Что такое интенсивность света
Можно с уверенностью сказать, что роль света в нашей жизни бесценна. Помимо возможности видеть и ориентироваться в пространстве, свет оказывает положительное влияние на психологическое и физическое здоровье человека. Освещенность, как и большинство физических параметров, оценивается качественным и количественными характеристиками. Интенсивность света — это его количественная характеристика, сила светового потока, излучаемая в одном направлении.
Общие сведения
Каждому человеку жизненно необходим качественный по всем физическим показателям свет. Световая отдача, яркость и интенсивность светового потока как в естественных, так и в искусственных условиях требуют непременного планирования, организации и последующего контроля имеющихся показателей перечисленных критериев. Любой, используемый нами источник света, представлен предметом, излучающим его по отношению к поверхности освещаемого объекта. Чем больше световых волн попадает на площадь данной поверхности, тем отчетливее и лучше виден рассматриваемый предмет. Именно эта величина именуется в физике освещенностью или интенсивностью света.
Конкретный вид распределения интенсивности световых волн в пространстве, куда они непосредственно падают, называется интерференцией. Физические свойства светового потока влияют на здоровье глаз, нервной системы и других жизненно важных органов человека, поэтому к обустройству жилого, учебного и рабочего помещения важно подходить с особой тщательностью.
Свет, как физический фактор, имеет немало изученных специалистами характеристик, каждая из которых обладает своими единицами измерения. Перечислим основные из них:
Сила света — параметр энергии, распространяемой за отдельный промежуток времени в определенном направлении. Единица измерения — канделы (Кд).
Освещенность — демонстрирует отношение потока света к поверхности, на которую он падает. Единица измерения — люксы (Лк).
Светоотдача — отражает отношение света и мощности осветительных устройств, которые его излучают. Единица измерения — люмены (Лм).
Таким образом, в оптике существует несколько важных физических факторов — светоотдача, яркость, сила и интенсивность, которые важно учитывать при приобретении специализированных осветительных устройств и аксессуаров к ним, последующем планировании и оборудовании ими помещения. Большинству рядовых покупателей разобраться в этих нюансах довольно сложно. Наиболее информативными являются единицы измерения, указанные производителем на упаковке товара — Лм/Вт, Кд, Лк и пр. Предлагаем узнать, в чем измеряется интенсивность света далее.
Особенности измерения
Освещенность — важнейший параметр, ценный для физиологической деятельности органов зрения, головного мозга и психологического благополучия человека. Интенсивность света определяется яркостью, создаваемой источником излучателя, направлением лучей, расстоянием до освещаемой поверхности и промежутками между осветительными конструкциями при условии, что они имеются. Устройство, позволяющее определить его конкретную величину, называется люксметром.
Строение прибора представлено двумя основными частями — приемником света и электронным или механическим измерителем, высчитывающим в количественном порядке интенсивность поступаемой световой волны. Приемник люксметра по сути является селеновым фотоэлементом, преобразующим поток света в электрический импульс с последующим его направлением в измерительную конструкцию устройства — фотометр. Люксметр позволяет измерить интенсивность света в естественных дневных и искусственных условиях в любое время суток как внутри, так и снаружи помещения.
Люксметр можно применять в домашних, в учебных и промышленных условиях с целью контролирования степени освещенности в заданном помещении. Для разного рода практической деятельности нормы освещенности отличаются.
<h2 > Какая интенсивность освещения комфортна?
Комфортная освещенность зависит от многочисленных причин. Наиболее оптимальным источником света для зрительного аппарата человека считаются солнечные лучи или дневной свет. Но жизнь предписывает свои, не всегда мягкие правила, и в современных условиях мы вынуждены больше работать, учиться и находиться дома при искусственных источниках света.
Производители осветительных устройств стремятся разрабатывать продукцию, отвечающую естественным потребностям зрительного восприятия человека. Бесспорно, они заинтересованы вопросом, от чего зависит интенсивность света с целью разработки идеально комфортного по интенсивности источника искусственного света. В простых лампах накаливания за световой поток отвечает разогретая электроэнергией нить, направляющая его менее рассеянно, по сравнению со светодиодными и люминесцентными лампами. По этой причине принято считать, что интенсивность световых волн, создаваемых лампами накаливания, имеет больше общего с комфортной.
