих от человека, преобразуется в свет. Свет является разновидностью электромагнитной энергии, передаваемой лучеиспусканием, и вызывающей световое ощущение в результате раздражения зрительного нерва у людей и животных.

В результате преобразования подводимой к телам энергии, в частности тепловой или электрической, при определенных условиях возникает электромагнитное излучение, которое принято характеризовать длиной волны λ, измеряемой в метрах (м) или нанометрах (нм).

Лучи по длинам волн распределены следующим образом:

λ = 1 · 10000 – 1 · 0,0001 м — радиоволны;
λ = 1 · 0,0001 – 1 · 0,0000001 м — инфракрасные лучи;
λ = 7,6 · 0,0000001 – 3,8 · 0,0000001 м — видимые лучи;
λ = 3,8 · 0,0000001 – 5 · 0,000000001 м — ультрафиолетовые лучи;
λ = 5 · 0,000000001 – 4 · 0,000000000001 м — рентгеновские лучи;
λ = 4 · 0,000000000001 – 1 · 0,0000000000001 м — гамма-лучи, излучаемые при ядерном превращении.

Электромагнитные излучения оптической части спектра с длиной волны λ = 1 · 0,0001 — 5 · 0,000000001 м, включающие в себя инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые излучения, имеют большое значение в жизни живых организмов и поддержании нормальной жизнедеятельности людей на Земле.

Как видно, область видимого излучения в общем потоке электромагнитного излучения довольно узкая. В зависимости от длины волны видимое излучение разделяется по следующим основным цветам:

красный — λ = 760-620 нм;
оранжевый — λ = 620-590 нм;
желтый — λ = 590-560 нм;
зеленый — λ = 560-500 нм;
голубой — λ = 500-480 нм;
синий — λ = 480-450 нм;

фиолетовый — λ = 450-380 нм.

Глаз человека по-разному воспринимает лучи различной цветности. Наиболее чувствителен он к желто-зеленым цветам. Максимальная чувствительность глаза, имеющая место при длине волны 555 нм, принята за единицу. В этом случае относительная видимость фиолетово-синего излучения не превышает 0,2, а красного — 0,3. Лучи, лежащие за красным и фиолетовым концами сплошного спектра (инфракрасные и ультрафиолетовые) являются для человека невидимыми.

Разные животные неодинаково реагируют на цветовые излучения. Например, домашние птицы при освещении помещения лампами синего цвета теряют способность видеть. Красный свет действует на птиц успокаивающе, в то время как на некоторых других животных — раздражающе.

В светотехнике помимо видимого излучения используются также инфракрасное и ультрафиолетовое. Невидимые инфракрасные лучи являются тепловыми и участвуют в переносе теплоты от одного тела к другому. Они появляются при нагреве какого-либо тела (например, куска металла) до температуры не выше 800 К. На шкале электромагнитных волн они занимают достаточно широкий диапазон между красным концом видимого спектра излучения света и коротковолновым радиоизлучением. Инфракрасное излучение находит широкое применение в дефектоскопии, в приборах ночного видения и ночного фотографирования, в средствах скрытой сигнализации и т. д.

Ультрафиолетовые лучи на шкале электромагнитных волн занимают область между фиолетовым концом видимого спектра и рентгеновскими лучами. Они отличаются сильным химическим (разложение различных солей, например, солей серебра и др.) и физиологическим (загар, уничтожение бактерий и др.) действием. Строго дозированное ультрафиолетовое облучение людей в профилактических целях применяют как средство, способствующее нормализации обмена веществ и повышающее устойчивость человека к воздействию неблагоприятных факторов. Для нормального развития нуждаются в ультрафиолетовом облучении в раннем возрасте и домашние животные, если они не находятся на открытом воздухе под лучами солнца. Ультрафиолетовое облучение осуществляется с помощью специальных установок, в которых используются дуговые ртутные, эритемные (предназначенные для загара) и осветительные облучательные лампы.

Бактерицидные ультрафиолетовые лампы применяются для обеззараживания воздуха в помещениях медицинских учреждений, жилых домов и т. д.

Получаемое в источниках света оптическое излучение характеризуется рядом параметров, с помощью которых качественно и количественно оценивается каждый тип ламп. Номинальными называются значения параметров, при которых лампы должны работать и которые они должны иметь при заданных условиях эксплуатации. Они устанавливаются, как правило, на основании статистической обработки результатов испытаний выборок из партии ламп

данного типа, а затем распространяются на всю партию или совокупность ламп данного типа и поэтому являются величинами вероятностными. Фактические параметры отдельных образцов обычно отличаются от номинальных определенным разбросом (дисперсией).

Параметры источников света условно можно разделить на две основные группы: технические (физические) и эксплуатационные.

Технические параметры характеризуют излучение (световой поток, сила света, яркость, спектр излучаемого света), электрический режим (мощность лампы, рабочее напряжение на ней, напряжение питания, сила и род тока, для газоразрядных ламп — потери мощности в пускорегулирующих аппаратах, коэффициент мощности лампы и лампы в комплекте с ПРА и др.) и конструктивные особенности (габаритные размеры, размеры излучающего тела, форма колбы, ее оптические свойства — прозрачная, матированная и т. п., конструкция и размеры электродов и т. д.). К числу наиболее важных эксплуатационных параметров источников света относят эффективность (КПД лампы, световая отдача лампы) и надежность.

