Световые свойства материалов: отражение, поглощение, пропускание света. Методы и свойства измерения световых величин

Основные искусственные источники света: конструкции, принцип действия, схема включения, типы, световые и электрические характеристики.

Искусственные источники света - устройства различной конструкции, преобразовывающие энергию в световое излучение. В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света.

Источники света, более часто применяемые для искусственного освещения, делят на три группы - газоразрядные лампы, лампы накаливания и светодиоды. Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити. В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет. Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение. Специально выращенные кристаллы дают минимальное потребление электроэнергии.

Основные характеристики источников света: 1) номинальное напряжение питающей сети U, B; 2) электрическая мощность W, Вт; 3) световой поток Ф, лм; 4) световая отдача (отношение светового потока лампы к ее мощности) лм/Вт; 5) срок службы t, ч; 6) Цветовая температура Tc, К.

Характеристики светодиодов (световая отдача до 120 Лм/Вт, срок службы до 100 000 часов).

Сравнительная характеристика различных типов источников света. Выбор типа источника света.

Главным недостатком ламп накаливания является низкая световая отдача, при небольшём сроке службы; Низкая световая отдача объясняется тем, что 70–76% мощности излучения тела накала лежит в ИК-области спектра.

У разрядных лампах световая отдача в 5–10, а срок службы в 10–20 раз превышают световую отдачу и срок службы ламп накала. Наиболее массовыми являются люминисцентные лампы - за счет лучшей экономической эффективности.

Светодиоды - источники света, принципиально отличающиеся от тепловых или разрядных излучателей. Они характеризуются низким энергопотреблением, длинными сроками работы и низкой стоимостью обслуживания, однако гораздо дороже. Параметры: световая отдача - до 55 лм/Вт (белых), общий индекс цветопередачи белых - 85.

Выбор источников света определяется их характеристиками и требованиями к освещению. Применение газоразрядных ламп исключается, если питание осуществляется от сети постоянного тока или если возможно понижение напряжения более чем на 10 % от номинального. Необходимость быстрого включения ламп после кратковременного исчезновения напряжения не позволяет применять лампы ДРЛ. При температуре окружающей среды ниже +5 °С освещение с помощью люминесцентных ламп может оказаться неэффективным. Для местного освещения на напряжении 12-42 В применяют лампы накаливания. Светодиоды можно использовать без ограничения.

Требования, предъявляемые к осветительным установкам. Правила искусственного освещения.

Экономичность: Правильный выбор источников света, систем освещения, типа и расположения светильников.

Надежность: Выбор типа светильников и способа проводки в соответствии с условиями среды помещения.

Безопасность: Выбор сети в соответствии с требованиями ПУЭ. Применение в необходимых случаях светильников с недоступными токоведущими частями. Устройство заземления.

Достаточная яркость: Выбор освещенности согласно нормам и проектом осветительной установки.

Устройсва авырийного освещения.

Искусственное освещение помещений может быть двух систем - общее и комбинированное. Рабочее освещение следует предусматривать для всех помещений зданий, а также участков открытых пространств, предназначенных для работы, прохода людей и движения транспорта. Для искусственного освещения следует использовать экономичные источники света, отдавая предпочтение при равной мощности источникам света с наибольшей световой отдачей и сроком службы.

Светотехнические и электротехнические задачи проектирования осветительных установок.

Задачей светотехнического расчета является определение: необходимой освещенности в заданных точках, количество и тип светильников, а также контроль качественных характеристик.

При проектировании эл. части решаются следующие вопросы: расчёт эл. нагрузок; уровни напряжения; источники и схемы питания; надежность и бесперебойность эл. снабжения; способы управления освещением; расчет защит и выполнение осветительных систем; эл. безопасность при эксплуатации; используемое эл. оборудование.

Принцип действия и устройства печей сопротивления. Нагреватели и электрооборудование электропечей сопротивления.

Печь сопротивления, это печь, в которой тепло выделяется в результате прохождения тока через проводники с активным сопротивлением. Состоит из рабочей камеры, образованной из слоя огнеупорного кирпича, несущего на себе изделия и нагреватели и изолированного от металлического кожуха теплоизоляционным слоем. Работающие в камере печи детали и механизмы, а также нагревательные элементы выполняются из жаропрочных и жароупорных сталей и других жароупорных материалов. В электрических печах сопротивления с рабочими температурами до 700° С широко используется принудительная циркуляция газов с помощью вентиляторов, встраиваемых в печь или вынесенных из печи вместе с нагревателями в эл.калориферы. (прямого и косвенного действия)

Источники питания сварочной дуги. Требования к источникам питания сварочной дуги. Характеристики дуги и источников.

В качестве источника электрической дуги могут применяться сварочные трансформаторы на переменном токе, сварочные выпрямители и сварочные генераторы на постоянном токе.

Устойчивость сварочной дуги переменного тока по сравнению с дугой постоянного тока снижается в связи с переходом переменного тока через нуль с частотой 50 Гц. Электрическая дуга зажигается при напряжении 60–70 В и устойчиво горит при напряжении 20–30 В. Сварочный ток зависит от толщины или диаметра свариваемых деталей и находится в пределах 10–400 А.

Сварочные трансформаторы имеют две обмотки – первичную, включаемую в электрическую сеть с напряжением 380 или 220 В, и вторичную, которая соединяется со сварочной цепью. Обмотки расположены на магнитопроводе.

Сварочный генератор постоянного тока, в качестве двигателей могут применяться асинхронные эл.двигатели или ДВС. На статоре закреплены главные полюса с намагничивающими обмотками. Внутри статора расположен ротор. В пазах ротора обмотка, концы которой соединены коллектором. Вращающийся ротор с обмоткой называют якорем. При вращении якоря в обмотке наводится ЭДС. Сварочный ток снимается с коллектора щетками.

Сварочный выпрямитель содержит трансформатор и тиристорный блок. Тиристоры собираются по шестифазной схеме с уравнительным реактором. Выпрямитель подключается к сети напряжением 380 В. Для охлаждения тиристоров служит вентилятор с приводным асинхронным двигателем.

Требования, предъявляемые к крановому электрооборудованию. Особенности работы грузоподъемных кранов.

К надежности кранового электрооборудования должны предъявляться очень жесткие требования. Выход из строя любого элемента электрооборудования приводят к остановке крана, что вызывает простой и другого оборудования. Крановое электрооборудование должно обеспечивать надежную, безаварийную работу механизмов крана при любых температурных и метеорологических условиях, при наличии влаги и пыли, сильной вибрации, в широком диапазоне нагрузок. Циклический характер работы обусловливает необходимость рассчитывать крановое электрооборудование на тяжелые повторно-кратковременные режимы при числе включений до 500-600 в час. Схема управления эл.двигателями крана должна исключать: самозапуск эдвигателей после восстановления напряжения в сети. Самозапуск предотвращается нулевой блокировкой контроллеров. Выключатель главных троллейных проводов напряжением до 660 В должен быть закрытого типа и рассчитан на отключение рабочего тока всех кранов, установленных в одном пролете. Выключатель должен быть размещен в доступном месте и отключать троллейные провода только одного пролета

Особенности работы кранового оборудования: изменение нагрузки в широких пределах; режим работы повторно-кратковременный при большом числе включений в час; условия работы тяжелые (тряска, влажность, запыленность и колебания температуры).

Требования, предъявляемая к электрооборудованию лифтов.

Современный лифт является сложным эл.техническим автоматизированным устройством. Он относится к машинам повышенной опасности. Поэтому лифты должны быть спроектированы, изготовлены, смонтированы и введены в эксплуатацию, в соответствии с требованиями «Правил устройства и безопасной эксплуатации лифтов».

Наряду с общими требованиями в отношении надежности и безопасности работы, лифты должны удовлетворять еще и следующим специфическим требованиям: а ) точности остановки кабины на заданном этаже; б ) ограничения величин ускорения и замедления; в ) бесшумности в работе и отсутствия помех радиоприему.

Исполнение электрооборудования (IP, IM, IC).

Класс защиты IP степень защиты от проникновения твердых тел и жидкости, определяется кодом, который имеет вид IP XX, где ХХ - две цифры, первая из которых определяет степень механической защиты: от 0 до 6. Вторая цифра обозначает степень влагозащищенности оборудования: от 0 до 8.

Конструктивное исполнение эл.двигателей по способу монтажа (IM).

1-ая цифра обозначает группу по способу монтажа от 1до 9, наиболее распространена IM1- на лапах и с подшипниковыми щитами. IM2 – на лапах с двумя подшипниковыми щитами и фланцами. IM3 – без лап с фланцами на щитах.

2-ая цифра обозначает более детально 0 – обычные или приподнятые лапы

3-ая цифра обозначает характер направления конца вала

4-ая цифра обозначает исполнение конца вала (цилиндрический или конический)

Способ охлаждения эл.двигателей (IC) . Система охлаждения может включать в себя одну или две цепи циркулярного хладореагента.

Для каждой цепи циркуляций вводится группа знаков. Буква обозначает вид охлаждения: А – воздух, W – вода. 1-ая цифра от 0 до 9 обозначает устройство цепи циркуляции. 0 – свободная циркуляция. 2-ая цифра от 0 до 9 обозначает способ перемещения хладореагента. 0 – свободная циркуляция.

Световые свойства материалов: отражение, поглощение, пропускание света. Методы и свойства измерения световых величин.

Световой поток представляет собой видимую часть спектра электромагнитных излучений. Световой поток Р, падающий на материал, претерпевает ряд изменений: часть его Рр отражается от поверхности, часть Ра поглощается и часть Рх проходит через него.

Основными характеристиками световых свойств материалов служат коэффициенты: отражения Кр, поглощения Ка и пропускания Кт. Эти коэффициенты представляют собой отношение соответственно отраженного Рр, поглощенного Ра и пропущенного Рх потоков излучения к падающему потоку:

Кр = Рр/Р; Ка = Pа/P, Кх = Pх/P.

1) Визуальный метод (приемник - глаз). Основа метода – свойства глаза точно фиксировать равенство яркостей световых потоков.

2) Физический (приемник – фотоэлемент). Основа метода – использование фотоэлементов, преобразующих поглощенную энергию в электрическую, химическую, тепловую. Для световых измерений используют эталоны световых величин:

1) Первичный эталон – государственный эталон силы света (Кс).

2) Вторичный эталон – обладает устойчивыми и воспроизводимыми характеристиками, сила света которого определяется прямым сравнением с первичным эталоном.

3) Рабочий эталон – предназначен для текущих световых измерений, проходит периодическую проверку со вторичным эталоном. Эти эталоны хранятся в метрологическом учреждении.

Световой поток, падая на поверхность частично поглощается Ф α , частично пропускается Ф τ и частично отражается Ф ρ .

Ф=Ф ρ +Ф α +Ф τ ;

Отраж-щий и пропущенный световые потоки опред.св-ми тела вещ-ва: ρ+α+τ=1.

Тела, поглощающие световой поток называются приемниками лучистой энергии или светового потока(глаз, фотоэлемент).