Современные лампы могут создавать следующие категории светового потока, отличающиеся по интенсивности:
Теплый свет — создает оттенки оранжевого и красного фона, успокаивает и положительно влияет на настроение, поэтому отлично подходит для использования дома.
Нейтральный свет — близок к белому, повышает умственную работоспособность, позитивно отражается на организации трудового процесса, в связи с чем рекомендуется для применения в рабочей обстановке.
Холодный свет — характеризуется голубыми оттенками, предназначен для условий, в которых выполняются работы с требованиями повышенной точности и концентрации внимания, для мест проживания с преобладанием жаркого климата, а также использования в лечебно-профилактических учреждениях.
Чтобы добиться комфортной интенсивности света, важно обращать внимание на конструкцию светильника, бра или люстры. Актуальны такие показатели, как возможное количество устанавливаемых лампочек, направление света, замкнутые или, напротив, открытые модели.
На вопрос, как найти интенсивность света комфортной величины, можно ознакомиться с документами СНиП и СанПиН, рекомендованными специалистами. Именно эти документы влияют на то, какой должны быть яркость и сила освещенности в медицинских и учебных учреждениях, на производствах, в квартирах и пр. Безусловно, приобретая лампочки в дом или новую люстру, никто специально не измеряет интенсивную величину освещения люксметром. Но знать чему равна интенсивность света и какие ее показатели более комфортны для глаз — немаловажно.
НОРМЫ ОСВЕЩЕННОСТИ
Посмотрите видео ниже. Формула расчета освещения очень упрощена и многие параметры не учитываются при таком расчете. Можно использовать только для проектирования света в квартире при стандартных потолках, в остальных случаях лучше обратиться к специалисту и сделать профессиональный расчет освещения.
Обсудим информацию из видео. В зависимости от назначения эксплуатации комнат и бытовых помещений, требования к уровню интенсивности освещенности варьируются. Выше было сказано, что единица измерения интенсивность света указывается в люксах (Лк). Помимо этой единицы измерения существует параметр люмен (Лм) — непостоянный критерий, определяемый глазом человека при изменении условий освещаемой площади.
Если направить световой поток 100 Лм на 1 м2, интенсивность освещенности в помещении достигнет уровня 100Лк. При сокращении площади до 10 м2 с сохранением потока на том же уровне, показатель освещенности составит всего 10Лк. Выбирая осветительные приборы (светильники, люстры и пр.), необходимо ориентироваться на критерий Лк, указанный производителем и равный по интенсивности для 1 м2. Например, в комнате площадью 10 м2, предназначенной для спальни, освещенности по интенсивности 150 Лк будет недостаточно — нужно повысить ее до 1500 Лк.
Чем дальше друг от друга располагаются осветительные приборы от объекта освещения, тем хуже будет падать свет на освещаемые объекты. С увеличением высоты потолка потребность в увеличении силы освещенности повышается.
Что такое интенсивность света и от чего она зависит — проблема, не теряющая своей актуальности не только в физике, но и в повседневной жизни человека. Без этого важного параметра невозможно существование привычного и комфортного для нас мира. Данный критерий применяется производителями в создании инновационных осветительных систем с более оптимизированными техническими возможностями и улучшенными характеристиками, например, при расчетах, связанных с разработками новых систем подсветки и пр.
Интенсивность и давление света
Интенсивность света I в выбранной точке – это модуль средней по времени величины плотности потока энергии, которую световая волна переносит.
Определение плотности потока электромагнитной энергии возможно при помощи вектора Умова-Пойнтинга P → . Отсюда следует, что математический вид определения интенсивности света записывается в виде формулы:
По выражению усреднение проводится за период времени t , причем больший по сравнению с периодом колебания волны T t ≫ T . Интенсивность света записывается как:
I t = 1 T ∫ t t + T P → ( t ) d t .
В системе С И единицей измерения является В т м 2 .
Модули амплитуд ( E m и H m ) векторов напряженностей электрического E → и магнитного H → полей в электромагнитной волн записываются в виде отношения:
Имеем, что μ ≈ 1 . Необходимо выразить амплитуду H m :
где n = ε μ = ε при μ ≈ 1 является показателем преломления вещества, в котором распространяется свет.
Модуль среднего значения вектора Умова-Пойнтинга пропорционален произведению амплитуд E m · H m .
Интенсивность света не может быть измерена в связи с тем, что поле изменяется с высокой частотой ν = 10 15 Г ц , соответственно период колебаний составляет T = 10 — 15 с , а приемники колебаний обладают временем инерции существенно больше, чем 10 — 15 c .
