Проектирование освещения. Решение задач при расчете освещения второго вида производится, если мощность ламп точно задана, например необходимо применить светильники с люминесцентными лампами мощностью 80 Вт
 Скачать 208.83 Kb.
|
|
появление или взгляд) -- раздел физики, рассматривающий явления, связанные с распространением электромагнитных волн преимущественно видимого и близких к нему диапазонов (инфракрасное и ультрафиолетовое излучение). Оптика описывает свойства света и объясняет связанные с ним явления. Методы оптики используются во многих прикладных дисциплинах, включая электротехнику, физику, медицину (в частности, офтальмологию). В этих, а также в междисциплинарных сферах широко применяются достижения прикладной оптики. Важнейшие понятия оптики: преломление и отражение света (ход лучей света на примере призмы). Вместе с точной механикой оптика является основой оптико-механической промышленности. 2.1 Природа света Оптика оказалась одним из первых разделов физики, где проявилась ограниченность классических представлений о природе. Была установлена двойственная природа света: Корпускулярная теория света, берущая начало от Ньютона, рассматривает его как поток частиц -- квантов света или фотонов. В соответствии с идеей Планка любое излучение происходит дискретно, причём минимальная порция энергии (энергия фотона) имеет величину е = hн, где частота н соответствует частоте излучённого света, а h есть постоянная Планка. Использование представлений о свете, как потоке частиц, объясняет явление фотоэффекта и закономерности теории излучения. Волновая теория света, берущая начало от Гюйгенса, рассматривает свет как совокупность поперечных монохроматических электромагнитных волн, а наблюдаемые оптические эффекты как результат сложения (интерференции) этих волн. При этом считается, что в отсутствие перехода энергии излучения в другие виды энергии, эти волны не влияют друг на друга в том смысле, что, вызвавшая в некоторой области пространства интерференционные явления, волна продолжает распространяться дальше без изменения своих характеристик. Волновая теория электромагнитного излучения нашла своё теоретическое описание в работах Максвелла в форме уравнений Максвелла. Использование представления о свете, как о волне, позволяет объяснить явления, связанные с интерференцией и дифракцией, в том числе структуру светового поля (построение изображений и голографию). 2.2 Характеристики света Длина световой волны л зависит от скорости распространения волны в среде и связана с нею и частотой соотношением: На практике принято считать, что показатель преломления среды является функцией длины волны: n = n(л). Зависимость показателя преломления от длины волны (точнее -от частоты) проявляется в виде явления дисперсии света. Характеристиками света являются: 2.2.1 Частота Главной характеристикой электромагнитной волны является частота, поскольку именно она определяет особенности приема информации. Каждый радиоприемник имеет определенный диапазон рабочих частот. Человеческий глаз также является «приемником» -- со своим рабочим диапазоном. Он настроен на прием электромагнитных волн определенных частот, которые человек воспринимает как видимый свет. Анатомическое строение нашего глаза таково, что одинаковый по интенсивности свет различных оттенков он воспринимает всего лишь как более или менее яркий. Распределение электромагнитных волн по различным частотам называется спектром. Если мы рассмотрим общий спектр электромагнитных волн и место видимого света в нем, то получим следующую картину. Свет может рассматриваться либо как электромагнитная волна, скорость распространения в вакууме которой постоянна (с = 299 792 458 м/с) , либо как поток фотонов: частиц, обладающих определённой энергией и нулевой массой покоя. 2.2.2 Спектр (Цвет) Одной из характеристик света является его цвет, который для монохроматического излучения определяется длиной волны, а для сложного излучения -- его суммарным спектром. Свет, видимый человеком, занимает лишь малый участок спектра электромагнитных волн (рис 1.). Наш глаз способен воспринимать электромагнитное излучение в диапазоне частот от 400 до 700 нм. Важно то, что цвет наблюдаемого света зависит от его частоты. По мере роста частоты цвет видимого света меняется от красного к фиолетовому. При этом одни цвета занимают более широкие диапазоны частот, а другие -- более узкие. 