Важным при разработке осветительных приборов является знать степень отражения (ρ) и степень пропускания (τ) светового потока. Это важно знать для создания отражателей, рассеивателей осветительных приборов. Принято различать следующие виды отражения и пропускания светового потока:

а) направленное отражение или пропускание(а-зеркальная поверхность, б-прозрачные вещ-ва-стекла);

б) диффузное отражение/пропускание(гипс/молочно-матовые стекла);

В) направлено-дифузное отражение или пропускание.

В боль-ве случ.сущ.тела с напр. диф-м отражением или пропусканием.

Зрительная фотометрия

Зрительная фотометрия основывается на способности глаза оценивать с достаточно высокой степенью точности равенство яркостей двух оптических смежных и близких по цветности полей сравнения.Высокая точность измерений методами зрительной фотометрии достигается при условии соблюдения определенных требований. К числу основных из них следует отнести требование соответствия спектральной чувств-ти глаза наблюдателя нормализованной функции отн-й спектральной световой эффективности излучения. Не менее важным является требование достаточной яркости полей сравнения, обеспечивающей работу глаза в условиях дневного зрения. При больших значениях яркости полей сравнения и низкой яркости окружающего фона, при которой обычно проводятся световые измерения, глаз подвергается чрезмерному раздражению. Стремление использовать при зрительной фотометрии лишь кол бочковый аппарат и исключить палочковый, расположенный в основном по периферии сетчатой оболочки, заставляет ограничивать угловой размер поля зрения таких приборов пределами 3 – 5 о. Точность зрительных световых измерений значительно понижается, если цветность сравниваемых излучений различна. В подобных случаях для повышения точности измерений приходится прибегать к специальным приемам измерений. Необх-ть строгого выполнения перечисленных требований, зависимость результатов измерений от индивидуальных особенностей наблюдателя, состояния его организма (физ.состояние, усталость) и окружающих условий, а также длительность процесса измерения привели в практических условиях к полной замене глаза как индикатора физ.приборами, т.е. к переходу от зрительной фотометрии к физической фотометрии.

Физическая фотометрия

Зависимость результатов измерений от индивидуальных особенностей наблюдателя, состояния его организма(физическое состояние, усталость) и окружающих условий, а также длительность процесса измерения привели в практических условиях к полной замене глаза как индикатора физическими приборами, т.е. к переходу от зрительной фотометрии к физической фотометрии.

Основное преимущество физических приемников лучистой энергии по сравнению с глазом заключается в их способности непосредственной количественной оценки измеряемых величин. Применительно к измерению световых величин это качество присуще лишь таким физическим приемникам, кривая спектральной чувствительности которых близка к кривой относительной спектральной световой эффективности.

Широкое развитие методов физической фотометрии определяется также и тем, что физические приемники позволяют осуществлять измерения не только в видимой части спектра, но и в прилегающих к нему участках ультрафиолетовых и инфракрасных излучений.

Существенным преимуществом методов физической фотометрии является быстрота и воспроизводимость результатов измерений, что особенно важно при необходимости проведения массовых измерений световых характеристик осветительных средств(источников света, осветительных приборов) или характеристик условий освещения.

В качестве приемников лучистой энергии в установках физической фотометрии наиболее широкое распространение получили вентильные фотоэлементы(фотоэлементы с запирающим слоем) и фотоэлементы с внешним фотоэффектом

1.7. Световые свойства тел

Длительное воздействие даже самых легких раздражителей на глаз человека, как показали исследования, вызывает в нем функциональные сдвиги и изменения. К числу раздражителей, постоянно находящихся в поле зрения человека, относятся световые и цветовые потоки, отражающиеся от стен и потолков производственных, бытовых помещений и оборудования.

Количественное и качественное влияние указанных раздражителей зависит главным образом от световых свойств тел, расположенных в поле зрения человека, а также от осветительных установок, создающих освещение. К световым свойствам тел относятся свойства: отражать, поглощать и пропускать падающий на них световой поток; перераспределять отраженный или прошедший через них световой поток; изменять спектральный состав падающего на них светового потока при его отражении или пропускании.

Все окружающие нас тела и предметы независимо от их состояния - твердого, жидкого или газообразного - разделяются на прозрачные и непрозрачные.

Прозрачными называются такие тела, через которые проходит большая часть световых лучей, таковы, например, стекло, вода, воздух и др. Непрозрачными называются тела и предметы, которые не пропускают видимого света. Однако резко разграничить все тела на прозрачные и непрозрачные нельзя. Все тела в большей или меньшей степени поглощают или пропускают свет. Есть тела, которые занимают промежуточное место. Они пропускают свет, но ясно видеть предметы через них нельзя. Такие тела называются просвечивающими . К ним относятся, например, матовое стекло, промасленная бумага и др.

Когда световой поток (свет) падает на прозрачные тела, часть его проходит сквозь тело, часть поглощается им, а остальная часть отражается от него. Когда же световой поток падает на непрозрачное тело, имеет место только поглощение и отражение света. Падающий на тело световой поток в большинстве случаев распределяется на три части: часть светового потока, падающего на тело, отражается последним и называется отраженным световым потоком Ф отр, часть пропускается им и называется прошедшим потоком Ф прош и та часть, которая поглощается, называется поглощенным потоком Ф погл. В соответствии с законом сохранения энергии их сумма всегда равна полному падающему на тело световому потоку

Ф пад =Ф отр +Ф погл +Ф прош.

