Формула освещенности. Сила света . Световой поток. Источники света

Сегодня расскажем все о формуле освещенности для открытой местности и помещения, а также приведем величины светового потока при разных обстоятельствах.

Свеча и прялка

До широко распространенной электрификации источником света были солнце, луна, костер и свеча. Ученые уже в пятнадцатом веке умели создавать систему линз для усиления освещенности, но большинство людей работали и жили при свечах.

Некоторым было жалко тратить деньги на восковые источники света, или этот способ продлить день был просто недоступен. Тогда использовали альтернативные варианты топлива – масло, жир животных, дерево. Например, русские крестьянки средней полосы всю жизнь ткали лен при свете лучины. Читатель может спросить: «Почему это надо было делать ночью?» Ведь коэффициент естественной освещенности днем гораздо выше. Дело в том, что в светлое время суток у крестьянок было множество других забот. Кроме того, процесс ткачества весьма кропотлив и требует спокойствия. Женщинам было важно, чтобы никто не наступал на полотно, чтобы дети не путали нитки, а мужчины не отвлекали.

Но при такой жизни есть одна опасность: световой поток (формулу мы приведем чуть ниже) от лучины очень низкий. Глаза перенапрягались, и женщины быстро теряли зрение.

Освещение и обучение

Когда первоклассники идут в школу первого сентября, они с волнением ожидают чудес. Их захватывают линейка, цветы, красивая форма. Они интересуются, какой будет их учительница, с кем они будут сидеть за одной партой. И эти ощущения человек запоминает на всю жизнь.

Но взрослые, когда отправляют детей в школу, должны подумать о более прозаических вещах, нежели восторг или разочарование. Родителей и учителей заботит удобство парты, размер классной комнаты, качество мела и формула освещенности помещения. Эти показатели имеют нормы для детей всех возрастов. Поэтому школьники должны быть благодарны за то, что люди заранее продумали не только учебную программу, но и материальную сторону вопроса.

Освещение и работа

Недаром в школах проводятся проверки, в которых применяется формула расчета освещенности комнат для занятий. Дети десять или одиннадцать лет только и делают, что читают и пишут. Потом они вечером выполняют домашнее задание, снова не расставаясь с ручками, тетрадками и учебниками. После чего современные подростки еще и утыкаются в разнообразные экраны. В итоге вся жизнь школьника сопряжена с нагрузкой на зрение. Но школа – только начало жизненного пути. Дальше всех этих людей ждет вуз и труд.

Каждый вид работ требует своего светового потока. Формула расчета всегда учитывает, что человек делает по 8 часов в сутки. Например, часовщик или ювелир должен рассматривать мельчайшие детали и оттенки цветов. Поэтому рабочее место людей этой профессии требует больших и ярких ламп. А ботанику, который изучает растения тропического леса, наоборот, необходимо постоянно пребывать в полумраке. Орхидеи и бромелии привыкли к тому, что верхний ярус деревьев отбирает почти весь солнечный свет.

Формула

Подходим непосредственно к формуле освещенности. Ее математическое выражение выглядит так:

E_υ = dΦ_υ / dσ.

Рассмотрим выражение поближе. Очевидно, что E_υ – это и есть освещенность, тогда Φ_υ – это световой поток, а σ – малая единица площади, на которую поток падает. Видно, что Е - величина интегральная. Это значит, что рассматриваются очень небольшие отрезки и кусочки. То есть ученые суммируют освещенность всех этих маленьких участков, чтобы получить конечный результат. Единица освещенности – люкс. Физический смысл одного люкса – это такой световой поток, для которого на один квадратный метр приходится один люмен. Люмен, в свою очередь, – это весьма конкретная величина. Она обозначает световой поток, который излучает точечный изотропный источник (следовательно, свет монохроматический). Сила света этого источника равна одной канделе в телесный угол один стерадиан. Единица освещенности сложная величина, которая включает понятие «кандела». Физический смысл последнего определения таков: сила света в известном направлении от источника, который испускает монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц (длина волны лежит в видимой области спектра), причем энергетическая сила света равна 1/683 Вт/ср.

Понятия, связанные с освещенностью

Конечно, все эти понятия на первый взгляд похожи на сферического коня в вакууме. Таких источников не существует в природе. И внимательный читатель непременно задаст себе вопрос: «Зачем это нужно?» Но у физиков есть необходимость сравнивать. Следовательно, им приходится вводить некие нормы, на которые надо ориентироваться. Формула освещенности проста, но многое может быть непонятно. Раскроем это подробнее.