2.2.3 Поляризация Поляризамция волн -- явление нарушения симметрии распределения возмущений в поперечной волне (например, напряжённостей электрического и магнитного полей в электромагнитных волнах) относительно направления её распространения. В продольной волне поляризация возникнуть не может, так как возмущения в этом типе волн всегда совпадают с направлением распространения. Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору. Так что в трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы -- вращение вокруг волнового вектора. Причиной возникновения поляризации волн может быть: несимметричная генерация волн в источнике возмущения; анизотропность среды распространения волн; преломление и отражение на границе двух сред. 2.2.4 Скорость света Универсальным понятием в физике является скорость света c. Её значение в вакууме представляет собой не только предельную скорость распространения электромагнитных колебаний любой частоты, но и вообще предельную скорость распространения любого воздействия на материальные объекты. При распространении света в различных средах скорость света v уменьшается: v = c / n, где n есть показатель преломления среды, характеризующий её оптические свойства и зависящий от частоты света: n = n(н) 2.3 Волновые свойства света 2.3.1 Когерентность Когерентность (от лат. cohaerens -- «находящийся в связи») -- коррелированность (согласованность) нескольких колебательных или волновых процессов во времени, проявляющаяся при их сложении. Колебания когерентны, если разность их фаз постоянна во времени и при сложении колебаний получается колебание той же частоты. Классический пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты. Когерентность волны означает, что в различных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно -- ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем. Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых (то есть некоррелированных) излучателей. Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временной и пространственной когерентности. При распространении электромагнитных волн в волноводах могут иметь место фазовые сингулярности. В случае волн на воде когерентность волны определяет так называемая вторая периодичность. Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция. Радиус когерентности -- расстояние, при смещении на которое вдоль псевдоволновой поверхности, случайное изменение фазы достигает значения порядка р. 2.4.3 Интерференция света Интерференция света — это явление сложения световых волн, при котором обычно наблюдается распределение интенсивности света в виде чередующихся светлых и темных полос. Явление взаимного усиления (ослабления) света, при наложении двух его волн, которые имеют одинаковые частоты колебаний. Это явление наблюдались еще Ньютоном, но он не мог объяснить его с точки зрения его корпускулярной теории. Объяснить интерференцию света как волновое явление смогли в начале 19 в. Т. Юнг и О. Френель Свет, испускаемый разными источниками, строго монохроматическим не бывает. Поэтому для наблюдения интерференции свет от одного источника нужно разделить на два пучка. Для деления волнового фронта пучок света пропускается, например, через два близко расположенных отверстия в непрозрачном экране. 2.4.3 Дифракция Дифракция волн (лат. diffractus -- буквально разломанный, переломанный, огибание препятствия волнами) -- явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Первоначально понятие дифракции относилось только к огибанию волнами препятствий, но в современном, более широком толковании, с дифракцией связывают весьма широкий круг явлений, возникающих при распространении волн в неоднородных средах, а также при распространении ограниченных в пространстве волн. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции (интерференция вторичных волн). Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться: - в преобразовании пространственной структуры волн. В одних случаях такое преобразование можно рассматривать как «огибание» волнами препятствий, в других случаях -- как расширение угла распространения волновых пучков или их отклонение в определённом направлении; - в разложении волн по их частотному спектру; - в преобразовании поляризации волн; - в изменении фазовой структуры волн. Дифракционные эффекты зависят от соотношения между длиной волны и характерным размером неоднородностей среды либо неоднородностей структуры самой волны. Наиболее сильно они проявляются при размерах неоднородностей сравнимых с длиной волны. При размерах неоднородностей, существенно превышающих длину волны (на 3-4 