Отсюда следует, что среднее значение интенсивности можно регистрировать. Также возможно измерение средней интенсивности, но не фазы поля.
Давление света
По закону сохранения при поглощении и отражении света телом ему сообщается импульс, равняющийся разности импульсов пучка света до и после этих процессов. Отсюда следует, что на тело действует сила, свет производит соответствующее давление на тело. Еще Кеплер выдвинул свое предположение о существовании давления света, которое было принято при рассмотрении отклонений хвостов комет от Солнца.
Последователи волновой теории отрицали давление света, отсутствие доказательств опытами о существовании светового давления служило аргументом против корпускулярной. То есть существование светового давления считалось следствием электромагнитной теории.
Если световая волна падает перпендикулярно плоскости поверхности тела и полностью поглощает свет, то определение давления p производится по формуле.
Где G считается плотностью импульса световой волны, P – модулем вектора Умова-Пойнтинга, с – скоростью света в вакууме.
Если происходит полное отражение света при помощи поверхности тела, то импульс, который при помощи него передается, имеет значение в 2 раза больше, также как и значение давления.
При падении световой волны на поверхность под углом относительно нормали, производя расчеты давления, применяют только перпендикулярную составляющую плотности потока энергии. Если имеются обычные условия, то давление крайне малое, то есть в 10 10 раз меньше атмосферного.
П.Н. Лебедев в 1899 году смог измерить световое давление. Для этого он применил крутильные весы, находящиеся в вакууме. Позже его опыты определения существования давления света подтвердили электромагнитную теорию света Максвелла.
Давление электромагнитных волн считается результатом воздействия электрического поля волны частицы вещества, которые обладают электрическим зарядом, движутся упорядоченно, на них действуют силы Лоренца.
Примеры
Определить давление, оказываемое плоской световой волной, падающей перпендикулярно относительно поверхности тела и поглощаемой телом. Значение амплитуды напряженности электрического поля равняется 2 В м .
Решение
Будем использовать формулу:
Где P принимается за среднее значение модуля вектора Умова-Пойнтинга, c = 3 · 10 8 м с – за скорость света в вакууме.
Для нахождения среднего значения модуля вектора Умова-Пойнтинга необходимо использовать:
В условии имеем плоскую волну, тогда уравнение ее колебаний зафиксируем как:
E = E m cos ω t — k x , H = H m cos ω t — k x ( 1 . 3 ) .
Для нахождения значения амплитуды напряжения магнитного поля следует применить:
ε ε 0 E m = μ μ 0 H m ( 1 . 4 ) .
Когда для вакуума ε = 1 , μ = 1 , можно выразить из ( 1 . 4 ) H m . Получим:
H m = ε 0 μ 0 E m ( 1 . 5 ) ,
где μ 0 = 4 π · 10 — 7 Г н м , ε 0 = 1 4 π · 9 · 10 9 Ф м . Это говорит о том, что средним значением модуля вектора Умова-Пойнтинга будет:
P = E m cos ω t — k x · ε 0 μ 0 E m cos ω t — k x = ε 0 μ 0 E m 2 cos ω t — k x = = 1 2 ε 0 μ 0 E m 2 ( 1 . 6 ) .
Далее производим подстановку правой части выражения ( 1 . 6 ) в ( 1 . 1 ) вместо P , тогда искомое давление света:
p = 1 2 ε 0 μ 0 E m 2 c .
Заменим числовые значения и получим:
p = 1 2 · 3 · 10 8 1 4 π · 10 — 7 · 4 π · 9 · 10 9 · 4 = 4 120 π · 6 · 10 8 = 1 , 77 · 10 11 ( П а )
Ответ: 17 , 7 п П а .
Определить интенсивность I плоской световой волны, распространяющейся вдоль О х . Значение напряженности электрического поля волны равняется E m В м .
Решение
Из определения выявим интенсивность световой волны:
Запись модуля вектора Умова-Пойтинга для плоской световой волны обозначится как:
P = E H = E m H m cos 2 ω t — k x ( 2 . 2 ) .
Среднее значение P :
P = 1 2 E m H m 2 . 3 , так как cos 2 ω t — k x = 1 2 .
Сравнивая с примером 1 , можно произвести выражение амплитуды напряженности магнитного поля: