ГЛАВА VI
СВЕТОТЕХНИКА И НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
§ 29. ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
Светотехникой называется наука об использовании лучистой энергии оптической области спектра.
Оптическая область спектра занимает диапазон волн от 10 ммк до 340 мк. В эту область входят:
а) ультрафиолетовое излучение от 10 до 380 ммк,
б) видимое излучение от 380 до 770 ммк,
в) инфракрасное излучение от 770 ммк до 340 мк (1 ммк = 10~6 мм, 1 мк = 10~3 мм).
Если значительно увеличить яркость, то границы видимого излучения расширяются от 300 до 950 ммк и, наоборот, при уменьшении яркости сужаются.
Лучистым потоком Ф называется мощность лучистой энергии или количество энергии, излучаемой телом в 1 сек.
Е — энергия, излучаемая телом в течение времени t сек.
Лучистый поток измеряется в ваттах.
Однородный лучистый поток состоит из излучений одной длины волны и обозначается Фλ.
Сложный лучистый поток состоит из излучений разных длин волн.
Источники света чаще всего имеют сложный лучистый поток.
Лучистая энергия, проникающая внутрь глаза через зрачок, после преломления в хрусталике создает на внутренней поверхности глазного яблока (сетчатке) уменьшенное обратное изображение объекта излучения (рис. 105).
Изображение, появившееся на сетчатке, передается возникающими электрическими токами по волокнам зрительного нерва в клетки коры головного мозга, где и формируется образ объекта излучения.
Ощущение того или иного цвета зависит от длины волны проникающего в глаз лучистого потока (табл. 54).
Таблица 54
Рис. 105. Разрез глаза
1 — склера (белок); 2 — роговая· оболочка; 3 — сосудистая оболочка; 4 — радужная оболочка; 5 — сетчатая оболочка; 6 — зрительный нерв; 7 — центральная ямка; 8 — хрусталик; 9 — глазная мышца;
Эти границы условны, так как один цвет плавно переходит в соседний.
Глаз человека по-разному воспринимает лучистую энергию. Наилучшим образом воспринимается глазом лучистая энергия при длине волны 555 ммк, соответствующей желто-зеленому цвету (цвет солнца).
Значения относительной видности (или, что то же, относительной спектральной чувствительности глаза) для среднего человеческого глаза установлены ОСТ 8485.
На рис. 106 показана графическая зависимость относительной видимости Κλ в функции длины волн.
Световой поток.
Часть лучистого потока, воспринимаемая глазом как ощущение света, называется световым потоком. Эта часть незначительна и составляет у ламп накаливания 2—3% и у люминесцентных ламп около 6% от полного лучистого потока.
В светотехнике установлена особая система единиц и величин для оценки излучения с точки зрения светового ощущения.
Основной величиной в этой системе является световой поток, который обозначается F и измеряется в люменах (лм).
Положение о световых единицах, действующее в СССР, определяет люмен как «световой поток, испускаемый полным излучателем · (абсолютно черным телом) при температуре затвердевания платины (2042° К) с площади 0,000 000 530 5 квадратного метра».
Система световых единиц основывается на практической системе единиц: метр, килограмм, секунда и потому в определении люмена площадь дана в квадратных метрах. Указанная в определении люмена площадь соответствует 0,5305 мм2.
Чтобы иметь некоторое представление о величине люмена, приведем несколько примеров. На 1 см2 поверхности земли летом при сильной облачности падает световой поток 1 лм, а при ясной погоде 10 лм. Лампочка 220 В, 100 вт излучает световой поток 1000 лм.
Рис. 106. Относительная видност'ь глаза в функции длины волны
Здесь Fλ измеряется в люменах, а Φλ в ваттах.
Это означает, что однородный лучистый поток при мощности 1 вт и λ = 555 ммк воспринимается глазом как световой поток желто-зеленого цвета 683 лм.
Световой поток является основной величиной в светотехнике. Все остальные светотехнические величины являются производными от светового потока.
Производные светотехнические величины.
Сила света. Сила света есть угловая плотность светового потока, излучаемого в данном направлении
Стерадиан — телесный угол, имеющий свою вершину в центре сферы и вырезающий на поверхности сферы участок, площадь которого равна квадрату радиуса (на расстоянии 1 см — 1 см2, на расстоянии 3 см—9 см2, на расстоянии 1м — 1м2) (рис. 107).
Телесный угол
Сфера заключает внутри себя
Единицей силы света является свеча (св).
Свеча есть сила света точечного источника в том направлении, в каком он испускает световой поток в 1 люмен, равномерно распределенный внутри телесного угла в I стерадиан.
Точечным источником принято считать такой, который в 10 и более чем в 10 раз меньше расстояния, на котором производится измерение силы света. В этом случае ошибка в измерении не превысит 1 %.
Пример. Электрическая лампочка 110 В, 100 в испускает световой поток 1320 лм. Определить силу света лампочки в предположении, что во всех направлениях световой поток распределен равномерно.
Решение:
I =1320/4π= 105 св.
В этом примере определена средняя сила света. В действительности электрическая лампочка испускает световой поток в разных направлениях не равномерно и сила света в разных направлениях неодинакова.
На рис. 108 дана кривая распределения силы света подпалубного светильника типа СПЧ-85/2. Здесь на радиусах отложена сила света в данном направлении. На рис. 109 приведена кривая светораспределения светильника люминесцентных ламп.
Рис. 108. Кривая светораспределения подпалубного светильника типа СПУ-85/2
Рис. 109. Кривая светораспределения подпалубного светильника для люминесцентных ламп
Освещенность. Освещенностью называется поверхностная плотность светового потока или, что то же, световой поток, падающий на единицу освещенной поверхности
где Е — освещенность в люксах;
F — световой поток в люменах;
S — освещаемая поверхность в м2.
Освещенность измеряется в люксах (лк).
Люкс соответствует освещенности поверхности площадью Км2, на которую падает равномерно распределенный световой поток в 1 люмен.
Освещенность в люксах: снег в безлунную ночь 0,002; снег в лунную ночь 0,2; снег в солнечный полдень 100 000.
Рассмотрим, как определяется освещенность поверхности, произвольно расположенной по отношению к источнику света (рис. 110).
В точке А находится источник света силой I св, который освещает площадку поверхностью S, находящуюся от источника света на расстоянии I м. Угол между направлением светового потока и нормалью к освещаемой поверхности равен β.
Телесный угол
Световой поток внутри телесного угла 
Средняя освещенность поверхности
Рис. 110.
Это соотношение включает два закона:
- Освещенность пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до освещенной поверхности.
- Освещенность пропорциональна косинусу угла падения света на поверхность.
Пример. Рассчитать освещенность горизонтальной поверхности, находящейся на расстоянии от светильника рассеянного света типа НОГ-100 с лампой 110 В, 100 вт, в 1 м по горизонтали. Высота светильника над поверхностью 2 м.
Решение. Расстояние от светильника до поверхности
Светность. Светностью называется поверхностная плотность светового потока, или, что то же, световой поток,
приходящийся на единицу светящейся поверхности.
Единицей светности является радлюкс.
Радлюкс есть светность одинаково во всех точках светящейся поверхности, которая испускает в одну сторону от себя световой поток в 1 лм с площади 1 м2.
Светность есть величина, подобная освещенности, но в то время как освещенность характеризует поверхностную плотность светового потока, падающего на поверхность, светность представляет поверхностную плотность светового потока, испускаемого ею.
Светность поверхностей, не являющихся источником светового потока, всегда ниже освещенности.
Пример 1. Чему равна светность белой бумаги, коэффициент отражения которой составляет 0,7, а освещенность 100 лк.
Решение. R = 0,7-100 = 70 рлк.
Пример 2. Какова светность молочного стекла, обладающего коэффициентом пропускания 0,5, если освещенность обратной стороны составляет 500 лк.
Решение. R = 0,5-500 = 250 рлк.
Яркость. Яркость — световая величина, которую непосредственно воспринимает глаз.
Представим себе наклонную плоскость А площадью S, которую видит глаз (рис. 111). Угол, который составляет нормаль к плоскости N с направлением к глазу равен а. Площадь, видимая глазу, равна проекции площади S на плоскость, перпендикулярную к направлению к глазу, т. е. S cos α.
Если сила света в направлении к человеческому глазу равна I, то яркостью называют
Яркость есть отношение силы света к проекции площади светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению зрения.
Если светящаяся поверхность перпендикулярна к направлению зрения, то яркость
есть сила света, приходящаяся на единицу площади.
Единицей яркости является стильб (сб). Стильб есть яркость одинаково светящейся поверхности площадью в 1 см2, обладающей силой света в 1 свечу. При этом яркость и сила света определяются в перпендикулярном направлении к этой поверхности.
В практической системе единиц (м, кг, сек.) применяется децимиллистильб (дмсб). В определении децимиллистильба за единицу светящейся площади принят 1 м2. Следовательно
1 дмсб = 10-4 сб.
Большинство источников света и многие освещенные тела имеют практически одинаковую яркость во всех направлениях. Такие поверхности называют равнояркими или диффузными.
Пример. Светильник с шаром молочного стекла диаметром 20 см обладает средней силой света 75 св. Определить яркость его светящейся поверхности.
Решение. Проекция светящейся поверхности шара
Яркость
Освещенность, светность и яркость некоторых излучающих или отражающих поверхностей указаны в табл. 55.
Таблица 55
Ниже даны определяющие уравнения и размерности световых величин.
Основные световые величины и единицы
Свойства среды по отношению к световому потоку.
Если световой поток падает на тело, то часть его отражается, часть поглощается и часть пропускается сквозь тело.
Если обозначить:
то коэффициент отражения
Коэффициент отражения есть отношение светового потока, отражаемого телом, к световому потоку, падающему на тело.
Коэффициент поглощения
Коэффициент поглощения есть отношение светового потока, поглощенного телом, к световому потоку, падающему на тело.
Коэффициент пропускания 
Коэффициент пропускания есть отношение светового потока, прошедшего сквозь тело, к световому потоку, падающему на тело
По закону сохранения энергии
Разделив обе части уравнения на Fi, получим
Рис. 112. Свойства среды по отношению к световому потоку: а) совершенно рассеянное световое отражение; б) совершенно рассеянное пропускание; в) направленно-рассеянное отражение; г) направленнорассеянное пропускание; д) направленное отражение (зеркальное); е) направленное пропускание
Пример. Освещенность, замеренная на поверхности оконного стекла, составляет в среднем 150 лк. Размеры стекла 60 X 80 см. Коэффициенты отражения и поглощения оконного стекла составляют: р = 0,08 и а = 0,02. Определить световой поток, пропускаемый данным стеклом.
Решение. Световой поток, падающий на стекло
Fi = 150-0,6-0,8 = 72 лм.
Коэффициент пропускания
τ = 1 — (0,08 + 0,02) = 0,9.
Световой поток, пропускаемый стеклом
Fτ = τFi = 0,9-72 = 64,8 лм.
Световой поток, падающий на тело, отражается и пропускается телом по-разному; при этом различают: совершенно-рассеянное пропускание, направленно-рассеянное отражение, направленно-рассеянное пропускание, направленное отражение (зеркальное), направленное пропускание (см. рис. 112).
§ 30. ИЗМЕРЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ
Рис. 114. Фотоэлектрический люксметр Ленинградского института охраны труда ВЦСПС
Рис. 113. Схема фотоэлектрического люксметра
1 — лучи света; 2 — светофильтр; 3 — металлическое кольцо; 4 — прозрачный слой золота (5 ммк); 5 — прозрачный запирающий слой; 6 — слой селена; 7 — стальная пластина; 8 — гальванометр
До недавнего времени для измерения освещенности применялись только зрительные люксметры; при этом глазом сравнивалась освещенность одной поверхности с другой, регулируемой, освещенность которой известна. Начиная с 30-х годов для измерения освещенности применяется фотоэлектрический люксметр, схема устройства которого показана на рис. 113.
Под воздействием света, падающего на непрозрачный слой селена, в наружных слоях последнего освобождаются электроны, которые могут двигаться через прозрачный запирающий слой лишь от селена к слою золота. Если при этом замкнуть зажимы фотоэлемента на гальванометр, то в цепи возникнет электрический ток, который в определенных пределах будет пропорционален освещенности. С помощью желто-зеленого светофильтра можно измерять освещенность от источников с любым спектральным составом.
Если площадь фотоэлемента s = 20 см2, а освещенность Е = 100 лк, то световой поток
При чувствительности фотоэлемента 400 мка/лм, ток во внешней цепи будет
i= 400-0,2 = 80 мка.
Применив гальванометр с чувствительностью 10-6 а/деление, мы имеем возможность измерять освещенность от 1 лк и более.
Фотоэлектрический люксметр обладает следующими неудобствами: фотоэлемент обладает инерцией (несколько минут) и надо вводить поправку на температуру.
На рис. 114 показан фотоэлектрический селеновый люксметр Ленинградского института охраны труда ВЦСПС.
