Оптичне випромінювання. Енергія електромагнітної хвилі. Фотометрія. Енергетичні і світлові величини та одиниці їх вимірювання. Закони фотометрії

Фотометрія — це розділ оптики, що вивчає методи вимірювання світлової енергії.

Для опису розподілу світлової енергії за напрямом вводять суто гео­метричне поняття тілесного кута.

Тілесним (просторовим) кутом називають ділянку простору, обмежену деякою конічною поверхнею. Тілесний кут (∆Ω) дорівнює відношенню площі ділянки сфери (∆S), вирізаної конусом з вершиною в центрі сфери, до квадрата радіуса цієї сфери (r) (мал.): ∆Ω=∆S/r².   Тілесний кут вимірюється у стерадіанах (ср). Тілес­ний кут один стерадіан вирізає на поверхні відповідної сфе­ри ділянку, площа якої дорівнює квадрату радіуса цієї сфе­ри.

Повний тілесний кут, який охоплює весь простір нав­коло даної точки, дорівнює 4П с р.

Точкове ізотропне джерело світла — це тіло, яке ви­промінює світло в усіх напрямах рівномірно і його лінійні розміри дуже малі у порівнянні з відстанями, на яких оці­нюється дія світла від цього джерела.

Світловий потік (Ф) — це потужність світлового ви­промінювання, що проходить через деяку поверхню або поширюється всередині даного тілесного кута, і оцінює­ться за зоровим відчуттям (візуально).

Сила світла джерела (І) у даному напрямі — це фізи­чна величина, що вимірюється відношенням світлового по­току (∆Ф), створеного джерелом, до величини тілесного кута (∆Q), всередині якого цей потік поширюється: І = ∆Ф/∆Ω.   Для ізотропного точкового джерела світла І= Ф/4П і випромінюваний ним повний світловий потік Ф = 4ПL.

Сила світла джерела вимірюється в канделах (кд). Канде­ла є однією з основних одиниць системи СІ.

Кандела дорівнює силі світла джерела в заданому на­прямі, якщо воно випромінює монохроматичне світло ча­стотою 5,4 • 10¹⁴Гц (або довжиною хвилі 555 нм) з енерге­тичною потужністю 1/683 Вт/ср у цьому напрямі.

Силу світла даного джерела можна визначити за допо­могою фотометра шляхом порівняння з еталонним дже­релом.

Люмен (лм) — це світловий потік, що випромінюєть­ся точковим ізотропним джерелом силою світла в 1 кд в межах тілесного кута 1 ср.

Освітленістю поверхні (Е) називають фізичну вели­чину, яка дорівнює відношенню світлового потоку (∆Ф), що падає на деяку плоску поверхню, до її площі (∆S): Е=∆Ф/∆S.

Якщо в межах ділянки поверхні світловий потік роз­поділяється нерівномірно, то остання формула дає вираз для середньої освітленості.

За один люкс (лк) приймають освітленість плоскої по­верхні площею 1 м², по якій рівномірно розподіляється світловий потік 1 лм; [Е] = лк = лм/м². Освітленість по­верхні можна виміряти люксметром.

Об'єднаний закон освітле­ності: освітленість поверхні (Е) в даній точці, створена ізотропним точковим джерелом світла, прямо пропорційна силі світла джерела, косинусу кута падіння променів (α) і обернено пропорційна квадрату відстані цієї точки від джерела (мал.): Е = І cosα/r².

Даний закон об’єднує два закони освітленості Ламберта: 1)освітленість поверхні, створювана точковим джерелом світла, обернено пропорційна квадрату відстані від джерела. 2)освітленість поверхні прямо пропорційна косинусу кута падіння світла.

Якщо поверхня одночасно освітлюється кількома дже­релами світла, то її освітленість в даній точці (Е) дорівнює сумі освітленостей, створених у ній кожним із цих дже­рел: E = E_l+E₂+E₃+...+ E_n= .

Яскравістю протяжної світної поверхні (В) називають відношення сили світла (∆І), що випромінюється ділян­кою поверхні джерела в даному напрямі, до площі про­екції цієї поверхні (∆S_n) на площину, перпендикулярну до напряму спостереження: В=∆І/ ∆S_n.

Яскравість вимірюється в нітах (нт); [В] = нт = кд/м².

Світність протяжного джерела світла (R) вимірюєть­ся відношенням повного світлового потоку (∆Ф), який ви­промінюється з ділянки поверхні джерела, до її площі (∆S): R=∆І/∆S;

[R] = лм/м².

Якщо світність тіла зумовлена його освітленням іншим джерелом світла, то: R = kЕ,

де k — коефіцієнт відбивання світла, Е — освітленість поверхні.

Якщо яскравість джерела світла (В) однакова в усіх напрямах, то вона пов'язана із його світністю (R) форму­лою: R = πВ.

Кількість енергії, що переноситься світлом через будь-яку поверхню за одиницю часу, називається потоком променистої енергії: Р=∆W/∆t.

Закон прямолінійного поширення світла: в однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно.