авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

«УДК 535:629.113 ББК 34.94:39.33 О 62 Рецензенты: А.А. Гладенко, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой физики ОмГТУ; ...»

-- [ Страница 2 ] --

2.5. Рассеяние света С классической точки зрения процесс рассеяния света заключается в том, что свет, проходящий через вещество, вызывает колебания электронов в атомах. Колеблющиеся электроны возбуждают вторичные волны, распро страняющиеся по всем направлениям. Это явление, казалось бы, должно при всех условиях приводить к рассеянию света. Однако вторичные волны являются когерентными, так что необходимо учесть их взаимную интерфе ренцию.

Соответствующий расчёт даёт, что в случае однородной среды вторич ные волны полностью гасят друг друга во всех направлениях, кроме на правления распространения первичной волны. Поэтому перераспределения света по направлениям, т. е. рассеяния света, не происходит.

Вторичные волны не погашают друг друга в боковых направлениях только при распространении света в оптически неоднородной среде.

Рассеянием света называется явление преобразования света веществом, сопровождающееся изменением направления распространения света и проявляющееся как несобственное свечение вещества. Это свечение обу словлено вынужденными колебаниями электронов в атомах рассеивающей среды под действием падающего света. Рассеяние света происходит в оп тически неоднородной среде, показатель преломления которой нерегулярно изменяется от точки к точке вследствие флуктуаций плотности среды либо за счет присутствия в среде инородных малых частиц. В первом случае рассеяние света называется молекулярным рассеянием, а во втором – рас сеянием света в мутной среде. Примерами мутных сред могут служить аэ розоли (дым, туман), эмульсии, коллоидные растворы и другие среды.

Рассеяние света в мутных средах на частицах, размеры которых малы по сравнению с длиной волны, называется явлением Тиндаля.

Свет, рассеиваемый частицами в направлениях, перпендикулярных к пучку, будет полностью поляризован (рис. 2.13). В направлениях, обра зующих с пучком угол, отличный от прямого, рассеянный свет поляризован только частично.

В результате рассеяния света в боковых направлениях интенсивность в направлении распространения убывает быстрее, чем в случае одного лишь поглощения. Поэтому для мутного вещества в выражении (2.4.1) наряду с коэффициентом поглощения должен стоять добавочный коэффициент ', обусловленный рассеянием:

I I 0 e ( ') x.

Постоянная ' называется коэффициентом экстинкции.

В случае рассеяния естественного света зависимость интенсивности рассеянного света от угла рассеяния имеет вид I I / 2 (1 cos 2 ), где I и I/2 – интенсивности света, рассеянного под углами и /2 к направлению первичного пучка света, падающего на мутную среду.

Свет, рассеянный под произвольным углом, частично поляризован, а под углом = /2 – полностью линейно Рассеиваемый поляризован.

пучок Если размеры частиц (неоднородно стей) r0 малы по сравнению с длиной све- Колебание товой волны (r0 не более ~0,1), интенсив- вектора E ность рассеянного света оказывается про- Направление порциональной четвёртой степени частоты наблюдения или обратно пропорциональной четвертой Рис. 2.13. Поляризация при рассеянии света степени длины волны:

I ~ 4 ~ 4. (2.5.1) Эта зависимость носит название закона Рэлея. Её происхождение легко понять, если учесть, что мощность излучения колеблющегося заряда про порциональна четвёртой степени частоты и, следовательно, обратно про порциональна четвёртой степени длины волны.

По мере увеличения размера неоднородностей r0 в мутной среде за кономерности рассеяния света изменяются, и зависимость I от имеет сложную форму, причём интенсивность рассеяния света вперёд (в направ лениях /2) больше, чем назад. Это явление называется эффектом Ми.

Свет, рассеянный под углом =/2, поляризован лишь частично. Зависи мость интенсивности I рассеянного света от длины волны имеет вид I ~ -p, где p4, и убывает с ростом размера неоднородностей. При r0 спек тральные составы рассеянного и падающего света практически совпадают.

Этим объясняется, например, белый цвет облаков.

Даже тщательно очищенные от посторонних примесей и загрязнений жидкости и газы в некоторой степени рассеивают свет. Л. И. Мандельштам и М. Смолуховский установили, что причиной появления оптических не однородностей являются в этом случае флуктуации плотности (т. е. наблю даемые в пределах малых объёмов отклонения плотности от её среднего значения). Эти флуктуации вызваны беспорядочным движением молекул вещества, поэтому обусловленное ими рассеяние света называется молеку лярным.

Молекулярным рассеянием объясняется голубой цвет неба. Непрерывно возникающие в атмосфере вследствие беспорядочного молекулярного дви жения места сгущения и разрежения воздуха рассеивают солнечный свет.

При этом согласно закону (2.5.1) голубые и синие лучи рассеиваются силь нее, чем жёлтые и красные, обусловливая голубой цвет неба. Когда Солнце находится низко над горизонтом, распространяющиеся непосредственно от него лучи проходят большую толщу рассеивающей среды, в результате че го они оказываются обогащёнными большими длинами волн. По этой при чине небо на заре окрашивается в красные тона.

Зависимость интенсивности рассеянного света от длины волны и угла, а также характер поляризации света при молекулярном рассеянии ана логичны соответствующим закономерностям для явления Тиндаля. Однако в отличие от последнего интенсивность молекулярного рассеяния света зависит от температуры среды, возрастая при её увеличении.

2.6. Люминесценция, флуоресценция и фосфоресценция Свечение, не вызываемое нагреванием тела, называется люминесценци ей. Люминесценция – излучение, возникающее за счёт любого другого вида энергии, кроме энергии теплового движения. Люминесценция не связана с переходом энергии теплового движения молекул в энергию электромагнит ных волн, тело может люминесцировать при любой температуре, поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением.

Причина всех люминесцентных явлений состоит в том, что атомы или молекулы люминесцентного вещества переходят в возбуждённое состояние за счёт энергии, доставляемой посторонним источником в результате раз личных процессов, вызывающих явление люминесценции. Люминесцен ция возникает при переходе электрона в атоме с более удалённой орбиты на более близкую к ядру орбиту. Спектр люминесценции содержит линии с определенной длиной волны и зависит от структуры данного атома. Атом может испускать излучение только в том случае, если он находится в воз буждённом состоянии, т. е. если электроны предварительно переведены на более высокие орбиты.

В возбуждённом состоянии частицы вещества могут находиться в тече ние определённого времени в зависимости от рода вещества (от 10-9 с до нескольких часов). При возвращении в нормальное или менее возбуждён ное состояние они испускают свет, который является люминесцентным из лучением самого вещества. Люминесцентное излучение лежит в видимом, ближнем ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах.

Люминесценцию можно классифицировать по типу возбуждения и вре менным характеристикам свечения. В зависимости от способа возбуждения различают несколько видов люминесценции: электролюминесценцию, ка тодолюминесценцию, радиолюминесценцию, фотолюминесценцию, хеми люминесценцию и триболюминесценцию (возбуждение при механических воздействиях: растирании, раскалывании кристаллов). По длительности свечения различают флуоресценцию и фосфоресценцию.

Электролюминесценция вызывается действием электрического поля или пропусканием через вещество электрического тока. При электролюминес ценции атомы и молекулы вещества переходят в возбужденное состояние в результате передачи им энергии электрического поля или кинетической энергии заряженных частиц. Электролюминесценция наблюдается в газах, твёрдых телах и в некоторых полупроводниках. Электролюминесценция в полупроводниках используется в светодиодах – полупроводниковых при борах, преобразующих электрическую энергию в энергию оптического из лучения. Кремниевые светодиоды являются источниками инфракрасного излучения, а светодиоды на фосфиде галлия (GaP) и карбиде кремния (SiC) излучают видимый свет. Электролюминесценция газов – свечение газового разряда – используется в газоразрядных трубках для рекламных надписей.

Электролюминесценция твёрдых тел используется в индикаторных устрой ствах (например в преобразователях изображений). Природное явление се верное сияние есть также проявление люминесценции. Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем и захватываемых магнитным полем Земли, возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоёв атмосферы и вызывают их свечение.

Катодолюминесценция – свечение твёрдого тела, вызванное бомбарди ровкой вещества электронами или другими заряженными частицами, на пример ионами. Катодолюминесценцию также считают одним из видов ра диолюминесценции – возбуждения атомов и молекул вещества проникаю щей радиацией, например электронными пучками (катодными лучами), частицами, рентгеновским излучением и т. д. Способностью к катодолю минесценции обладают газы, молекулярные кристаллы, органические лю минофоры (жидкие и твёрдые вещества, способные люминесцировать под действием различного рода возбуждений;

от латинского luminus – свет и греческого phoros – несущий) и кристаллофоры (неорганические кристал лические люминофоры). В качестве катодолюминофоров в основном при меняются кристаллофосфоры, т. к. только они стойки к действию элек тронного пучка и дают достаточную яркость свечения.

Катодолюминесценция применяется в вакуумной электроникe: свечение экранов телевизоров, различных осциллографов, дисплеев, электронно оптических преобразователей и т. д. Явление катодолюминесценции поло жено в основу создания лазеров (оптических квантовых генераторов), воз буждаемых электронным пучком.

Фотолюминесценция – люминесценция, возбуждаемая оптическим из лучением;

свечение тел под действием облучения видимым ультрафиоле товым светом, а также рентгеновскими или гамма-лучами. В этом случае энергия поглощаемого телом света превращается в собственное излучение самого вещества. При фотолюминесценции твёрдых тел и жидкостей длина волны люминесцентного излучения больше длины волны поглощённого излучения. Фотолюминесценция используется в люминесцентных лампах, для люминесцентного анализа (чувствительность этого метода анализа очень высока), для люминесцентной дефектоскопии и т. д.

Хемилюминесценция – люминесценция, сопровождающая химические реакции, идущие с выделением энергии. Хемилюминесценция испускается продуктами реакции. Свечение гниющего дерева, некоторых насекомых, морских животных, бактерий и др. происходит за счёт химических реак ций. Это частный случай хемилюминесценции – биолюминесценция.

Люминесценция, которая прекращается в течение короткого промежут ка времени (после того, как заканчивается действие возбудителя свечения), называется флуоресценцией. Флуоресценция наблюдается в атомарных и молекулярных газах. Многие органические вещества обладают флуорес ценцией в жидких и твёрдых растворах, а также в кристаллическом со стоянии. С помощью флуоресценции изучают структуру вещества и проис ходящие в них процессы, а также проводят люминесцентный анализ.

Флуоресценцию используют в медицине, биофизике, микробиологии, де фектоскопии и т. д.

Люминесценция, сохраняющаяся длительное время после прекращения действия возбудителя свечения, называется фосфоресценцией. Фосфорес ценция – флуоресценция в виде зависящего от температуры послесвечения, возникающего после прекращения облучения.

Подразделение люминесценции на флуоресценцию и фосфоресценцию условно – установить строго определённую временную границу между ними иногда бывает затруднительно, т. к. она зависит от временного раз решения регистрирующих приборов.

2.7. Вынужденное излучение Атом, находящийся в электромагнитном поле на возбуждённом энерге тическом уровне, может с некоторой вероятностью перейти под действием поля в низшее состояние. Такой переход сопровождается вынужденным (индуцированным) излучением вещества, вызванным действием на него электромагнитной волны.

Явление вынужденного излучения с точки зрения волновой оптики оз начает, что при прохождении электромагнитной волны сквозь вещество её интенсивность увеличивается, т. е. происходит отрицательное поглощение света (отрицательная абсорбция света). При этом сохраняются неизмен ными частота волны, направление её распространения, фаза и поляризация.

Вынужденное излучение строго когерентно с вызвавшей его проходящей в веществе электромагнитной волной.

До взаимодействия После взаимодействия W h a) W Поглощение W h б) 2h W Вынужденное излучение Рис. 2.14. Энергетические переходы в атоме при воздействии излучения С квантовой точки зрения когерентность означает, что новый фотон, появившийся в результате акта вынужденного излучения, ничем не отлича ется от фотона, вызвавшего его появление. Новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет, проходящий в сре де. На рис. 2.14, б показано, что процесс вынужденного излучения приво дит к появлению вместо одного фотона с энергией hv двух таких же фото нов. Однако кроме индуцированного излучения происходит поглощение света. В результате поглощения фотона атомом, находящимся на энергети ческом уровне W1, фотон исчезнет, и атом перейдет на энергетический уро вень W2 (рис. 2.14, а). Этот процесс уменьшает интенсивность света, про ходящего сквозь вещество.

Среда называется усиливающей (активной), если в ней интенсивность проходящего света возрастает. Это означает, что в активной среде процесс вынужденного излучения преобладает над процессом поглощения света.

Поглощение света в веществе происходит в соответствии с законом (2.4.1). Для среды с отрицательным поглощением света справедлив закон Бугера-Ламберта-Фабриканта:

I I 0 e | |x, где ||0 – положительная величина, соответствующая не ослаблению, а усилению света, проходящего через активную среду.

Обычно большая часть атомов находится в низшем состоянии и поэто му падающие фотоны в основном поглощаются. Чтобы получить когерент ное излучение в результате вынужденного испускания, необходимо удовле творить двум условиям. Во-первых, атомы должны находиться в более вы соком, возбуждённом состоянии, т. e. необходима инверсная заселённость, при которой число атомов в более высоком состоянии превышает чисто атомов в более низком состоянии, так что испускание фотонов преобладает над поглощением. Во-вторых, более высокое состояние должно быть ме тастабильным, т. е. электроны в нём должны находиться доль-ше, чем обычно, и переход в более низкое состояние происходит благодаря вынуж денному, а не спонтанному (самопроизвольному) излучению.

Источники света, работающие на основе эффекта вынужденного излу чения в активной среде с инверсной заселённостью энергетических уров ней, называются оптическими квантовыми генераторами (ОКГ) (см. при ложения к главе 2).

Приложения к главе Приложение 2.1. Оптические приборы: интерференционные и спектральные Для исследования спектров пользуются приборами, дающими чёткие спектры (т. е. хорошо разделяющими волны различной длины и почти не допускающими перекрывания отдельных участков) – спектральными аппа ратами. Основной частью спектрального аппарата чаще всего является призма или дифракционная решётка. Для визуального наблюдения спек тров используется спектроскоп (от «спектр» и греч. skopeо – смотрю, на блюдаю). Прибор для фотографирования спектров называется спектро графом (от «спектр» и греч. grapho – пишу).

Наиболее распространённый призматический спектроскоп состоит из двух труб, между которыми помещают трёхгранную стеклянную призму, выполненную из материала со значительной дисперсией (вещества, даю щего широкий спектр). В передней трубке К, называемой коллиматором, имеется узкая щель S, расположенная в фокальной плоскости линзы L (рис. 2.15). Щель состоит из двух ножей, которые можно раздвигать и сближать с помощью винтов. Свет, упавший на щель, пройдя через линзу L1, выходит из коллиматора параллельным пучком. Попадая на призму, лу чи света разлагаются на цветные пучки и направляются в зрительную тру бу Т. Линза L2 собирает эти пучки в различных точках фокальной плоско сти АВ. В этой плоскости помещают матовое стекло, на котором получает ся изображение спектра. В случае, когда спектроскоп предназначен для из мерений, с помощью специального устройства на изображение спектра на кладывается изображение шкалы с делениями, что позволяет точно уста новить положение цветных линий в спектре. В спектрографе на место ма тового стекла помещают фотоплёнку.

L L А S Т В К Рис. 2.15. Оптическая схема простейшего спектрографа Приборы, которые позволяют также измерять интенсивность света с данной длиной волны, называются фотометрами.

В спектроскопии для изучения тонкой структуры спектральных линий применяются очень точные измерительные приборы, называемые интер ферометрами. Они также широко применяются в метрологии для сравне ния длины стандартного метра с длинами волн отдельных спектральных линий.

Принцип действия всех интерферометров, различающихся между собой лишь конструкционно, основан на явлении интерференции света. На рис.

2.16 представлена упрощённая схема интерферометра Майкельсона. Моно хроматический свет от источника S падает под углом 45° на плоскопарал лельную пластинку Р1. Сторона пластинки, удалённая oт S, посеребрённая и полупрозрачная, разделяет луч на две части: луч 1 (отражается oт посе ребрённого слоя) и луч 2 (проходит через него). Луч 1 отражается от зерка ла М1 и, возвращаясь обратно, вновь проходит через пластинку P1 (луч 1').

Луч 2 идёт к зеркалу M2, отражается от него, возвращается обратно и отра жается от пластинки Р1 (луч 2'). Так как первый из лучей проходит сквозь пластинку Р1 дважды, то для компенсации воз- M никающей разности хода на пути второго луча ставится пластинка Р2 (точно такая же, как и P1, только не покрытая слоем серебра).

Лучи 1' и 2' когерентны;

следовательно, бу- P дет наблюдаться интерференция, результат ко- торой зависит от оптической разности хода луча O 1’ 1 от точки О до зеркала М1 и луча 2 от точки О 2’ до зеркала М2. При перемещении одного из зер кал на расстояние 0/4 разность хода обоих лу- M P чей увеличится на 0/2 и произойдёт смена ос вещённости зрительного поля. Следовательно, * S по незначительному смещению интерференци Рис. 2.16. Интерферометр онной картины можно судить о малом переме Майкельсона щении одного из зеркал и использовать интер ферометр Майкельсона для точного (порядка 10-7 м) измерения длин волн.

Российский физик В. П. Линник (1889–1984) использовал принцип дей ствия интерферометра Майкельсона для создания микроинтерферометра (комбинация интерферометра и микроскопа), служащего для контроля чис тоты обработки поверхности.

Интерферометры – очень чувствительные оптические приборы, позво ляющие определять незначительные изменения показателя преломления прозрачных тел (газов, жидких и твёрдых тел) в зависимости от давления, температуры, примесей и т. д. Такие интерферометры получили название интерференционных рефрактометров.

Приложение 2.2. Лазеры и их применение Лазеры генерируют в видимой, инфракрасной и ближней ультрафиоле товой областях спектра (в оптическом диапазоне).

Важнейшими из существующих типов лазеров являются твёрдотель ные, газовые, полупроводниковые и жидкостные. В основу такого деления положен тип активной среды. Более точная классификация учитывает так же и методы накачки – оптические, тепловые, химические, электроиониза ционные и др. Кроме того, необходимо принимать во внимание и режим генерации – непрерывный или импульсный.

Лазер обязательно имеет три основных компонента: 1) активную среду, в которой создаются состояния с инверсной заселённостью;

2) систему на качки (устройство для создания инверсии в активной среде);

3) оптический резонатор (устройство, выделяющее избирательное направление пучка фо тонов и формирующее выходящий световой пучок).

Для выделения направления лазерной генерации используется оптиче ский резонатор. В простейшем случае им служит пара обращённых друг к другу параллельных (или вогнутых) зеркал на общей оптической оси, меж ду которыми помещается активная среда (кристалл или кювета с газом).

Как правило, зеркала изготавливаются так, что от одного из них излучение полностью отражается, а второе – полупрозрачно. Фотоны, движущиеся под углами к оси кристалла или кюветы, выходят из активной среды через её боковую поверхность. Те же из фотонов, которые движутся вдоль оси, многократно отразятся от противоположных торцов, каждый раз вызывая вынужденное испускание вторичных фотонов, которые, в свою очередь, вызовут вынужденное излучение, и т. д. Так как фотоны, возникшие при вынужденном излучении, движутся в том же направлении, что и первич ные, то поток фотонов, параллельный оси кристалла или кюветы, будет ла винообразно нарастать. Многократно усиленный поток фотонов выходит через полупрозрачное зеркало, создавая строго направленный световой пу чок огромной яркости. Таким образом, оптический резонатор формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами.

Лазерное излучение обладает следующими свойствами:

1) высокой когерентностью;

2) строгой монохроматичностью (10-11 м);

3) большой плотностью потока энергии;

4) очень малым угловым расхождением в пучке.

Коэффициент полезного действия (КПД) лазеров колеблется в широких пределах – от 0,01 % (для гелий-неонового лазера) до 75 % (для лазера на стекле с неодимом), хотя у большинства лазеров КПД составляет 0,1 – 1 %.

Создан мощный СО2-лазер непрерывного действия, генерирующий инфра красное излучение (=10,6 мкм), КПД которого (30 %) превосходит КПД существующих лазеров, работающих при комнатной температуре.

Очень перспективны и интересны полупроводниковые лазеры, т. к. они обладают широким рабочим диапазоном (0,7 – 30 мкм) и возможностью плавной перестройки частоты их излучения.

Мощные лазеры, в частности инфракрасные лазеры на углекислом газе, используются для обработки материалов (резание, сварка, сверление) с по мощью сфокусированного лазерного пучка. Такие же пучки применяются в хирургии вместо скальпеля, при этом края раны почти не кровоточат.

Лазерные пучки нашли широкое применение в офтальмологии. С их помощью производятся операции на хрусталике и сетчатке глаза.

Только с помощью лазеров удалось реализовать новый метод получения изображений – голографию. Голография – метод получения объёмного изображения предметов, основанный на явлении интерференции волн. По лучение голограммы связано с осуществлением интерференции света при больших разностях хода, т. е. требует весьма высокой степени когерентно сти света. Поэтому в голографии в качестве источников света используют ла зеры. Возможное применение голографии весьма разнообразно. Далеко не полный их перечень образуют голографическое кино и телевидение, гологра фический микроскоп, контроль качества обработки изделий.

На монохроматическом когерентном лазерном пучке с помощью волокон ной оптики может быть осуществлена кабельная, телефонная, вещательная и телевизионная связь.

В настоящее время ведутся серьезные исследования возможности осуще ствления лазерного термоядерного синтеза, лазерного разделения изотопов, использования лазерного облучения для стимуляции химических реакций и т.

п. По мере совершенствования конструкций лазеров, использования различ ных активных сред – полупроводников, жидких красителей, новых сортов стёкол и т. д. – возможности применения лазеров с различными свойствами будут всё более расширяться.

С помощью лазерного излучения можно определять расстояние до дви жущихся объектов и скорость их движения по эффекту Доплера. Лазерная локация точнее радиолокации, поскольку световые волны значительно короче радиоволн.

Приложение 2.3. Приборы для определения скорости движения автомобиля Если источник (излучатель) и приёмник электромагнитных волн дви жутся относительно друг друга, т. е. расстояние между ними увеличивается или уменьшается, то приёмник будет воспринимать частоту, отличную от частоты источника. Это явление называется эффектом Доплера.

Принцип действия радара (от английского radar – обнаружение и опре деление расстояния при помощи радио), основанный на эффекте Доплера, прост: излучаемая им электромагнитная волна с частотой 0 отражается от металлических предметов (любой материал, кроме металла, для радара прозрачен). Если предмет движется, то частота отражённой волны изме нится. Остаётся определить эту разницу и вычислить скорость предмета. С такой задачей успешно справляется любой придорожный радар. Совер шенно неважно, лежит он на капоте, привинчен ли к стеклу патрульной машины или находится в руках блюстителя порядка.

При измерении скорости движения автомобиля сказывается косинусный эффект, если инспектор с радаром находится не на оси движения автомобиля (рис. 2.17). При прямом сближении автомобиля с радаром (рис.

2.17, а) радар покажет его истинную скорость а. При движении автомоби ля под углом к радару (рис. 2.17, б) радар покажет меньшую скорость =аcos, т. е. сказывается косинусный эффект. Чем больше угол отклоне ния, тем меньше показания радара.В основном работники ДПС вооружены обычными радарами «Барьер» (существует несколько модификаций), «Ис кра» и «Сокол». Такие радары, как «Сова» и ЛИСД – пока редкость. «Сова»

– это совершенно новый прибор, дорогой и сложный, т. к. к нему положен персональный компьютер. С «Совой» не поспоришь. На мониторе застыва ет картинка автомобиля, видны его номер, время, дата и скорость.

Радар Радар vа vа v Автомобиль Автомобиль Ось Ось Рис. 2.17. Косинусный эффект ЛИСД – это лазерный радар, похожий на обычный бинокль (рис. 2.18).

Чтобы замерить скорость автомобиля, достаточно навести на него перекре стье прибора. Луч лазера узок, и ошибиться невозможно. «Питон» и «ТС 3» являются импортными радарами. С их помощью можно замерять ско рость прямо из движущегося автомобиля.

Рис. 2.18. Лазерный радар ЛИСД-2 (вид спереди и сзади) Дальше речь пойдёт о детекторах (в пер. с лат. «обнаруживателях») радара, неправильно называемых у нас «антирадарами». Антирадары – это передатчики, запрещённые к использованию, т. к. они могут блокировать работу радара или изменить его показания.

Радары-детекторы способны различать не только силу, но и частоту за фиксированного сигнала радара (радары могут работать на разных часто тах). По этому признаку (частоте) большинство радаров делят на четыре группы: 1) излучающие в диапазоне 10 500–10 550 ГГц (в нём работают отечественные «Барьер-2М» и предыдущие его модели);

2) излучающие в диапазоне 24 050–24 250 ГГц (1 ГГц=109 Гц);

3) излучающие в диапазоне 33 400–36 000 ГГц;

4) лазерные радары – самые современные приборы контроля скорости. Лазерный луч радара «бьёт» намного дальше обычных.

Его можно увидеть, но «увернуться» от него сложно. Лазерный луч детек торы тоже могут обнаружить.

Детекторы – это помощники, предупреждающие водителя о близости рада ра. Однако в пределах прямого «выстрела» радара любой детектор не поможет.

Приложение 2.4. Спутниковая навигационная система автомобилей Искусственные спутники Земли, в зоне видимости которых находится автомобиль, определяют его местоположение. Знание координат автомоби ля заметно упрощает работу многих служб – скажем, поиск места аварии, розыск угнанной машины и многое другое. В случае необходимости води тель нажимает соответствующую кнопку и сообщение отправляется в кон трольный центр, где поступившая информация дешифруется и определяет ся причина вызова, а также координаты автомобиля. Если водитель постра дал в аварии и не в состоянии самостоятельно связаться с оператором, в работу включаются датчики, реагирующие на механические повреждения автомобиля. С их помощью сигнал будет передан диспетчеру автоматиче ски. Таким образом, местонахождение машины будет установлено почти моментально и врачи, не теряя драгоценных минут, поспешат на помощь.

Больше того, медики могут дать нужные рекомендации и оказать психоло гическую поддержку, что порой бывает просто необходимо, до приезда бригады врачей, связавшись с водителем по сотовому телефону, который является частью системы. Например, спутниковый навигатор «Магеллан»

определяет координаты в любом месте планеты с точностью 20–30 метров, высоту над уровнем моря, скорость движения, время в пути и ориентиро вочное время прибытия в заданный пункт, покажет направление и расстоя ние до выбранной точки, запишет и нарисует пройденный путь в несколь ких масштабах, запомнит координаты 200 выбранных точек. Вся информа ция отображается на графическом экране.

Рассмотрим поподробнее основные принципы систем ориентирования.

У водителя имеется специализированный микрокомпьютер, похожий на ноутбук, только ещё меньших размеров. На его цветном жидкокристалли ческом экране развёртывается подробнейшая карта нужного города или трассы, которую легко купить в магазине в виде лазерного диска. Перед поездкой вы указываете так называемым световым пером нужный пункт на экране и компьютер автоматически определяет оптимальный маршрут с учётом всех тонкостей организации движения. Если вы желаете исключить из этого маршрута какие-либо улицы (например чрезмерно загруженные в часы пик), электронный штурман тут же проложит новую трассу. По мере движения к цели вам не надо будет постоянно отвлекаться, чтобы смотреть на дисплей. Звуковой сигнал вовремя напомнит вам о необходимости пере строения, предстоящем повороте.

Понятно, что для работы системы одной карты недостаточно. Элек тронный штурман должен в любой момент точно знать, где вы реально на ходитесь. Вот тут-то и приходят на помощь навигационные спутники, ме стоположение которых в пространстве известно с высочайшей степенью точности. Они излучают кодированные сигналы, принимаемые вашим на вигатором. Приёмник определяет расстояние до каждого из них, а компью тер, решая систему уравнений, вычисляет координаты вашего автомобиля.

В городах автомобильной «навигации» активно мешает экранирующее воздействие плотной застройки, тоннелей и эстакад. Поэтому автомобиль оборудуют не только датчиком, но и мощным микрокомпьютером, обраба тывающим сигналы от датчиков скорости вращения колёс и угла их пово рота. Эти данные позволяют корректировать вычисляемые координаты да же тогда, когда устойчивый сигнал со спутников отсутствует. Российский датчик «Навиор-14» массой чуть более 100 г позволяет определить даже полосу, по которой движется автомобиль. Такая впечатляющая точность достигается за счёт использования им двух спутниковых систем – амери канской системы GPS (Global Positioning Systems) и отечественной ГЛО НАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Ясно, что ис пользуя две системы (вместо одной), компьютер может определить коорди наты автомобиля точнее.

В настоящее время идёт работа по «встраиванию» автомобиля в Интер нет. «Всемирная компьютерная паутина» снабдит водителя самой разнооб разной и полезной информацией. Например, она не только подскажет адрес ближайшей АЗС или гостиницы, напомнит о необходимости замены масла, но и на ходу продиагностирует двигатель, выдав соответствующие реко мендации. Разработчики надеются, что Интернет станет мощным оружием в борьбе с угонщиками, блокируя при необходимости работу различных систем – замков, зажигания и т. п. Если же машину всё-таки угнали, то специальный датчик позволит определить её местонахождение.

Лабораторные работы к главе ЛР 2.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИСПЕРСИИ СВЕТА В СТЕКЛЕ Дисперсией света называется явление зависимости показателя прелом ления вещества n от длины волны падающего света. В случае нормаль ной дисперсии показатель преломления тем больше, чем меньше длина волны. График зависимости показателя преломления от длины световой волны n f называется дисперсионной кривой.

Цель данной лабораторной работы – построение дисперсионной кривой для стекла.

В качестве источника света в работе используется ртутно-кварцевая лампа, свет от которой направляется на трехгранную стеклянную призму.

После выхода из призмы наблюдается линейчатый спектр, содержащий пять наиболее ярких видимых линий: желтую, светло-зеленую, сине зеленую, синюю, фиолетовую. Соответствующая им длина волны указана в приложениях.

Показатель преломления для каждой из этих длин волн может быть подсчитан из соотношения A sin 2, n (2.1) A sin где А – преломляющий угол призмы (рис. 2.19);

0 – наименьший угол от клонения выходящего из призмы луча от направления падающего луча.

Можно доказать, что угол 0 будет наименьшим при таком падении света на грань АВ, при котором внутри призмы луч идет параллельно ос нованию (см. рис. 2.19).

Таким образом, задача сводится к определению преломляющего угла А призмы и наименьшего угла откло A нения 0 для каждой линии спектра ртути.

Преломляющий угол и угол наи меньшего отклонения определяются в работе с помощью гониометра.

S* Приборы и принадлежности:

C B ртутно-кварцевая лампа ПРК-2, Рис.2.19. Ход лучей в призме стеклянная призма, гониометр.

Гониометр (рис. 2.20) состоит из двух труб – зрительной Т и коллимато ра К со щелью, на которую через оптическую систему коллиматора на правляется пучок света от источни Hc ка S.

Труба К закреплена неподвижно, а зрительная труба Т, соединенная с H1,1 нониусом Н, может поворачиваться относительно неподвижного лимба S* С Л со шкалой.

K T В центре гониометра – предмет Л ный столик С, на котором распола гается призма, столик жестко связан Рис. 2.20. Вид гониометра с нониусом Н.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Упражнение Определение преломляющего угла призмы А 1. Направить пучок света от ПРК-2 на линзу коллиматора К.

2. При снятой призме расположить коллиматор К и зрительную трубу соосно (как показано на рис. 2.20).

3. Добиться резкого изображения щели коллиматора и ее совмещения с вертикальной нитью окуляра трубы Т.

4. Закрепить неподвижно столик С и поместить на него призму так, чтобы угол падения i светового луча на ее грань АВ составлял около 30– 45° (рис. 2.21, а).

5. Перемещать трубу Т до тех пор, пока изображение щели коллиматора, отраженное от грани АВ, не совместится с вертикальной нитью окуляра (см. рис. 2.21, а).

6. С помощью нониуса Hc произвести отсчёт 1.

1, Hc K K С А i i II В S* S* I В С T T А 2, Hc б) а) Рис. 2.21. Расположение призмы, трубы и коллиматора 7. Закрепив трубу Т неподвижно, поворачивать столик вместе с призмой до тех пор, пока место грани АВ не займет грань АС (рис. 2.21, б). В этот момент вертикальная нить окуляра вновь совместится с изображением ще ли коллиматора.

8. С помощью нониуса Hc произвести отсчет 2.

9. Определить угол поворота призмы:

2 1. (2.2) 10. Из рис. 2.22 видно, что искомый преломляющий угол призмы равен A 2 ;

2 1800, следовательно, A 180 0. (2.3) А(С) K i T В О С В(А) Рис. 2.22. Определение пре ломляющего угла призмы 11. Произвести операции, указанные в пп. 4–10, для двух других углов падения i, сместив столик на 2–3° вправо или влево относительно первого положения.

12. Найти среднее значение преломляющего угла А призмы.

13. Данные заносить в табл. 2.1.

14. Подсчитать погрешности в определении угла А.

Таблица 2. 1 2 А A град Упражнение Определение наименьшего угла отклонения 0 для линий различных длин волн спектра атомов ртути 1. Сняв столик с призмой, расположить коллиматор К и зрительную трубу Т соосно (см. рис. 2.20), добиться совмещения вертикальной нити окуляра и изображения щели коллиматора. Определить по нониусу Нт правление неотклонённого луча 1.

2. Расположить столик с призмой так, чтобы угол падения i луча на грань АВ был примерно равен 70–80° (рис. 2.23).

3. Трубу Т перемещать до тех пор, пока в поле зрения не попадет спектр паров ртути.

4. Необходимо найти такое положение призмы по отношению к падаю щему на ее грань АВ лучу, при котором угол отклонения будет наимень шим. Для этого одновременно необхо Hc димо вращать столик с призмой и зри тельную трубу в направлении умень А шения угла, не теряя из поля зрения S* спектр ртути:

В K а) если спектр смещается в направ DС Hт, лении вращения, перемещение столика и трубы необходимо продолжать до тех T пор, пока не будет наблюдаться смеще ние спектра в обратном направлении.

Рис. 2.23. Расположение призмы, трубы и коллиматора Положение призмы в этот момент со ответствует наименьшему значению угла отклонения 0 преломленного луча;

б) если спектр сразу же смещается в направлении, противоположном вращению, то следует столик с призмой повернуть в сторону, обратную движению зрительной трубы на угол 8–10° и повторить действия пункта а.

5. Зафиксировав момент, когда угол будет наименьшим, закрепить столик с призмой.

6. Навести нить окуляра на желтую линию спектра ртути. Определить по нониусу Hт угол 2.

7. Найти наименьший угол отклонения для желтых лучей:

0 2 1. (2.4) 8. При закрепленном столике с призмой произвести операции, указан ные в пп. 6–7, для желтой, светло-зеленой, синей, фиолетовой линий спек тра ртути.

9. Данные заносить в табл. 2.2.

10. Вычислить для одной из линий спектр погрешности в определении 0.

Таблица 2. 1= град Линии спектра желтая светло-зеленая сине-зеленая синяя фиолетовая 2, град 0, град Упражнение Построение дисперсионной кривой для стекла 1. По данным табл. 2.1 и 2.2 и по формуле (2.1) вычислить показатель преломления вещества призмы для каждой линии спектра ртути, результа ты занести в табл. 2.3.

Таблица 2. А = град Линии спектра желтая светло-зеленая сине-зеленая синяя фиолетовая, нм 0, град n 2. Построить дисперсионную кривую (длины волн наблюдаемых линий взять из приложений).

3. Подсчитать погрешности в определении показателя преломления для одной из наблюдаемых линий.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чем состоит явление дисперсии света?

2. Что называется дисперсионной кривой?

3. Как в лабораторной работе определяется показатель преломления стекла для волн различной длины?

4. Начертить и объяснить ход лучей в трехгранной призме. При каком условии величина угла отклонения преломленного луча наименьшая?

5. Почему в работе не использована в качестве источника света лампа накаливания? Можно ли использовать водородную или неоновую газораз рядную трубку?

ЛР 2.2. ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ЛАЗЕРА Цель работы: ознакомление с принципом работа газового лазера, а так же измерение некоторых характеристик лазерного излучения.

Оборудование: газовый лазер, оптическая скамья, поляроид, фотоэле мент, микроамперметр, дифракционная решетка, экран.

Краткая теория Оптическим квантовым генератором (ОКГ), или лазером, называется прибор, генерирующий узкий пучок монохроматического света высокой интенсивности. В ОКГ на основе квантовых законов происходит преобра зование любой энергии (электрической, тепловой, химической и др.) в бо лее качественную энергию когерентного светового луча видимого и неви димого диапазонов. Отметим, что для традиционных источников света ха рактерна некогерентность излучения.

Любой лазер содержит три основных элемента: активную среду, уст ройство для ее накачки (возбуждения) и оптический резонатор. На рис.

2.24 приведена принципиальная схема газового лазера на смеси гелия и не она. Лазер состоит из газоразрядной стеклянной трубки Т, наполненной га зовой смесью (10 частей Не и 1 часть Ne) при общем давлении ~130 Па. На концах трубки привариваются тщательно отполированные плоскопарал лельные пластинки, расположенные так, что нормаль к ним составляет с осью трубки Т угол Брюстера. Это позволяет свести отражение от торце вых пластин к минимуму и получить на выходе линейно поляризованное излучение.

Для отбора нужного излучения и увеличения мощности трубку поме щают в оптический резонатор, который представляет собой два зеркала М и М2, расположенных параллельно на некотором расстоянии друг or друга.

Коэффициент отражения этих зеркал очень высок (98–99 %).

M1 M r1 r2 r + Ua Uнак Рис. 2.24. Устройство газового лазера На практике лазерные резонаторы обычно образуются сферическими или плоскими зеркалами.

Основное назначение резонатора – осуществление положительной об ратной связи: его зеркала возвращают часть световой энергии, излученной активной средой, обратно.

Все свойства лазерного излучения зависят исключительно от совокуп ности действия активной среды и оптического резонатора.

Многократное прохождение светового пучка за счет отражения от зер кал приводит к его усилению. Расстояние между зеркалами устанавливает ся таким, чтобы оно было кратно целому числу полуволн излучения (усло вие резонанса).

Так как одно из зеркал резонатора полупрозрачно (М1), то индуциро ванное активной средой излучение будет направлено во внешнее простран ство.

Выходное излучение OKГ является узконаправленным, так как испус каются лишь волны, многократно отраженные oт зеркал резонатора и не испытавшие отклонений от оптической оси.

Лазерное излучение является монохроматическим, т. е. оно сосредото чено в узкой полосе частот. Такое излучение обладает высокой когерентно стью: как пространственной, обусловленной плоским фронтом волны из лучения, так и временной, поскольку излучение монохроматично во вре мени.

Излучение ОКГ обладает свойством линейной поляризованности, соз даваемой плоскопараллельными окнами, установленными под углом Брю стера.

Индуцированное излучение обладает значительной мощностью, т.к. в процессе создания излучения одновременно участвует большое количество возбужденных атомов.

ВНИМАНИЕ!

При работе с лазером необходимо строго соблюдать меры предосто рожности, связанные с использованием в системе его питания источника высокого напряжения.

Любое перемещение лазера во включенном состоянии категорически запрещается!

Попадание в глаза прямого излучения лазера опасно для зрения. Поэто му при работе свет от лазера разрешается наблюдать только после отраже ния от экрана с рассеивающей поверхностью.

Включать лазер разрешается только преподавателю и лаборанту!

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ Упражнение Определение степени поляризации излучения газового ОКГ Степенью поляризации излучения называется выражение I I min P max, (2.5) I max I min где Imax и Imin – максимальная и минимальная интенсивности света, соот ветствующие двум взаимно-перпендикулярным направлениям световых колебаний в пучке.

Для определения Р используется установка, схема которой приведена на рис. 2.25.

П ФП Лазер A Рис. 2.25. Схема лабораторной установки Излучение лазера направляется на поляроид П, за которым находится фотоприемник ФП и микроамперметр. По величине фототока судят об ин тенсивности света.

Плавно вращая поляроид в оправе, находим максимальное значение фо тотока imax, которое пропорционально максимальной интенсивности про шедшего через поляроид света, и фиксируем угол поворота поляроида max.

Затем таким же образом определяем минимальное значение фототока imin и фиксируем min. Измерения повторяем еще 3–5 раз и находим средние значения imax, max, imin, min. По формуле (2.5) рассчитать степень поляризации излучения ОКГ. Определить разность углов поворота поля роида max min. (2.6) На основании этих результатов сделать вывод о степени поляризации излучения лазера.

Упражнение Определение длины волны излучения лазера с помощью дифрак ционной решетки Излучение лазера представляет собой узкий пучок параллельных моно хроматических когерентных волн.

Эти свойства позволяют использовать излучение лазера для наблюде ний различных случаев дифракции Фраунгофера. Схема установки приве дена на рис.2.26.

I ХК к Лазер Э L Рис. 2.26. Схема измерений Узкий пучок света от лазера падает на прозрачную дифракционную ре шетку I. Параллельно решетке на расстоянии 40–50 см от нее располагает ся экран. На экране наблюдается дифракционная картина в виде светящих ся полосок, представляющих собой главные дифракционные максимумы.

Для упрощения оптической схемы опыта за дифракционной решеткой не помещена линза для фокусировки дифракционных максимумов, поэто му на экране спектры излучения лазера представлены в виде широких по лосок, повторяющих сечение первичного светового пучка, падающего на решетку.

Дифракционную решетку I и экран Э необходимо установить перпен дикулярно оси светового пучка лазера. В этом случае дифракционные мак симумы располагаются симметрично относительно нулевого максимума, как показано на рис. 2.26.

Закрепив на экране Э листок миллиметровой бумаги, отмечают положе ния всех дифракционных максимумов (следует отмечать середины наблю даемых спектров-полосок). Измерить расстояние между дифракционной решеткой и экраном L. Снять листок бумаги с экрана и измерить расстоя ния между нулевым и k-м максимумом Xk. Результаты измерений занести в табл. 2.4.

Расчет длины волны проводится по формуле d sin k (2.7) k где k=1,2,3... – порядок спектра;

d – период (постоянная) решетки, указыва ется на решетке.

Таблица 2. Порядок L, мм Xk, нм tgk sink, нм спектра k Значение угла k (угол дифракции k-го спектра) определяется из соотношения tgk=Xk/L. (2.8) По формулам (2.7) и (2.8) определить длины волн для всех порядков спектра. Вычислить среднее значение и рассчитать погрешность изме рений.

Сравнить этот результат с табличным значением (паспортные данные лазера).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Каковы характерные особенности лазерного излучения?

2. Каковы особенности вынужденного излучения?

3. Из каких основных частей состоит лазер? Их назначение.

4. Какова роль оптического резонатора в формировании лазерного излу чения?

5. В чем заключается дифракция и поляризация света?

6. Чем отличается естественный свет от поляризованного?

7. Что представляет собой дифракционная решётка? Опишите дифрак ционный спектр и сформулируйте условия главных максимумов.

ЛР 2.3. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛА РАСХОДИМОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Узкая направленность лазерного пучка определяется многократностью прохождения вынужденного излучения в газоразрядной трубке между па раллельными зеркалами резонатора. Часть излучения, направление которо го по каким-либо причинам значительно отклоняется от осевого, через бо ковые стенки газоразрядной трубки покидает активную среду и не участву ет в дальнейшем усилении излучения.

Такое устройство резонатора позволяет с улучшением технических воз можностей изготовления лазеров уменьшать расходимость лазерного пуч ка. В итоге расходимость будет определяться свойствами самого излуче ния, т.е. длиной волны излучения и характерным размером объема актив ной среды. Установлено, что минимальная теоретически достижимая рас ходимость пучка лазерного излучения определяется по формуле =/d, (2.9) где – угловой раствор луча, рад;

– длина волны излучения, м;

d – диа метр источника излучения, м.

В данной работе для измерения расходимости излучения используется метод сечения пучка.

Схема измерений представлена на рис. 2.27.

Угол расходимости из геометрических соотношений определится по формуле d N d =2arctg, (2.10) LN где dN, d0 – диаметры пучка излучения в различных сечениях, мм;

LN – рас стояние между измеряемыми сечениями, мм.

Э Э Лазер dN d LN Рис. 2.27. Схема измерений ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ 1. Установить экран перпендикулярно оси пучка на начальном расстоя нии от лазера и отметить это положение экрана.

2. Отметить на листе, прикрепленном на экране, диаметр пучка d0. Сме стить экран вдоль пучка на расстояние LN и вновь отметить на листе диа метр пучка dN. Операцию провести 5–6 раз и для разных расстояний LN.

3. Снять лист с экрана, измерить любым измерительным инструментом диаметры. Результаты занести в табл. 2.5.

Таблица 2. N d0, м dN, м LN, м N, рад N, рад 4. Определить углы расходимости излучения по формуле (2.10).

Рассчитать погрешность измерения для двух крайних значений dN.

Определить угол расходимости луча по формуле (2.9) и сравнить с по лученным из опыта.

Построить график зависимости d = d(L) и определить по графику сред нее значение угла расходимости. Сравнить результат с определенным ранее.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Чем характеризуется лазерное излучение?

2. Чем обусловлена малая расходимость лазерного излучения?

3. От чего зависит расходимость излучения лазера?

Глава 3. Элементы фотометрии и светотехники 3.1. Основные понятия Разнообразные действия света связаны в первую очередь с наличием определенной световой энергии. Свет, рассматриваемый как электромаг нитная волна, переносит энергию без переноса вещества. В волновой оп тике важнейшей энергетической характеристикой электромагнитной волны является плотность потока излучения, иначе называемая интенсивно стью волны. Она равна средней мощности излучения, переносимой вол ной через поверхность единичной площади:

I=Wср /tS. (3.1.1) Выделим в пространстве, где распространяется плоская электромагнит ная волна со скоростью с, участок поверхности площади S (рис.3.1).

Y S E X c B l c t Z Рис. 3.1. Область распространения плоской электромагнитной волны За время t через эту поверхность пройдёт энергия, содержащаяся в элементарном объёме V=Sl=Sct.

Так как поток энергии волн в течение периода колебаний Т изменяется от максимума до нуля, предполагаем, что tT. Средняя энергия, содер жащаяся в этом объёме, равна Wср=wсрV=wсрSct, где wсрсредняя плотность энергии электромагнитной волны. Подставив это значение средней энергии в выражение (3.1.1), получим вектор Н. Умо ва (1846-1915) - Д. Пойнтинга (1852-1914):


I = wср с.

Модуль этого вектора и есть интенсивность волны, или плотность по тока излучения. Нетрудно убедиться, что единицей плотности потока излу чения является ватт на квадратный метр.

Действие световой энергии вызывает ощущение света глазом, любым дру гим приемником света. Явления, происходящие при испускании, распростра нении, поглощении света, связаны прежде всего с процессами испускания, распространения и поглощения энергии света или лучистой энергии.

Фотометрия – раздел физической оптики, посвящённый изучению электромагнитного излучения оптического диапазона. Под фотометрией в широком смысле понимают измерение характеристик процессов испуска ния, распространения, поглощения и рассеяния излучения в диапазоне от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей. Под фотометрией в узком смысле слова понимают световые измерения, т.е. оценку энергии видимого излучения в соответствии с его действиями на глаз и другие приемники света. Фотометрические измерения можно производить двумя различными методами: объективно по мощности электромагнитного излучения и субъективно по световому действию видимых оптических волн на раз личные приёмники излучения (глаз, фотоэлементы, фотоумножители). Со ответственно этим двум различным задачам устанавливаются и два ряда величин, рассматриваемых в фотометрии: объективные энергетические ха рактеристики и субъективные – световые (фотометрические) характери стики. Энергетические фотометрические величины оптического излучения рассматриваются безотносительно к его действию на приёмники излуче ния.

В фотометрии, как и любом другом разделе физики, используют идеа лизацию – точечный источник и понятие телесного угла. Считается, что точечный источник равномерно излучает свет во все стороны, т.е. действие источника будет зависеть только от расстояния R от приемника до источни ка и не будет зависеть от направления радиуса, проведенного к приемнику от источника. Размеры его намного меньше расстояния до освещаемой по верхности. Например, если лампа диаметром 10 см освещает поверхность на расстоянии 100 м, то эту лампу можно считать точечным источником.

Но если расстояние до поверхности 50 см, то такое предположение сделать нельзя. Типичный точечный источник света звёзды.

Для протяжённых источников мы можем разбить поверхность источ ников на элементарные участки (достаточно малые по сравнению с рас стоянием) и, определив действие, создаваемое каждым из них, проинтегри ровать затем по всей площади источника.

Телесный угол характеризует область пространства, ограниченную ко нической поверхностью. Единица телесного угла стерадиан (ср) является дополнительной единицей СИ. Стерадиан равен телесному углу с верши ной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, рав ную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы (рис.3.2). Для измерения телесного угла следует найти отношение площади поверхности шарового сегмента S0 к квадрату радиуса сферы с центром в вершине ко нуса:

= S0 /R2.

Зная площадь поверхности сферы S0, можно определить полный телес ный угол вокруг точки:

=4R2/R2=4.

Воздействие света на глаз, или какой-либо другой приёмный аппарат состоит прежде всего в передаче этому регистрирующему аппарату энер гии, переносимой световой волной. Мы должны составить себе представ ление об измерении света, которое сводится к изме S0 рению энергии, переносимой световой волной, или к измерению величин, так или иначе связанных с R этой энергетической характеристикой. Их выбор обусловлен особенностями приёмных аппаратов, R непосредственно реагирующих на ту или иную из этих величин, а также возможностью осуществле ния эталонов для воспроизведения этих величин.

Рис. 3.2. Телесный угол За основную исходную величину для энергети ческой характеристики излучения берётся энергия излучения.

Энергией излучения (Qe, W) называется физическая величина, харак теризующая энергию, переносимую излучением, заключённую в поле из лучения или в какой-либо его части. Единицей энергии излучения, как и любого другого вида энергии, является джоуль. Джоуль (J, Дж) равен энергии излучения, эквивалентной работе 1 Дж.

Световые характеристики и их единицы будут приведены позже. Здесь же заметим, что оценки света по энергии и зрительному ощущению могут существенно различаться. Так, при одной и той же мощности потока зри тельное ощущение от лучей зеленого света будет примерно в 100 раз больше, чем от лучей красного или сине-фиолетового цвета, так как чувст вительность глаза к цвету зависит от длины волны последнего. Эту чувст вительность отражает кривая видности (зависимости относительной чув ствительности глаза от длины волны света) среднего глаза, приведенная на рис.3.3. Максимальная чувствительность глаза соответствует =555 нм.

Этим и объясняется необходимость введения световых характеристик на ряду с энергетическими.

U 1, 0, 0, 0, 0,, нм 400 440 480 520 560 600 640 680 Рис. 3.3. Кривая видности 3.2.Сила света и световой поток Потоком излучения (Фe, Р) называется физическая величина Фe, ха рактеризующая перенос энергии излучений в пространстве, равная отно шению энергии Qe, перенесённой через какую-либо поверхность, ко вре мени t, за которое эта энергия перенесена:

Фe =Qe /t. (3.2.1) Так как поток энергии волн в течение периода колебаний T изменится от максимального до нуля, предполагается, что tT. Полагая в опреде ляющем уравнении[Qe]=1 Дж;

[t]=1с, получаем единицу потока излуче ния: [Фe]=1Дж/с=1Вт. Ватт (W, Вт) равен потоку излучения, эквивалентно му механической мощности 1Вт.

Сила излучения (Ie). Полный поток излучения характеризует излуче ние, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических целей необходимо знать не полный, а тот поток, который идет по определенному направлению. Так, например, автомобилисту важно получить достаточно большой поток света в сравнительно узком телесном угле, внутри которого находится небольшой участок шоссе. Для этого и вводят понятия силы излучения и силы света.

Определяющим уравнением силы излучения является соотношение Ie = Фe /, (3.2.2) где Фe – поток излучения в телесном угле. Единица силы излучения [Ie]=Вт/ср. Ватт на стерадиан (W/sr, Вт/ср) равен силе излучения точечно го источника, излучающего в телесном угле 1 ср поток излучения 1Вт.

Сила света – субъективная энергетическая характеристика, обозначае мая I. Является исходной физической величиной, лежащей в основе фото метрических (световых) величин. В системе СИ единицей силы света явля ется кандела (cd, кд), входящая в семь основных единиц системы.

Кандела равна силе света в заданном направлении от источника, испус кающего монохроматическое излучение частотой 5401012 Гц, энергетиче ская сила света, которая в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Название единицы происходит от латинского слова candela, что означа ет свеча. Установление единицы силы света, естественно, опиралось на предшествующие метрологические работы в этом направлении. При созда нии эталона единицы силы света использовались свойства полных излуче ний. Под полными излучателями подразумеваются излучатели, спектраль ное распределение излучения которых при данной температуре совпадает с излучением абсолютно чёрного тела при этой же температуре.

Государственный первичный эталон силы света России обеспечивает воспроизведение канделы со средним квадратическим отклонением ре зультатов измерений не выше 2·10–3 при не исключённой систематической погрешности, не превышающей 6·10–3.

Световой поток (Ф). В тех случаях, когда из текста ясно, о каких ве личинах – энергетических или световых идёт речь, индексы е и могут опускаться.

При неравномерном распределении излучения в пространстве световой поток Ф в телесном угле определяется следующим образом:

Ф= I d, где I – сила света. При равномерном испускании света в телесном угле световой поток Ф=I. Подставляя в определяющее уравнение I=1кд, =1ср, получаем единицу светового потока Ф=1кдср=1лм. Эта единица получила специальное наименование люмен от слова lumen, что в переводе с латинского означает свет.

Люмен (lm, лм) равен световому потоку, испускаемому точечным ис точником в телесном угле 1ср при силе света 1кд. Если Iv=const, то, соглас но определению светового потока, полный световой поток точечного ис точника света Ф полн=4I.

3.3. Освещенность. Законы освещенности Часто, чтобы охарактеризовать действие света, важно знать не полный поток от источника, а тот поток, который падает на определенную площад ку. Скажем, для работающего за письменным столом важен поток, который освещает стол или даже часть стола, тетрадь или книгу, т. е. поток, прихо дящийся на некоторую площадь.

Энергетической освещённостью (облучённостью) (Ее) называется поверхностная плотность потока излучения, падающего на данную по верхность. Определяющим уравнением энергетической освещённости яв ляется соотношение Еe=Фe /S, где Фe – поток излучения, равномерно падающий на поверхность площа дью S. Отсюда размерность энергетической освещённости совпадает с раз мерностью поверхностной плотности потока излучения. Единица энерге тической освещённости [Еe]=1Вт/м2. Ватт на квадратный метр (W/m2, Вт/м2) равен энергетической освещённости поверхности площадью 1м при потоке излучения, падающем на неё и равном 1Вт.

Освещённость (E) световая величина, равная отношению светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади S этой поверхности:

E=Ф /S.

Полагая в определяющем уравнении Ф=1лм, S=1м2, получаем единицу освещённости [E]=1лм/м2=1лк. Эта единица освещённости получила спе циальное наименование люкс (от латинского слова luxus пышность, ве ликолепие). Люкс (lx, лк) равен освещённости поверхности площадью 1м при световом потоке падающего на него излучения, равном 1лм.


Выясним, от чего зависит освещённость поверхности, на которую пада ет световой поток. Пусть в центре сферы находится точечный источник, испускающий световой поток во все стороны. Площадь поверхности сферы равна 4R2, а полный световой поток Ф=4I. Поэтому выражение для освещённости имеет вид E =Ф/S=4I /4R2=Iv/R2.

Значит, освещённость поверхности, создаваемая точечным источником света, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. Но мы в наших рассуждениях не учитывали, что в большинстве случаев световой поток падает на освещаемую поверх ность не перпендикулярно к ней, а под n некоторым углом. Пусть световой по- ток падает на элемент поверхности * Луч площадью S, расположенный под уг- S0 S лом к направлению светового луча (рис. 3.4). Площадь S связана с пло щадью S0 элемента сферической по верхности соотношением S0=S cos. Рис.3.4. Телесный угол Телесный угол =S0 /R2=S cos/R2. (3.3.1) Используя полученное выражение (3.3.1), найдём освещённость данной поверхности:

E=Ф /S=I /S=IS cos /SR2=Icos /R2. (3.3.2) Соответственно освещённость наклонной площадки связана с освещён ностью площадки, перпендикулярной световым лучам, соотношением E=E0 cos.

Мы получили ещё один закон: освещённость поверхности прямо про порциональна косинусу угла падения лучей.

Таким образом, формула (3.3.2) представляет собой обобщённый закон освещённости: освещённость поверхности, создаваемая точечным источ ником, прямо пропорциональна силе света источника, косинусу угла паде ния лучей и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Сравнивая освещенности площадок, расположенных на разных рас стояниях до источника, получаем закон обратных квадратов:

E1 R 2.

E2 R В том случае, когда одну поверхность освещают несколько независи мых источников, общая освещённость поверхности равна сумме освещён ностей, созданных каждым источником в отдельности.

Для протяженных источников их поверхность разбивают на элементар ные участки (достаточно малые по сравнению с R) и, определив освещен ность, создаваемую каждым из них по закону обратных квадратов, интег рируют по всей площади источника, принимая во внимание зависимость силы света от направления. Зависимость освещенности от расстояния окажется при этом более сложной.

Однако при достаточно больших (по отношению к размерам источни ка) расстояниях можно пользоваться законом обратных квадратов. Этот уп рощенный расчет дает практически хорошие результаты, если линейные размеры источника менее 1/10 расстояния от источника до освещаемой по верхности (относительная погрешность менее 1 %). Так, для источника в виде диска диаметром 50 см на расстоянии 50 см от него ошибка при ис пользовании приведенных законов составляет 26 %;

на расстоянии 2 м – уже 1,5 %, а на 5 м – всего 0,25 %.

В табл. 3.1 приведены значения освещенности (лк) в некоторых типич ных случаях.

Таблица 3. Под прямыми солнечными лучами в полдень 100 В пасмурный день 1 В светлой комнате у окна Необходимая для чтения 30- От полной Луны 0, От ночного неба в безлунную ночь 0, 3.4. Яркость и светимость До сих пор мы рассматривали в качестве источника света точечный ис точник. Реальные источники света всегда протяженные. Даже если это све тящийся во все стороны шарик, то его недостаточно характеризовать вели чинами светового потока и силой света. Представим себе 2 шарика, испус кающих свет равномерно во все стороны и имеющих одинаковую силу све та, но разный диаметр. Освещенность на одинаковом расстоянии от центра их будет одинакова. Но по виду шарики будут различаться: маленький бу дет казаться ярче, так как площадь его поверхности меньше, а сила света, испускаемая с единицы поверхности, – больше. Итак, помимо силы света для характеристики источника важна также площадь его поверхности, при чем более – площадь видимой поверхности.

Энергетической яркостью (Le, Ве) называется физическая величина, численно равная силе света единицы площади поверхности источника, перпендикулярной к направлению наблюдения:

Le=dIe /dS.

В простейшем случае, когда равномерно излучающая поверхность пло ская, а направление наблюдения перпендикулярно к ней, энергетическая яркость определяется соотношением Le=Ie/S. Единица энергетической яр кости [Le] = 1 Вт/(срм2). Ватт на стерадиан-квадратный метр [W/(srm2), Вт/(срм2)] равен энергетической яркости равномерно излучающей плоской поверхности площадью 1м2 в перпендикулярном к ней направлении силы излучения 1 Вт/ср.

Яркостью (L, В) светящейся поверхности в направлении под углом с нормалью к поверхности называется световая величина, равная отноше нию силы света в этом направлении к площади проекции светящейся по верхности S на плоскость, перпендикулярную к данному направлению.

Единица яркости [L]=1кд/м2. Кандела на квадратный метр (cd/m2, кд/м2) равна яркости равномерно светящейся плоскости площадью 1м2 в перпен дикулярном к ней направлении при силе света 1кд.

Менее часто в фотометрии, но часто в волновой и квантовой оптике в качестве характеристики источников света, учитывающих площадь их по верхности, используют светимость.

Энергетической светимостью (излучательностью) (Ме, Rе) называет ся физическая величина, равная поверхностной плотности потока излуче ния Фe, испускаемого поверхностью, площадь которой S:

Me=Фe /S.

Следовательно, размерность энергетической светимости совпадает с размерностью энергетической освещённости: [Me]=1Вт/м2. Ватт на квад ратный метр (W/m2, Вт/м2) равен энергетической светимости поверхности площадью 1м2 при потоке излучения с неё, равном 1Вт.

Светимость (M) физическая величина, равная отношению светового потока Ф, испускаемого светящейся поверхностью, к её площади S:

M=Ф/S. Отсюда следует, что единица светимости равна [M]=1лм/м2. Лю мен на квадратный метр (lm/m2, лм/м2) равен светимости поверхности площадью 1м2, испускающей световой поток 1лм.

Яркость L есть величина, зависящая от направления;

однако для неко торых источников она может от направления не зависеть. Такие источники называются источниками, подчиняющимися закону Ламберта, т.е. сила света зависит от направления по закону I=I0 cos, где – угол между нормалью к поверхности излучения и направлением на блюдения;

I0 сила света в перпендикулярном направлении.

Таким образом, для источников, подчиняющихся закону Ламберта, L=I/S cos =I0 cos /S cos =I0 /S.

Можно показать, что для этих источников между светимостью и ярко стью существует простая зависимость M=L. Строго говоря, таким источ ником является только абсолютно чёрное тело;

матовая поверхность или мутная среда, каждый участок которой рассеивает свет равномерно во все стороны, служит более или менее хорошим подобием ламбертова источника.

Сила света обычно зависит от направления;

эта зависимость характери зуется диаграммой направленности излучателя. Наиболее правильную диа грамму имеет плоская, диффузионно излучающая поверхность. Так, в на правлении, составляющем угол с нормалью к поверхности, сила света равна I cos. Диаграмма направленности представляет собой окружность, такая излучающая поверхность называется излучателем Ламберта (рис.3.5).

Наш глаз непосредственно реагирует на яркость источника. Источник света с яркостью более 15·104 кд/м2 вызывает бо лезненные ощущения в глазу. Поэтому используют матовые колбы ламп, абажуры и прочие светотех Icos нические конструкции, которые увеличивают пло щадь светящейся поверхности и тем самым умень Рис. 3.5. Ламбертовское шают яркость источника. В табл. 3.2 приведены значения яркости типичных объектов.

излучение Таблица 3. Яркость, кд/м Объекты 15· Солнце 15· Кратер угольной дуги 5· Пламя свечи 10- Ночное безлунное небо 10- Наименьшая различимая яркость 3.5. Источники света Необходимой частью любого осветительного прибора является источ ник света. В настоящее время в основном используются в быту, технике, научных исследованиях и т.д. искусственные электрические источники све та.

Источники света разделяются по спектру излучения:

а) со сплошным спектром (с максимумом излучения в различных облас тях: инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой);

б) с линейчатым спектром (с несколькими спектральными линиями раз личной интенсивности в одной или различных областях спектра).

Для получения сплошного спектра в видимой области используются лампы накаливания и люминесцентные лампы. Мощными источниками света сплошного спектра являются электрические дуги.

Газосветные лампы различных типов используются для получения из лучения в узких областях спектра. В газосветных лампах электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электри ческого тока через газы или пары металлов. Кроме источников постоянного излучения существуют импульсные источники света, дающие одиночные или периодически повторяющиеся световые вспышки определённой дли тельности.

К основным характеристикам источников света относятся:

1. Номинальное рабочее напряжение V.

2. Потребляемая электрическая мощность W.

3. Световой поток, излучаемый источником lm.

4. Световая отдача lm/W.

5. Срок службы (время непрерывного излучения) h.

6. Спектр излучения.

7. Геометрические размеры.

Световая отдача ( ) определяется отношением светового потока Ф, излучаемого источником, к потребляемой электрической мощности Р, т.е.

отношением энергии полезной для освещения к энергии затраченной. Ино гда для экономической оценки источника света используется его коэффи циент полезного действия – как отношение энергии светового потока Ф, выраженного в Вт через механический эквивалент света Kсв=1,46610– Вт/лм, к потребляемой электрической мощности P:

=ФKсв /P.

Спектр излучения определяется по A=f() – амплитудно-частотным ха рактеристикам данного вида источника излучения.

Лампы накаливания – электрический источник света с излучателем в виде накаливаемой током проволоки (нити) из тугоплавкого материала, из готовляются пустотными или газонаполненными. Нить накала изготовляют из вольфрама, обладающего высокой температурой плавления (3380 С) и малой скоростью испарения при высоких температурах (до 3000 С). Для увеличения срока службы ламп в процессе их изготовления выкачивают из стеклянных колб воздух, а вместо него колбы наполняют инертным газом (смесь из 96 % аргона и 4 % азота или чистый криптон). Такие лампы на зывают газонаполненными. При нагреве спирали инертные газы также на греваются, в результате чего увеличивается их давление, а поэтому умень шается испарение вольфрама.

С повышением температуры нити повышается световая отдача и со кращается срок службы. Лампы накаливания общего назначения имеют световую отдачу от 8 лм/Вт (маломощные лампы) до 20 лм/Вт (мощные лампы). Бытовые лампы накаливания (220 В, 40-200 В) имеют световую отдачу 11–15 лм/Вт. У прожекторных ламп накаливания световая отдача достигает 30 лм/Вт.

Лампы накаливания обладают сравнительно большой тепловой инерци ей, возрастающей с увеличением мощности, благодаря чему их свет почти не мигает при пульсации переменного тока. Увеличение напряжения на лампах накаливания против номинального на 1 % повышает световой по ток на 4 %, но снижает срок службы на 15 %. Кратковременное включение с напряжением, превышающим номинальное на 15 %, выводит лампу из строя.

Срок службы лампы накаливания колеблется от 5 ч (самолётные фар ные лампы) до 1000 ч и более. Автомобильные лампы имеют срок службы 200–500 ч. Экономичность ламп накаливания незначительна, их световой КПД не превышает 5 %.

Люминесцентные лампы – газоразрядные источники света, световой поток которых определяется в основном свечением люминофоров под воз действием ультрафиолетового излучения.

Люминесцентные лампы обладают существенными преимуществами: в несколько раз большей экономичностью, значительно лучшими цветовыми свойствами и повышением срока службы.

Люминесцентные лампы представляют собой стеклянную трубку, на полненную парами ртути и аргона, с нанесёнными на внутреннюю поверх ность мелкокристаллическим порошком люминесцирующих веществ. В оба конца трубки впаяны электроды в виде вольфрамовых спиралей, по крытых оксидной пастой, облегчающей выход электронов. Схема питания люминесцентной лампы приведена на рис. 3.6.

При работе лампы малый электрический ток проходит между электро дами сквозь газовую среду, возбуждая свечение паров ртути. Ртутные пары при низких давлениях и малом токе испускают главным образом 2 линии спектра (185 и 245 нм).

Видимое свечение зависит от люминофора и может быть лю бым. Светоотдача таких ламп 45–55 лм/Вт и зависит от длины трубки и спектрального состава излучения.

Электродуговые и газораз рядные нелюминофорные лампы мы рассматривать подробно не будем в силу их малой примени Рис. 3.6. Люминесцентная лампа и ее электропитание мости. В табл. 3.3 приведено сравнение трёх различных типов источников света.

Таблица 3. Тип источника Световая отдача, лм/Вт Яркость или сила света Лампы накаливания 10-30 До 3000 кд Люминесцентные лампы 50(45-550) Мала 150·107 кд/м2, 200 000 кд Электрическая дуга Таким образом, люминесцентные лампы обладают высокой экономич ностью (и большим сроком службы), но малой яркостью, а следовательно, силой света в данном направлении, т.к. имеют большие размеры. Хотя в последнее время размеры люминесцентных элементов сильно уменьши лись (рис. 3.7). В табл. 3.4 приведены типовые характеристики конкретных источников.

Рис. 3.7. Люминесцентная лампа Таблица 3. Тип Полный световой поток, лм Световая отдача, лм/Вт Лампа накаливания бытовая 1250 13, 100 Вт/220 В Люминесцентная лампа белого 5220 света ЛБ80 бытовая Электрическая дуга обладает исключительной яркостью, но долгое время источники света на ее основе были нетехнологичны. Впрочем, по следнее время газоразрядные лампы, все более близкие по параметрам раз ряда к электрической дуге, пробивают себе дорогу, в том числе и в автомо бильной технике (рис. 3.8): это принципиально новые источники света – ксеноновые лампы. В бытовой технике они давно уже не но вость и широко применяются в кинопроекционной аппаратуре Рис. 3.8. Ксеноновая лампа и фотовспышках – их спектр излучения близок к солнечному свету. В колбе этих ламп светится дуговой разряд между электродами, помещенными в инертную среду. Поэтому та кие лампы не перегорают (нечему), не боятся вибраций, а световая отдача дос тигает 80 лм/Вт.

3.6. Основные задачи фотометрии и светотехники Итак, в рамках фотометрии мы познакомились с основными фотомет рическими характеристиками:

1) поток излучения и световой поток – характеристики светового поля (поля излучения);

2) сила света, полный световой поток, яркость, светимость, световая от дача – характеристики источника света;

3) освещенность – характеристика воздействия света.

Фотометрия – наука, занимающаяся измерением этих величин. Фото метрические (световые) измерения разделяются на объективные, произво димые с помощью приборов, не требующих участия глаза, например с по мощью фотоэлементов, и субъективные, или визуальные, в которых изме рения основаны на показаниях глаза.

Объективные (фотоэлектрические) измерения основаны на зависимости силы фототока от поглощённого фотоэлементами светового потока. По этому шкалу электроизмерительного прибора, соединённого с фотоэлемен том, как правило, вентильным, можно градуировать непосредственно в тех или иных фотометрических единицах, например в люксах. В таком люкс метре для согласования спектральной чувствительности фотоэлемента V с функцией видности глаза используются фильтры. Погрешность таких люксметров 5–10 %. Кроме люксметров на фотоэлементах с запирающим слоем используют люксметры на фотосопротивлениях (главным образом в экспонометрах для фотографии), но для их работы необходим источник пи тания.

Визуальные измерения производятся непосредственно глазом. Наи большее распространение имеют фотометры, служащие для сравнения ос вещённостей двух соприкасающихся поверхностей, освещаемых сравни мыми источниками.

Для достижения равенства освещённостей применяются разнообразные приёмы, ведущие к ослаблению освещённости, создаваемой более силь ным источником. Это достигается: изменением расстояния от источника до фотометра, изменением поглощения фильтром переменной толщины (кли ном) и другими способами.

Более широкие задачи решает светотехника. Это задачи изменения и варьирования фотометрических величин. В рамках этой технической науки производят расчет и осуществление рационального освещения жилых по мещений, общественных мест, производственных мест, производственных помещений, на транспорте и т.д.

Для целей освещения применяют разнообразные осветительные прибо ры, состоящие из источника света и осветительной арматуры. Осветитель ные системы (арматура) не могут увеличить полный световой поток, кото рый является величиной, характеризующей источник. Однако они играют большую роль в перераспределении светового потока и концентрации его в нужном направлении.

Вообще, существуют две основные задачи светотехники, которые должны решаться при минимальных экономических и энергетических за тратах:

1) создание равномерной освещенности на больших площадях, отве чающей нормам, ГОСТам и т. д.;

2) увеличение силы света по нужному направлению с соответствующим уменьшением ее в других направлениях.

Решением этих задач создаются оптимальные освещенности на рабочих местах. В результате увеличивается производительность труда, улучшается качество продукции, сохраняется зрение работающих, уменьшается число несчастных случаев и т.д.

Вторая задача решается, в частности, в системах освещения и сигнали зации автомобилей и дорожных машин.

Здесь необходимо решить сложную светотехническую задачу: для обес печения и рентабельности перевозок в ночное время необходимо при отно сительно малой мощности источника света ( 90 Вт) c низкой световой от дачей (13,5 –23 лм/Вт) добиваться не только больших сил света в нужном направлении (150000 кд), но и распределения этого светового потока не равномерно. При этом для систем освещения нужно добиться требуемой дальности видимости в том или ином направлении и яркость, исключаю щую ослепление водителей встречных автотранспортных средств.

Приложения к главе Приложение 3.1. Автомобильные лампы Основными электрическими параметрами автоламп являются (ГОСТ 2023.1–88):

1. Номинальное напряжение (6, 12, 24 В).

Uн – такое напряжение, которое обеспечивает работу лампы и все харак теристики, определенные для нее в ГОСТе.

2. Электрическая мощность P (Вт).

3. Расчетное напряжение Uр – наиболее вероятное напряжение, при ко тором лампа будет работать в течение ее срока службы. С учетом особен ностей электрического режима работы аккумулятора для Uн=12 В;

Uр= 13, В (для автолампы А 12 – 45+40).

К основным световым параметрам относятся:

1. Номинальный световой поток лампы Ф, лм (полный поток), при Uн.

Допускается разброс 5 – 10 %.

2. Максимальная сила света Im, кд (средняя, по всем направлениям).

3. Яркость тела накала L (В, кд/м2).

Экономические и эксплуатационные параметры автоламп:

1. Световая отдача ламп H=Ф/Р, кд/м2, – основной параметр, характе ризующий экономичность ее применения.

2. Средняя продолжительность горения (ч). Это результат испытания определенной выборки ламп при расчетном напряжении Uр. Для автоламп колеблется в пределах 200–500 ч.

3. Стабильность светового потока – это световой поток лампы, выра женный в процентах от начального значения, измеренный после 75 %-ной средней продолжительности горения. Он должен быть, как правило, 75 % (кроме вакуумных ламп 60 %).



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.