порядка и более), явлением дифракции, как правило, можно пренебречь. В последнем случае распространение волн с высокой степенью точности описывается законами геометрической оптики. С другой стороны, если размер неоднородностей среды много меньше длины волны, то в таком случае вместо дифракции часто говорят о явлении рассеяния волн. 2.4.4 Дисперсия Дисперсия света -- разложение света в спектр, явление, характеризующее зависимость показатель преломления вещества от длины волны. При попытки усовершенствовать телескоп, Ньютон обратился к исследованию цветов, наблюдаемых при преломлении света. Стремясь получить линзы лучшего качества, Ньютон убедился, что главным недостатком изображений является наличие окрашенных краёв. Исследуя окрашивание при преломлении, Ньютон сделал величайшие оптические открытия (например, явление дисперсии). Свет от источника падает на узкое отверстие, при помощи линзы изображение щели получается на экране в виде узкого белого прямоугольника. Поместив на пути пучка света призму, Ньютон обнаружил, что изображение щели сместится и превратится в окрашенную полоску (подобное явление мы наблюдаем в радуге). Это радужное изображение Ньютон условно разбил на 7 цветов. В основных опытах Ньютона заключались следующие открытия: 1. Свет различного цвета характеризуется различными показателями преломления в веществе. 2. Показатель преломления вещества зависит от длины световой волны. 3. Белый свет есть совокупность простых цветов. 3. СВЕТОТЕХНИКА Светотехника -- область науки и техники, предметом которой являются исследование принципов и разработка способов генерирования, пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения, а также преобразование его энергии в другие виды энергии и использование в различных целях. Светотехника включает в себя также конструкторскую и технологическую разработку источников излучения и систем управления ими, осветительных, облучательных и светосигнальных приборов, устройств и установок, нормирование, проектирование, монтаж и эксплуатацию светотехнических установок. Рис 5. Первая лампа Томаса Эдисона В современное время светотехника -- это наука о свойствах света, возможностях и принципов его использования, а также о новых альтернативных источниках получения света. Светотехника как наука плотно связана с энергетикой, электроникой, оптикой, архитектурой. Наиболее востребованные и популярные направления светотехники -- изучение и разработка световых приборов на основе светодиодов, световой дизайн. 3.1 Измерение световых величин Существуют два метода световых измерений: субъективный (зрительный), при котором приемником служит человеческий орган зрения (глаз), и объективный (физический), где для световых измерений используются физические приемники -- фотоэлементы, фотоумножители, фотографические материалы и др. В настоящее время субъективные измерения проводятся значительно реже, чем объективные. Субъективным методом пользуются при градуировке физических приемников, измерениях на линейном фотометре (светотехнической скамье), измерениях цветовой температуры. Измерение яркости проводят тем и другим методом. Для измерения освещенности, светового потока, снятия продольных кривых сил света, измерения энергетических величин используются физические приемники потока излучения. В основе субъективного метода световых измерений лежит способность глаза устанавливать равенство яркостей двух соприкосающихся поверхностей. При использовании физических приемников излучения для световых измерений приходится исправлять (корригировать) их спектральные чувствительности под спектральную чувствительность светло адаптированного глаза. 3.2 Взаимодействие оптического излучения с телом Длина волны или частота электромагнитных колебаний — это качественная характеристика монохромного оптического излучения. Мощность оптического излучения, называемая лучистым потоком, даёт количественную оценку оптического излучения. В общем случае мощность лучистого потока измеряется в ваттах (Вт). Для видимого спектра оптического излучения этот поток называют световым потоком. Основные величины, количественно характеризующие оптическое излучение в целом, — это лучистый поток и сила излучения, облучённость и экспозиция. Лучистый поток Ф (Вт), характеризующий мощность оптического излучения, численно равен лучистой энергии dQ (Дж), излучаемой источником в единицу времени dt (с): Ф = dQ /dt, (1.3) Сила излучения I (Вт/ср) определяет удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу пространственного угла d , измеряемого в стерадианах (ср): I = dФ /d, (1.4) Облучённость E (Вт/м2) характеризует удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу облучаемой поверхности dS (м2): E = dФ /dS, (1.5) Экспозиция (Дж/м2), называемая также количеством облучения, определяет удельную энергию излучения, приходящуюся на единицу облучаемой поверхности в течение времени облучения (с), H = 0 Edt, (1.6) Энергия оптического излучения, падая на какой-либо объект, частично отражается от поверхности объекта, частично им поглощается и частично пропускается. Относительные значения потоков в долях от полного, упавшего на поверхность объекта, соответственно характеризуют коэффициенты: - отражения, - поглощения и - пропускания. Очевидно, что + + = 1 (1.7) Эти коэффициенты - важные оптические показатели различных тел. В зависимости от преобладающего значения того или иного коэффициента тела подразделяют на отражатели, поглотители и фильтры. Из всей энергии оптического излучения в другой вид преобразуется лишь та, которая поглощается телом. Тела, в которых происходит преобразование поглощенной энергии излучения в другие виды энергии (биологическую, тепловую, электрическую и т. д.), называют приёмниками. свет волновой оптический источник 4. ИСТОЧНИКИ СВЕТА СВЕТИЛЬНИКИ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 4.1 Тепловые источники света Электрическим источником оптического излучения, и в частности источником света, называют устройство для преобразования электрической энергии в лучистую энергию оптического спектра. В применяемых электрических источниках оптического излучения электрическая энергия преобразуется в лучистую двумя основными способами: нагревом тела электрическим током и электрическим разрядом в газах и парах металлов. В соответствии с этим электрические источники оптического излучения (лампы) подразделяют на тепловые и разрядные. Возможна и комбинация указанных способов в одном источнике. Различные лампы отличаются между собой электроэнергетическими, светотехническими и эксплуатационными параметрами и характеристиками. Тепловые источники света выполняют в виде различных ламп накаливания. Несмотря на многообразие ламп накаливания, все они работают по единому физическому принципу преобразования электрической энергии в оптическое излучение путем нагрева электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200...2800°С, а также имеют сходные основные конструктивные элементы. Для защиты от окисления тело накала лампы, выполненное в виде вольфрамовой нити, помещают в стеклянную колбу, из которой удаляют воздух и которую для газонаполненных ламп заполняют инертным газом (аргоном, криптоном, азотом или их смесью). Для включения лампы в электрическую цепь её снабжают цоколем, который для различных условий эксплуатации может быть резьбовым, штифтовым, цилиндрическим фиксирующимся и т. д. Наряду с прозрачными стеклянными колбами для снижения яркости лампы применяют матированные, опаловые или "молочные" колбы. Однако в таких колбах теряется до 20% светового потока лампы. В отдельных случаях цокольная часть внутренней поверхности колбы имеет отражатель, выполненный в виде зеркального напыления. Излучательная согласно закону Стефана--Больцмана, зависит от температуры его нагрева в четвертой степени. С другой стороны, закон смещения Вина устанавливает связь положения максимума в спектре излучения черного тела с температурой его нагрева max = С /Т, (2.1) max - длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения черного тела, нм; С = 2898103 нмК - постоянная Вина; Т -- абсолютная температура тела, К. Из анализа формулы (2.1) следует, что с увеличением температуры нагрева максимум излучения черного тела смещается в более коротковолновую часть спектра. Установлено, что при максимуме излучения в видимой части спектра световой КПД потока излучения, выражаемый как отношение светового потока Фс к полному лучистому Фл, достигает максимума 14,5% при температуре около 6500 К. Реальные тела, используемые в качестве тепловых излучателей, не могут быть нагреты до такой температуры из-за нарушения их механической прочности (температура плавления вольфрама 3665 К). Поэтому реальный световой КПД ламп накаливания Фс /Фл с вольфрамовой нитью не превышает 4%. При этом в видимой части спектра ламп накаливания преобладают оранжево-красные излучения с длинами волн 600...760 нм. Сине-фиолетовых излучений с длинами волн 380...480 нм примерно в 10 раз меньше (рис.6). |