Под надежностью понимается свойство объекта выполнять требуемые функции в определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах. Для источников оптического излучения наиболее важным показателем надежности является срок службы. Различают полный срок службы (до перегорания источника света), полезный срок службы (до момента выхода одного из параметров за допустимые пределы), а также минимальную продолжительность горения, которая определяется с учетом вероятности безотказной работы лампы в течение заданного времени.

Мощность электромагнитного излучения количественно характеризуется лучистым потоком, т. е. количеством энергии, излучаемой в единицу времени. В светотехнике пользуются понятием светового потока (Ф), под которым понимается та часть лучистого потока, которая воспринимается зрением человека как видимый свет. За единицу измерения светового потока принят люмен (лм), что в переводе с латинского означает «свет». Физическое представление о величине люмена могут дать следующие примеры: на 1 см2 поверхности земли в летний день при сплошной облачности падает около 1 лм, а без облаков — около 10 лм, световой поток обычной лампы накаливания мощностью 60 Вт при напряжении 230 В составляет около 800 лм, а электрической лампы карманного фонаря — 6 лм.

Однако источник света может излучать световой поток в разных направлениях и с различной интенсивностью. Например, открытая лампа без светотехнической арматуры излучает свет по всем направлениям, а та же лампа, помещенная в прожектор, концентрирует его в определенном пучке. В обоих случаях световой поток одинаков, но плотность его разная. Поэтому световой поток не является исчерпывающей характеристикой источника света. В связи с этим введено понятие силы света (I), которое определяет интенсивность излучения источника в любом направлении окружающего пространства. В фотометрии единицей силы света является кандела (кд), что в переводе с латинского означает «свеча»

Световой поток — это произведение силы света и телесного угла, в котором он излучается.

Телесным углом (ω) называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью с вершиной в центре сферы и опирающаяся на поверхность этой сферы (рис. 1).

Рис. 1. Телесный угол

Телесный угол определяется как отношение площади F части поверхности сферы, на которую он опирается, к квадрату радиуса r этой сферы:

Единицей измерения телесного угла является стерадиан (ср).

Стерадиан представляет собой телесный угол, вырезающий на поверхности сферы участок, площадь которого эквивалентна площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Соответственно кандела может быть выражена как сила света точечного источника, испускающего световой поток в один люмен, равномерно распределенный внутри телесного угла в один стерадиан. Таким образом, можно представить, что лм = кд · ср.

Следовательно, люмен — это световой поток, испускаемый точечным источником света силой в одну канделу внутри телесного угла, равного стерадиану.

Для того чтобы количественно оценить уровень освещения какой-либо поверхности в результате попадания на нее светового потока, используется понятие освещенности Е, значение которой с учетом рис. 2 можно рассчитать по формуле:

где Ф — световой поток, падающий на освещаемую поверхность, лм;

F — площадь освещаемой поверхности, м2;

Iα — сила света под углом а к нормали N к освещаемой поверхности, кд;

α — угол между направлением силы света и нормалью к освещаемой поверхности, проведенной через ось симметрии источника света (рис 2);

β — угол между направлением силы света и нормалью к освещаемой поверхности в точке А;

l — расстояние от источника света до освещаемой точки на поверхности, м

Рис. 2. Освещенность элемента поверхности

Освещенность представляет собой поверхностную плотность падающего светового потока. Как следует из формулы (2), для точечного источника света она прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света.

Освещенность поверхности не зависит от ее оптических свойств (поглощение, отражение, рассеяние света) и от направления, в котором она рассматривается.

Единицей освещенности является люкс (лк), что в переводе с латинского также означает «свет». Один люкс — это освещенность, создаваемая равномерно распределенным световым потоком в один люмен на освещаемой поверхности площадью 1 м2, т. е.1 лк = лм/м2

Для того чтобы представить себе уровни освещенности, приведем некоторые примеры. Полная луна в безоблачную ночь создает на поверхности Земли освещенность около 0,2 л к. В дневное время естественная освещенность при пасмурной погоде оценивается в 10000 лк, а в ясный солнечный день может достигать значений до 100000 лк.

Чем выше уровень освещенности, тем лучше зрительное восприятие визуальной информации. Для чтения книги вполне достаточно освещенности 60 лк. Читать с напряжением зрения можно даже при одном люксе. В то же время статистически оценено, что освещенность в 500 лк является достаточно комфортной для чтения.

Поток от источника света, падая на поверхность какого-либо предмета, частично ею отражается. В этом случае глаз человека воспринимает только часть светового потока, отраженную от поверхности предмета и вызывающую зрительное восприятие. Чем больше светового потока, отраженного от поверхности предмета, улавливает глаз человека, тем сильнее зрительное ощущение этого предмета. При этом освещенный предмет тем лучше виден, чем большую силу света отражает его поверхность в направлении глаза человека и чем больше видна его поверхность. Уровень восприятия света глазом определяется яркостью.