Индекс «υ»

Индекс υ означает, что величина не совсем фотометрическая. И связано это с тем, что человеческие возможности ограничены. Например, глаз воспринимает только видимый спектр электромагнитного излучения. Причем центральную часть этой шкалы (относится к зеленому цвету) люди видят гораздо лучше, чем краевые области (красный и фиолетовый). То есть фактически человек не воспринимает 100% фотонов желтого или голубого цвета. При этом существуют приборы, лишенные такой погрешности. Редуцированные величины, которыми оперирует формула освещенности (световой поток, например) и которые обозначаются греческой буквой «υ», имеют поправку на человеческое зрение.

Генератор монохроматического излучения

В самой основе, как уже было сказано выше, лежит количество фотонов с определенной длиной волны, которые испускаются в определенном направлении за единицу времени. Даже самый монохроматический лазер имеет некоторое распределение по длинам волн. И уж точно он должен на чем-то держаться. Значит, фотоны испускаются не во всех направлениях. Но в формуле фигурирует такое понятие, как «точечный источник света». Это очередная модель, призванная унифицировать некоторую величину. И ни один объект вселенной не может так называться. Итак, точечный источник света – это генератор фотонов, который излучает равное количество квантов электромагнитного поля во всех направлениях, его размер равен математической точке. Однако есть одна хитрость, она может сделать реальный объект точечным источником: если расстояние, на которое долетают фотоны, очень велико по сравнению с размерами генератора. Таким образом, наша центральна звезда Солнце – это диск, а вот далекие звезды – это точки.

Беседка, колодец, парк

Наверняка внимательный читатель замечал следующее: в яркий солнечный день открытая местность кажется освещенной гораздо сильнее, чем закрытая с одной стороны поляна или лужайка. Поэтому берег моря так манит: там всегда солнечно и тепло. А вот даже большая поляна в лесу – более темная и холодная. И неглубокий колодец освещен плохо в самый яркий день. Это потому, что если человек видит только часть небосвода, до его глаза долетает меньше фотонов. Коэффициент естественной освещенности так и вычисляется, как соотношение потока света от всего небосвода к видимому участку.

Круг, овал, угол

Все эти понятия имеют отношение к геометрии. Но сейчас речь пойдет о явлении, которое непосредственно относится к формуле освещенности и, следовательно, к физике. До этого момента предполагалось, что свет падает на поверхность перпендикулярно, строго вниз. Это, конечно же, тоже приближение. При соблюдении данного условия удаление от источника света означает падение освещенности пропорционально квадрату расстояния. Таким образом, звезды, которые человек видит невооруженным глазом на небе, либо расположены не так далеко от нас (все они относятся к галактике Млечный Путь), либо очень яркие. Но если свет падает на поверхность под углом, все иначе.

Представьте себе фонарик. Он дает круглое пятно света, когда направлен строго перпендикулярно стене. Если его наклонить, то пятно изменит форму на овал. Как известно из геометрии, у овала площадь больше. А раз фонарик все тот же, значит, и сила света та же, но она как бы «размазана» на большую площадь. Сила света зависит от угла падения по закону косинуса.

Весна, зима, осень

Заголовок звучит как название красивого фильма. Но наличие сезонов напрямую зависит от угла, под которым падает свет в своей наивысшей точке на поверхность планеты. И в данный момент речь идет не только о Земле. Сезоны существует на любом объекте солнечной системы, ось вращения которого наклонена по отношению к эклиптике (например, на Марсе). Читатель, наверное, уже догадался: чем больше угол наклона, тем меньше фотонов приходится на квадратный километр поверхности в секунду. Значит, тем холоднее будет сезон. В момент наибольшего отклонения планеты в полушарии царит зима, в момент наименьшего – лето.

Цифры и факты

Чтобы не быть голословными, приведем некоторые данные. Предупреждаем: все они усреднены и для решения конкретных задач не годятся. Кроме того, существуют справочники освещенностей поверхностей разными типами источников. Лучше обращаться к ним при проведении расчетов.

1. На расстоянии от Солнца до любой точки пространства, которая примерно равна расстоянию до Земли, освещенность составляет сто тридцать пять тысяч люкс.
2. Наша планета обладает атмосферой, которая поглощает часть излучения. Поэтому поверхность земли освещена максимально на сто тысяч люкс.
3. Летом средние широты в полдень освещены на семнадцать тысяч люкс в ясную погоду и на пятнадцать тысяч люкс – в пасмурную.
4. Ночью в полнолуние освещенность составляет две десятые люкс. Свет звезд в безлунную ночь дарит всего лишь одну-две тысячные люкса.
5. Для чтения книги необходима освещенность минимум в тридцать-пятьдесят люкс.
6. Когда человек смотрит фильм в кинотеатре, световой поток составляет около ста люкс. Самые темные сцены будут иметь показатель в восемьдесят люкс, а изображение яркого солнечного дня «потянет» на сто двадцать.
7. Закат или восход Солнца над морем даст освещенность примерно в одну тысячу люкс. При этом на глубине пятидесяти метров освещенность будет составлять около 20 люкс. Вода очень хорошо поглощает солнечный свет.