Свойства разных тел отражать, пропускать и поглощать свет характеризуются коэффициентами отражения , поглощения а и пропускания τ. Характер распределения отраженного светового потока зависит от качества обработки (структуры) самой отражающей поверхности. Чем больше коэффициент отражения тела, тем более светлым кажется оно нам и, наоборот, чем меньше коэффициент отражения, тем более темным становится его цвет. В зависимости от характера пространственного распределения отраженного телом светового потока различают зеркальное, диффузное (равномерно диффузное) и смешанное отражение.

Зеркальное отражение (рис. 1.16, а ) получается при отражении света зеркальными поверхностями, размеры неровностей которых очень малы по сравнению с длиной волны падающего на них света, т. е. хорошо обработанными полированными поверхностями. Для зеркального отражения справедлив закон равенства угла падения лучей углу их отражения, причем падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения света. Кроме того, зеркальное отражение характеризуется тем, что телесный угол падающего потока равен телесному углу отраженного светового потока.

Коэффициенты зеркального отражения некоторых материалов в процентах приведены ниже.

Яркость изображения предмета в зеркале равна яркости предмета, умноженной на коэффициент отражения зеркала. Тела с совершенно гладкой поверхностью отражают свет в одном направлении, с которого они кажутся очень яркими - блестят. С других направлений эти тела кажутся темными. Такие тела называют блестящими . При наличии в поле зрения поверхностей с зеркальным отражением необходимо принимать меры к защите глаз от отраженной блескости.

Диффузное отражение характеризуется тем, что телесный угол, в котором заключен падающий световой поток, меньше телесного угла, в котором он распространяется после отражения. Тела с шероховатой, негладкой поверхностью отражают свет диффузно (в разных направлениях). Свет, падающий на такое тело в одном направлении, падает на различные ничтожно малые площадки его поверхности под различными углами. От каждой точки поверхности свет отражается по тому же закону, но поскольку углы падения света на разные участки (площадки) поверхности тела в данном случае различны, постольку и отражается свет в разные стороны. Шероховатая поверхность специально выделывается при выработке материала. Шероховатость может быть точечной, сетчатой или линейной (рифленой).

Поверхности, диффузно отражающие свет, с разных направлений кажутся одинаково яркими. Они не имеют бликов, не блестят, их называют матовыми . Если матовую бумагу потереть кисточкой или ногтем, она начнет блестеть, потому что при натирании сглаживаются неровности ее поверхности. Помимо блестящих и матовых, выделяют еще группу глянцевых поверхностей, занимающих промежуточное положение между блестящими и матовыми. Различают два вида диффузного отражения - равномерно-диффузное и направленно-диффузное.

Равномерно-диффузное отражение характеризуется распространением отраженного светового потока в телесном угле, равном 2π, расположенном по одну сторону от отражающей этот поток поверхности (рис. 1.16, б ). Распределение отраженной силы света I α от таких поверхностей имеет форму сферы, касательной к поверхности в точке падения луча. В этом случае сила света по нормали к отражающей поверхности в точке падения луча имеет наибольшее значение I max , а во всех направлениях убывает пропорционально косинусу угла а между направлением наибольшей силы света и силой света в данном направлении

I α =I max cosα

Это соотношение называется законом косинуса.

Как видно из рис. 1.16, б , распределение отраженного потока от равномерно-диффузных поверхностей не зависит от направления падающего потока.

Яркость равномерно-диффузной поверхности одинакова во всех направлениях. Тела, имеющие одинаковую яркость по всем направлениям, а также для каждого участка поверхности излучающего тела называются равно-яркими излучателями. К числу таких излучателей относятся матовые отражающие поверхности (алебастр, ватманская бумага, белая клеевая покраска, молочные рассеивающие стекла и т. д.).

Световой поток, излучаемый равномерно-диффузной поверхностью, равен произведению силы света в перпендикулярном направлении на число π

Это выражение устанавливает связь между световым потоком и максимальной силой света, излучаемыми равномерно- диффузными поверхностями. Для равномерно-диффузных поверхностей коэффициент отражения

Ф отр /Ф пад =πI max /Ф пад =πLS/(ES)=πL/E,

где L - яркость поверхности, кд/м 2 ; E - освещенность поверхности, лк.

Отсюда можно получить соотношение, связывающее яркость и освещенность диффузных поверхностей,

Абсолютно белой рассеивающей поверхностью называется поверхность, обладающая равномерно-диффузным отражением и имеющая коэффициент отражения, равный единице. Для этой поверхности предыдущее выражение принимает вид

К материалам с равномерно-диффузным отражением относятся окись магния (=96%), алебастр (=92%), белая клеевая краска (=80%) и др. Только белые поверхности обладают способностью отражать падающие на них лучи одинаково для всех длин волн.

При освещении белой поверхности (сернокислый барий, ватманская бумага, снег) белым светом она кажется нам белой. При освещении белой поверхности цветным световым потоком она будет казаться того же цвета, что и падающий на поверхность световой поток.

При направленно-диффузном отражении происходит концентрация отраженного светового потока в некотором телесном угле, направление оси которого определяется законами зеркального отражения. Направленно-диффузным отражением обладают матированные поверхности металлов: матовое серебрение (=71÷75%), матовый алюминий (=55÷60%) и т. д.

Любая поверхность видна потому, что она отражает световой поток в направлении к глазу наблюдателя. Чтобы характеризовать распределение в пространстве отраженного от поверхности светового потока, пользуются понятием коэффициента яркости. Под коэффициентом яркости β понимается отношение истинной яркости поверхности L в заданном направлении к яркости равномерно-диффузной поверхности L 0 в случае, когда на указанные поверхности падает один и тот же световой поток

β=L/L 0 =L π /E

Если для поверхности известны ее освещенность и коэффициент яркости в данном направлении, яркость поверхности в этом направлении определяется

L=βL 0 =βE/π. (1.4)

Кривые коэффициентов яркости измеряются для различных поверхностей при разных углах падения света и по ним с помощью формулы (1.4) определяют яркость поверхности в том или ином направлении для заданных условий.

Смешанное отражение характеризуется наличием зеркального и диффузного отражений одновременно (рис. 1.16, в ). К материалам, обладающим смешанным отражением, относятся, например, фарфоровая эмаль, имеющая коэффициент рассеянного отражения =55÷60% и коэффициент направленного отражения =5÷6%, молочное стекло, имеющее соответственно =30÷60% и =5÷6%. При увеличении угла падения света на эмаль возрастает коэффициент направленного отражения. Ниже приведены коэффициенты отражения некоторых облицовочных материалов и красок в процентах.

Коэффициенты отражения даны для белого света. Коэффициенты отражения для красок не являются постоянными, поскольку они зависят от состава, количества нанесенных слоев и т. д. Они дают некоторое представление об отражающей способности красок.

Учитывая чувствительность глаза, следует отметить, что зеленые и желтые краски светлее, чем красные и фиолетовые.

При прочих равных условиях на практике в красную, фиолетовую и голубую краски нужно добавить больше белой краски, чем в зеленую и желтую, для того чтобы их коэффициенты отражения уравнялись. Напротив, добавление небольшого количества красной краски в белую дает ярко-розовый цвет, тогда как то же количество желтой лишь чуть изменит оттенок белой.

Коэффициенты отражения различных материалов зависят в большой мере от состава спектра падающего светового потока. Если на тело, которое неодинаково отражает свет разных длин волн, падает белый свет, то после отражения соотношение между излучениями этих длин волн изменится и тело будет иметь цвет, соответствующий его физическим свойствам. Коэффициенты отражения каких-либо поверхностей для однородных монохроматических световых потоков называются спектральными коэффициентами отражения .

Если построить в системе прямоугольных координат график, в котором по оси ординат откладывать значения спектральных коэффициентов отражения (λ), а по оси абсцисс - длины волн λ, мы получим зависимости спектральных коэффициентов отражения от длины волны. Эти зависимости обозначаются (λ)=f (λ) и называются спектральными характеристиками отражения. Эти же зависимости, представленные в виде кривых, называются кривыми спектрального отражения . На рис. 1.17 видно, что в спектре отражения пигментов находятся почти все длины волн видимого спектра, однако в разных соотношениях. Например, пигмент кобальта (см. рис. 1.17, а ) имеет в целом синий цвет с длиной волны 482 нм (цвет краски дан над кривой спектрального отражения), но кривая его спектрального отражения проходит в области и других длин волн, в том числе в области красных цветов (λ>620 нм). Аналогично кривая красно-оранжевого пигмента - киновари (см. рис. 1.17, б ) имеет наибольшие значения коэффициентов отражения в красной части спектра, однако она имеет и другие длины волн.

Следовательно, кривые спектрального отражения неоднозначно характеризуют цвет, так как одному и тому же цвету может соответствовать большое количество различных спектров отражения. Когда мы говорим, что поверхность имеет зеленый цвет (при освещении белым светом), то это значит, что данная поверхность отражает преимущественно зеленые лучи и незначительно все остальные лучи, составляющие белый свет. Таким образом, правильнее говорить не о цвете поверхности, а о цвете светового потока, отраженного от поверхности.

Если поверхность отражает световой поток так, что спектральные коэффициенты отражения всех длин волн видимой области спектра одинаковы, это значит, что поверхность неизбирательно (неселективно) отражает световой поток. Такие поверхности не изменяют при отражении света соотношения между излучениями различных длин волн. Для глаза поверхности, обладающие таким свойством, представляются лишенными цветового тона, а именно белыми или серыми. Если же отражение поверхностью неодинаково для различных длин волн видимой области спектра, то такое отражение является избирательным , т. е. некоторые монохроматические лучи отражаются больше, чем другие. Если, например, какое-нибудь вещество отражает только красные лучи, а все остальные поглощает, то при освещении белым светом оно, естественно, будет казаться насыщенно-красным. Точно так же вещество, отражающее только зеленые лучи, будет зеленым, отражающее синие лучи, - синим и т. д.

На практике вещества, которые отражали бы только один определенный участок спектра и полностью поглощали бы все остальные, не существуют. При отражении чаще всего в какой-то мере отражаются все лучи спектра. Однако при получении достаточно насыщенной окраски совсем не обязательно иметь изолированные лучи узкого участка спектра. Нужно, чтобы в некоторой части спектра отражение было несколько больше, чем в остальных. Поверхность, окрашенная киноварью и освещенная белым солнечным светом, представляется красной, потому что она хорошо отражает красные, оранжевые, желтые лучи и плохо все остальные (см. рис. 1.17, б ).

Цвет отраженного предмета тем насыщеннее, чем больше разница в отражении лучей разных частей спектра и чем уже область сильного отражения.

Поверхности, которые неодинаково отражают свет разных длин волн и имеют при освещении белым светом ту или иную окраску, соответствующую их физическим свойствам, называются цветными .

Способность тела пропускать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом пропускания

τ=Ф прош /Ф пад,

где Ф прош - прошедший световой поток; Ф пад - падающий световой поток.

Способность тела поглощать падающий на него световой поток характеризуется коэффициентом поглощения а

α=Ф погл /Ф пад,

где Ф погл - поглощенный телом световой поток.

В табл. 1.6 приведены коэффициенты отражения, пропускания и поглощения некоторых материалов.

Из сказанного ранее следует, что падающий световой поток Ф пад может быть выражен

Ф пад =Ф отр +Ф прош +Ф погл =Ф пад =(+τ+α)Ф пад,

откуда получим, что +τ+α=1, т. е. сумма коэффициентов отражения, пропускания и поглощения для любых тел и сред равна единице.

Коэффициенты пропускания и поглощения обычно даются для среды на единицу длины. Зная коэффициент пропускания на единицу длины, можно определить коэффициент пропускания среды для какого-то слоя толщиной d . Предположим, что надо определить коэффициент пропускания стекла толщиной d =4 мм при τ=0,9 на 1 мм. Если начально падающий световой поток обозначить Ф 0 , то на расстоянии 1 мм его величина уменьшается до 0,9 Ф 0 . На протяжении второго миллиметра ослабление света будет иметь такую же величину. В результате на расстоянии 2 мм прошедший световой поток:

0,9·0,9Ф 0 =0,81Ф 0

на расстоянии 4 мм

0,9 4 Ф 0 = 0,66Ф 0 .

В общем случае ослабление падающего светового потока при коэффициенте пропускания на единицу длины τ 1 и при толщине слоя d , мм, определяется τ=τ d 1 .

Аналогично рассчитываются коэффициенты отражения и поглощения.

Видимый цвет окрашенного тела, освещенного белым светом и наблюдаемого в диффузно-отраженном свете, зависит от отражательной способности поверхности тела и поглощения светового потока при проникновении света внутрь тела через окрашенную пленку. Свет в действительности проникает более или менее глубоко внутрь окрашенного вещества, прежде чем вернуться в наш глаз. Для примера рассмотрим тонкую стеклянную окрашенную пластинку, положив ее на лист белой бумаги. Ее цвет будет почти такой же, как если бы мы рассматривали в два раза более толстую пластинку в проходящем свете. Чем толще окрашенный слой тела, в который проникает свет, или чем больше концентрация красящего вещества, тем нагляднее получается окраска, отраженный свет становится все более насыщенным, а интенсивность его становится все меньше и меньше. В этом случае даже длина волны отраженного света может измениться.

Так, с увеличением концентрации раствора двухромокислого калия его цвет меняется с желтого до оранжевого. Это явление встречается довольно часто. Объясняется оно следующим: пусть на стеклянную цветную пластинку, имеющую при определенной толщине коэффициент пропускания 0,1 для красного света и 0,5 для зеленого, падает световой поток. При увеличении толщины стекла в два раза коэффициенты пропускания для красного и зеленого света составят соответственно 0,01 и 0,25. Если падающий свет белый, прошедший свет при удвоенной толщине пластинки будет гораздо зеленее, чем при одинарной толщине, так как удвоенная толщина пластинки относительно больше пропускает зеленого света, чем красного.

Коэффициенты отражения и поглощения света поверхностей в помещениях имеют существенное значение: они могут изменить впечатление об их геометрических размерах и освещенности.

Все тела по характеру распределения в пространстве отраженного и пропущенного световых потоков можно разделить на три группы. К первой группе относятся тела с направленным отражением (зеркальные поверхности) или пропусканием (оконное стекло), ко второй группе относятся тела с рассеянным (диффузным) отражением (гипс, мел) или пропусканием (молочное или матовое стекло). К третьей группе относятся тела со смешанным отражением и пропусканием. Зная световые свойства тел, можно выбрать наиболее рациональный материал для изготовления светильников, отделки стен и потолков.

В природе нет ни одного материала, у которого хотя бы один из трех коэффициентов был равен 1. Наибольшее диффузное отражение имеют свежевыпавший снег (1) и химически чистые сернокислый барий и окись магния (0,96). Наиболее зеркальное отражение у чистого полированного серебра (0,92) и у специально обработанного алюминия (0,95).

Величина коэффициента пропускания указывается в справочниках для толщины материала в 1 см. К наиболее прозрачным материалам можно отнести особо чистый кварц и некоторые марки органического стекла, у которых = 0,99 см.

Вещество с коэффициентом поглощения, равным 1, называется «абсолютно черным телом».

рабочая поверхность: Поверхность, на которой непосредственно выполняется работа.

расчетная рабочая поверхность: Условная горизонтальная поверхность, на которой рассчитывают среднюю освещенность при проектировании освещения.

Примечание - Исключая особые случаи, расчетная рабочая поверхность выбирается на расстоянии 0,85 м от пола (при особых случаях 0,7-0,75 м)

6 Расчет освещенностиот светящей линии

4 Конструкция,принцип действия ламп накаливания,галогенных ламп накал.

Лампы накаливания являются типичными теплоизлучателями. Важнейшие свойства лампы накаливания – световая отдача и срок службы – определяются температурой спирали. При повышении температуры спирали возрастает яркость, но вместе с тем и сокращается срок службы. Сокращение срока службы является следствием того, что испарение материала (вольфрама), из которого сделана нить, при высоких температурах происходит быстрее, вследствие чего колба темнеет, а нить накала становится все тоньше и тоньше и в определенный момент расплавляется, после чего лампа выходит из строя. Светоотдача ламп накаливания составляет примерно от 9 до 19 лм/Вт. Далеко от идеальной светоотдачи (683 лм/Вт).

Спектр излучения сплошной, что обеспечивает идеальную цветопередачу. Зажигание происходит моментально.

Рис. 2.2. Конструкция лампы накаливания общего назначения:1 – колба; 2 – спираль; 3 – кручки (держатели); 4 – линза; 5 – штабик; 6 – электроды; 7 – лопатки; 8 – штангель; 9 – цоколь; 10 – изолятор; 11 – нижний контакт. Материалы: а – вольфрам; б – стекло; в – молибден; г – никель; д – медь; ж – цокольная мастика; з – латунь, сталь;и – свинец, олово

Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки. Вольфрам имеет большую температуру плавления около 3400°С (3600 К), формоустойчив при высокой рабочей температуре, устойчив к механическим нагрузкам, обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, что позволяет получить из него нити весьма малых диаметров путем протяжки проволоки через калиброванное отверстие. Нить накала накаляется до температуры 2500…2800°С.

В зависимости от типа ламп вводы могут быть одно-, двух- и трехзвенными. Вводы и держатели являются частью, так называемой ножки. Это стеклянный конструктивный узел лампы, который кроме вводов и держателей включает в себя стеклянный штабик 5 с линзой 4 . Ножка служит опорой для тела накала лампы и в месте с колбой 1 обеспечивает герметизацию лампы.

Для обеспечения нормальной работы раскаленной вольфрамовой нити накала необходимо изолировать ее от кислорода воздуха. Для этого в колбе создается вакуум (такие лампы называются вакуумные) или заполняется инертным газом (аргон, криптон, ксенон с разным содержанием азота или галогенные с добавкой к наполняющему газу определенной доли галогенов, например йода) - газополные лампы.

Достоинства: непосредственное включение в сеть, т.е. для своей работы не требует дополнительных аппаратов;невысокая стоимость; удобство в эксплуатации; относительно небольшие первоначальные затраты на осветительную установку;

большой выбор по конструктивным особенностям;

широкая номенклатура по номинальному напряжению и мощности ламп; стабильность светового потока за срок службы.

Недостатки:малый срок службы (для ламп общего назначения средний срок службы составляет 1000 ч);низкая световая отдача (20 лм/Вт);неэкономичные (более 90% электроэнергии затрачивается на нагрев тела накала и выделяется в виде тепла).

Галогенные лампы По структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания, но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама нити накала). Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен.

Конструктивно не отличаются от ламп накаливания, но обладают более высоким сроком службы. Между сроком службы и световой отдачей существует прямая зависимость – чем больше светоотдача – тем меньше срок службы. Срок службы увеличен в галогенных лампах за счет иодно-вольфрамового цикла, возвращающего испарившийся вольфрам обратно на спираль.

Принцип действия галогенных ламп заключается в образовании на стенке колбы летучих соединений – галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы вольфрама. В результате увеличивается срок службы ламп. Галогенные лампы по сравнению с обычными лампами накаливания имеют более стабильный световой поток, значительно меньшие размеры, более высокую термостойкость и механическую прочность благодаря применению кварцевой колбы.

В качестве галогенных добавок применяется йод, бром, хлор, фтор. Работа по подбору новых летучих химических соединений галогенов продолжается.

1.1. Лучистая энергия , лучистый поток , световой поток

1.2. Пространственная и поверхностная плотность светового потока

1.3. Яркость . Световые свойства тел

Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, способны излучать в окружающее пространство лучистую энергию, которая распространяется в виде электромагнитных колебаний с различной длиной волны. Частота этих колебаний зависит от длины волны излучения. Под длиной волны излучения понимается расстояние, которое проходит волна за время полного периода колебания:

λ = с / f , (1)

где λ - длина волны, м;

с - скорость света, равная 3×10 8 м/с;

f - частота электромагнитных колебаний, Гц.

Обычно длины волн излучения измеряются в нанометрах: 1 нм=10 -9 м=10 -6 мм. Мощностью лучистой энергии или лучистым потоком называется количество энергии, излучаемой в единицу времени. Единицей измерения лучистого потока является 1 Вт. Из всей лучистой энергии, существующей в природе, человеческий глаз воспринимает как световое ощущение только незначительную часть с длинами волн от 380 до 760 нм. За пределами этих длин волн лучистая энергия для человека невидима. Каждой длине волны в пределах 380-760 нм соответствует определенная цветность излучения. Переход одного цвета к другому происходит постепенно.

Часть лучистой энергии, воспринимаемую человеческим глазом как световое ощущение, называют световой энергией, а мощность ее излучения -световым потоком Ф. Световой поток, так же как и лучистый поток, может быть измерен в ваттах. Однако, на практике за единицу измерения светового потока принят люмен (лм).

Примерное представление о величине люмена дает следующий пример: лампа накаливания мощностью 15 Вт напряжением 220 В имеет световой поток в 105 лм.

1.2. Пространственная и поверхностная

плотность светового потока

Источники света, которые можно представить в виде светящейся точки, излучают световую энергию равномерно во всех направлениях. Применяемые для освещения помещений светильники распределяют световую энергию в разных направлениях неодинаково, вследствие чего она имеет различную плотность. Пространственная плотность световой энергии называется силой света.

При неравномерном излучении источником света световой энергии сила света I численно определяется как отношение бесконечно малого светового потока dФ , равномерно распределенного в пределах бесконечно малого телесного угла d w с вершиной у источника света, к величине этого телесного угла:

I = dФ / d w . (2)

При равномерном распределении световой энергии в пределах телесного угла, имеющего конечные размеры, сила света в направлении оси угла определяется по формуле

I =Ф /w . (3

Под телесным или пространственным углом понимается часть пространства, ограниченная конической поверхностью. Величина телесного угла определяется как отношение площади участка сферы S , на которую телесный угол опирается, к квадрату радиуса R сферы

w = S / R 2 . (4)

Единицей пространственного угла является стерадиан (ср). Величина телесного угла в 1 ср представляет собой телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса данной сферы:

w = S / R 2 = R 2 / R 2 = 1 ср. (5)

За единицу измерения силы света принята кандела (кд), 1 кд представляет силу света точечного источника, излучающего равномерно световую энергию мощностью 1 лм, внутри телесного угла в 1 ср.

Световая энергия, падая на любую поверхность, освещает ее. Для количественной оценки плотности светового потока на освещаемой поверхности пользуются понятием освещенности. В случае неравномерного освещения поверхности освещенность Е определяется выражением

Е = dФ / dS , (6)

где dФ - бесконечно малая величина светового потока, равномерно распределяющегося в пределах бесконечно малого участка dS освещаемой поверхности. Средняя освещенность при неравномерном распределении светового потока по освещаемой поверхности

Еср =Ф / S . (7)

Единица освещенности носит название люкс (лк). Освещенность, равная 1 лк, будет иметь место, если на освещаемую поверхность в 1 м 2 будет падать равномерно распределенная световая энергия мощностью в

1 лк=1лм/1м 2 . (8)

Освещенность в какой-либо точке освещаемой поверхности может быть определена по силе света, соотношение между освещенностью поверхности и силой света точечного источника может быть определено по рис. 1.

Пусть сила света источника, находящегося в точке О , в направлении

элемента поверхности dS равна I a . Расстояние между источником света и элементом dS равно l , угол между нормалью к поверхности dS и направлением силы света обозначен a . Величина телесного угла d w согласно (4) определяется выражением

где dS × cos a -площадь участка сферы, на которую телесный угол опирается.

Рис. 1. Поясняющая схема к определению освещенности

Световой поток, падающий на элемент dS , выразим из соотношения (2)

d Ф= I α d ω = (9)

Освещенность элемента dS при этом будет равна

Е = = (10)

т.е. освещенность данной точки поверхности, расположенной под углом a к падающему световому потоку, прямо пропорциональна силе света, направленного к ней, и косинусу угла между падающим лучом и нормалью к освещаемой поверхности и обратно пропорциональна квадрату расстояния освещенной точки от источника света.

Если свет падает перпендикулярно освещаемой поверхности, то освещенность можно определить как

Е = I / l 2 . (11)

1.3. Яркость . Световые свойства тел

Свет от источника, падая на поверхность какого-либо предмета, частично ею отражается. В глаз наблюдателя попадает лишь часть отраженного от поверхности предмета светового потока, которая вызывает зрительное восприятие. Чем большая часть отражаемого светового потока попадает в глаз наблюдателя, тем сильнее будет зрительное ощущение этого предмета. Поверхности предметов, имеющие различные окраски и отражающие свойства, при равной освещенности воспринимаются глазом наблюдателя по-разному.

Освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света будет иметь отраженный поток в направлении глаз наблюдателя. Условия видения количественно характеризуются величиной яркости.

Яркостью освещаемой поверхности (L ) в каком-либо направлении называется отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направлении, к площади проекции освещаемой поверхности на плоскость, перпендикулярную к тому же направлению.

Рис. 2. Поясняющая схема к определению яркости поверхности

Если рассматривать освещенную поверхность под углом a , ограниченным нормалью к этой поверхности и линией зрения (рис.2), то будет видна часть этой поверхности, т.е. площадь ее проекции на плоскость, перпендикулярную к линии зрения S α = S × cos α. Для равномерно освещенной поверхности яркость в любом направлении будет равна

Если лучи от плоской освещаемой поверхности, направленные к глазу человека, перпендикулярны к этой поверхности, то яркость освещаемой поверхности определится выражением

L = I / S . (13)

Понятие яркости применимо не только к освещаемым поверхностям, но и к

источникам света. Единицей измерения яркости служит кд/м 2 . Тела, в зависимости от их физических свойств и состояния поверхностей обладают способностью отражать, пропускать и поглощать свет. Для суждения о светотехнических качествах тел служат коэффициенты отражения r , поглощения a и пропускания t , которые показывают, какая часть от общей падающей на поверхность световой энергии соответственно отражается,

пропускается и поглощается.

Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания соответственно

где Ф p ,Ф α ,Ф r -отраженный, поглощенный и пропущенный световые потоки;

Ф пад. - падающий на поверхность световой поток.

Падающий световой поток Фпад . всегда равен сумме трех составляющих потоков:

а коэффициенты связаны зависимостью

p +α +t = 1. (16)

Все тела по характеру распределения в пространстве отраженного и пропущенного световых потоков можно разделить на три группы. К первой группе относятся тела с направленным отражением (зеркальные поверхности) или пропусканием (оконное стекло), ко второй группе относятся тела с рассеянным (диффузным) отражением (гипс, мел) или пропусканием (молочное или матовое стекло). К третьей группе относятся тела со смешанным отражением и пропусканием. Зная световые свойства тел, можно выбрать

наиболее рациональный материал для изготовления светильников, отделки стен

и потолков.

В природе нет ни одного материала, у которого хотя бы один из трех коэффициентов был равен 1. Наибольшее диффузное отражение имеют свежевыпавший снег (p ≈ 1) и химически чистые сернокислый барий и окись магния (p ≈ 0, 96). Наиболее зеркальное отражение у чистого полированного серебра (p ≈0, 92) и у специально обработанного алюминия (p ≈ 0, 95).

Величина коэффициента пропускания указывается в справочниках для толщины материала в 1 см. К наиболее прозрачным материалам можно отнести особо чистый кварц и некоторые марки органического стекла, у которых p = 0, 99 см.

Вещество с коэффициентом поглощения, равным 1, называется «абсолютно черным телом».