Световой поток

Световой поток – физический термин, позволяющий оценить мощность, переносимую излучением в заданном направлении. Величина используется для расчетов освещенности, последняя задается государственными стандартами для объектов, обеспечивающих жизнедеятельность человека.

Положение светового потока в иерархии физических величин оптики

Человеку непосвященному мало говорят надписи приведенных фото этикеток. Даны характеристики светового потока в люменах. Зная световой поток, можно посчитать освещенность поверхности. Требования даны ГОСТ, точнее говоря, ВСН-1-73 для спортивных сооружений. Условия берутся не с потолка, определены физиологией человека. Если речь идет о школьном классе, вниманию подвергается здоровье глаз учеников, преподавателей, о спортклубе — учитываются интересы занимающихся.

Этикетка лампы накаливания

При отступлении от норм возможны негативные, неприятные последствия. Каждому случаю придуман документ. Санитарные нормы, строительные правила. Вот каково положение светового потока в иерархии оптических величин…

Сила света

Первичной характеристикой излучателя оптического диапазона (лампочки) является сила света. Показывает, сколько мощности переносится в заданном направлении, ограниченном телесным углом. Следовательно, сила света на графике не является прямой линией. Максимум мощности диодной матрицы переносится в направлении перпендикулярном раскрыву окуляра (маленькая линза, встроенная конструктивно для улучшения фокусировки излучения). Что касается лампы накаливания, близка параметрами изотропному источнику.

Для полного понимания вопроса составим представление о стерадианах. Единица измерения телесного угла с вершиной в центре сферы. Формально стерадиан равен отношению площади воображаемого шара и квадрата радиуса. Следовательно, величина – безразмерная, как угол. Поэтому во избежание путаницы физики ввели стерадиан. Понятно, величина тесно связана с параметрами сферы. Из определения следует: на площади сферы укладывается 12,56 (4 Пи) стерадиана.

Телесный угол объемный, выглядит конусом с вершиной при центре воображаемого шара. Основание трехмерной фигуры не являются плоскостью. Некорректно сравнивать телесный угол и конус. Основанием является часть сферы, отсекаемая образующей (боковой) поверхностью. Единицей силы света является свеча, как называют на западный манер, кандела (название появилось в 1948 году, до этого единицу именовали новой свечой). Оба термина являются переводом, оригинальным звучанием латинского слова, от которого название произошло. Кандела является одной из шести основных плит интернациональной системы СИ, через которые выражены прочие единицы.

Согласно мировым соглашениям, большинство стран приняло за основу метр, секунду, килограмм в 1960 году. Список образован шестью параметрами. Следует дополнить канделой, ампером и градусом Кельвина. Свече давались разные определения. Приводим некоторые:

• одна шестидесятая доля излучения расплава платины площадью один квадратный сантиметр при застывании металла (2046 К) по направлению перпендикуляра к поверхности (CIPM 1946 год);
• мощность, излучаемая перпендикулярно участком абсолютно черного тела температурой 2046 К, площадью одну шестисот тысячную долю квадратного метра при нормальном давлении 101325 ньютонов на квадратный метр (CGPM 1967 год);
• сила света частотой 540 ГГц, мощность в одну шестисот восемьдесят третью долю ватта (определение дано CGPM в 1979 году с учетом физиологических особенностей зрения).

До 1946 года сила света имела другие определения. Фактически для каждой страны уникальное. В практических расчетах величина используется мало. Инженеры посчитали, достаточно интегрального параметра. Им стал световой поток, присутствующий на этикетках. Касаемо кандел, тесно связаны с телесным углом, направлением, не дают полного представления об источнике. Понятно, оперировать с величинами трехэтажной сложности человеку, даже опытному физику, неудобно. Понадобилась бы таблица значений, зависящих от направления. Проще говоря, сила света не позволит решить задач, поставленных на практике, например, вычислить параметры иллюминации с точки зрения требования государственного стандарта.

Световой поток

Световой поток показывает, сколько мощности падает на поверхность. Не зависит от телесных углов. Достаточно просто убедиться: световой поток указан этикеткой любой лампочки. Величина позволит говорить о том, что светодиоды, потребляя 9 Вт дают больше, нежели нити накала, забирая 60. Этикетке демонстрирует ошибку: приведен полный световой поток источника света без установки должного акцента факта. Может возникнуть путаница. В физике принято следующее определение единиц измерения светового потока, люменов: мощность, испускаемая изотропным источником света, заключенная в пределах телесного угла, равного одному стерадиану.

Из очевидных фактов, доступных повсеместно, сети интернет, ясно: при мощности нити накала 60 Вт световой поток, заключенный внутри одного стерадиана, не может быть равен 710 люменов. Слишком большая цифра. В учебнике Курс физики для средних специальных учебных заведений авторства Жданова Л.С., Маранджяна В.А. (том II) говорится: потребляющая 100 Вт лампочка накала обладает силой света 100 свечей (современным аналогом единицы является кандела). Следовательно, полный световой поток в люменах составляет 1256. Очевидно, цифра одного порядка с 710, никогда не имело места быть, если бы нужна была поправка на 12,56 (4 Пи). Можно допустить, с 1971 года технология производства претерпела изменения, но не качественные.

Этикетка светодиодной лампы

В случае светодиодной лампы нельзя считать изделие изотропным излучателем. Косвенно говорит этикетка, где указан угол рассеивания 240 градусов. Подразумевается конус, ограничивающий часть сферы. Отрезанную часть найдем, пользуясь простой аналогией. Очевидно, угол рассеивания 180 градусов аналогичен 6,28 стерадианам. Ровно половина сферы. Перевод иных значений в телесные углы затруднителен. Однако для расчетов параметр, указанный на этикетке, удобен. Наглядно дает понять, в каком направлении распространяется свет, что помогает инженерам решить практические задачи. Удовлетворить требованиям стандартов (см. выше). Подробнее говорится ниже, сейчас нужно окончательно расставить точки над i со световым потоком.

Рисунок схематично изображает лампочку с характеристиками, взятыми с этикетки. Угол рассеяния показывает: излучение распространяется выше плоскости расположения прибора. Ограничения накладывает люстра. Излучение распространяется без изменений раствором плафона. В прочих направлениях приближенно равномерно излучается остаточная часть угла рассеяния (с этикетки) с учетом ослабления стекла.

Схематическое изображение угла рассеивания

Помимо сказанного световой поток служит для оценки отражающих свойств. Черные буквы хорошо заметны на светлой бумаге. Световой поток, отраженный объектами белого цвета, больше. Поэтому в светлые тона окрашиваются корпусы холодильников.

Освещенность и требования стандартов

Световой поток в нынешнем толковании характеризует полную мощность, излучаемую источником оптического диапазона. Разбивается по поверхностям помещения неравномерно. В стандартах различных требованиях, нормах указывается освещенность объекта. Величина измеряется люксами (лат. произношение слова «свет»), численно равно отношению светового потока в люменах к площади, на которую падает. Само толкование не вызывает сложности, применение на практике сопровождается рядом проблем.

При расчетах световой поток в люменах неудобно применять совместно с углом рассеивания. Отсеченная от сферы площадь нелинейно зависит от градусов. Хорошо сочетается со стерадианами. Для конкретных расчетов лучше применять формулу связи, приведенную рисунком. Позволит перевести градусы в стерадианы.

На рисунке в точке I центр сферы. Охваченный телесный угол отсекает часть поверхности, результирующая фигура напоминает конус. Для нахождения освещенности проводится параллель между стерадианами и градусами по указанной формуле. Первая единица позволит простым способом вычислить мощность (световой поток) из пропорции, вторая – измерить в помещении взаимное расположение объектов. Следует обратить внимание: указанная формула применима для углов раскрыва менее 90 градусов. Поэтому в случае с нашей светодиодной лампочкой придется найти параметры конуса, дополняющего 240 градусов до сферы.

Формула, график освещенности

Полная апертура составит 120 градусов (360–240). В формуле фигурирует половина, 60 градусов. Подставляя это значение и учитывая, что синус 30 равен 0,5, получаем 3,14 стерадиана. Следовательно, прочая часть сферы составит 3 Пи стерадиана. Применим к конкретно взятому помещению:

Допустим, лампочка располагается над столом площадью 0,5 квадратного метра. Расстояние до плоскости составляет 2 метра.

Решение:

Находим общую площадь шара, величина равна 4 х Пи х 2 х 2 =  16 Пи кв. м. Цифра через стерадианы выражается 4 х Пи. Лампа освещает 3 х Пи стерадиан (см. выше), что выражается квадратными метрами, как 12 Пи. Делим площадь на габариты столешницы, получаем 24 Пи. Следовательно, на область приходится освещенность порядка 75 лк. Согласно СНиП, Санитарным правилам, величины едва хватает помещению архива. В рабочий кабинет нужно более одного источника света, либо изменить тип приборов. Взять помощнее.

Ограничения, накладываемые на расчеты освещенности

Указанные расчеты проводились в сильно упрощенной форме. Был взят случай полной темноты. В течение большей части рабочего дня в окно светит солнце, следовательно, часть освещенности обеспечивается естественным источником. Логично иллюминацию разбить несколькими частями, каждая предназначена для своего времени. Многое определяется конструкцией осветительного прибора. Например, если плафон однозначно вносит потери, рефлектор фонарика значительно усиливает поток в заданном направлении. Характеристики источника приводятся отдельно от лампы. Очевидный, часто упускаемый факт.

На практике параметр освещенности измеряют люксметром. Известно: инженерный расчет содержит погрешность. В любой отрасли величина известна. В радиотехнике достигает 30%. Расчеты освещения выполняются приблизительно, удовлетворить требования существующих норм нужно точно. Поэтому результат должен проверяться. Используется люксметр, показывающий истинную освещенность участка помещения. Показания прибора сопоставляются табличным значениям, взятым из стандартов.

Приведенный этикеткой световой поток не является постоянным по площади сферы. Не всегда на практике встречается упрощенный случай, когда лампа находится над объектом. Следует брать проекции исследуемой поверхности на шар, работать в выбранном ключе.