Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Фотометрия

Фотометрия — общая для всех разделов прикладной оптики научная дисциплина, на основании которой производятся количественные измерения энергетических характеристик поля излучения. В основе фотометрии как науки лежит разработанная А. Гершуном теория светового поля.

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Фотометрия

Фотометрия (от греч. photós — свет и греч. metréo — измеряю) – это раздел общей физики, занимающийся измерением света. Фотометрия широко применяется как вид молекулярно-абсорбционного анали-за, основанного на пропорциональной зависимости между концентра-цией однородных систем (например, растворов) и их светопоглощени-ем в видимой, ИК и УФ областях спектра.

Поток энергии излучения. Телесный угол

Электромагнитное излучение, как и любые волны, при своем распространении в какой-либо среде переносит энергию от точки, к точке. Если на некотором расстоянии от источника электромагнитных волн мысленно выделить поверхность так, чтобы сквозь нее проходили волны, то энергию, переносимую этими волнами через поверхность за единицу времени, называют потоком излучения или лучистым потоком через выделенную поверхность; поток излучения имеет размерность мощности и измеряется в ваттах.

Когда расстояние от источника электромагнитного излучения до выделенной поверхности велико по сравнению с размерами самого источника, его можно назвать точечным. Часто условно считают, что излучение точечного источника не зависит от направления, т. е. происходит равномерно во все стороны.

Поток излучения, падающий на какую-либо поверхность, зависит от площади этой поверхности S, от ее положения в пространстве и от расстояния до источника излучения.

В большинстве случаев приходится рассматривать поток излучения, распространяющийся в ограниченной части пространства. Например, если источник излучения О, линейные размеры которого малы по сравнению с r (рис. 33.1, а), посылает излучение на площадку S, перпендикулярную к направлению распространения излучения, то на нее попадает только излучение, ограниченное заштрихованной конической поверхностью с вершиной в точке О.

Часть пространства, ограниченную конической поверхностью, называют телесным углом Точку О на рис. 33.1 называют вершиной телесного угла. Когда вершина телесного угла находится в центре шара, угол называют центральным. Если из точки О (рис. 33.1, б) провести шаровые поверхности с различными радиусами r, то, как известно из геометрии, для заданного телесного угла отношение площади вырезанной этим углом поверхности шара S к r 2 для всех поверхностей будет одинаково и может служить мерой телесного угла т. е.

(33.1)

Найдем единицу телесного угла

Стерадианом (ср) называют центральный телесный угол, который вырезает на поверхности шара площадь, равную квадрату радиуса этого шара. Поскольку площадь сферической поверхности выражается формулой то во всей поверхности шара квадрат его радиуса содержится раз. Это означает, что полный телесный угол охватывающий все пространство, содержит ср, т. е.

(33.2)

Когда нужно оценить излучение, распространяющееся от источника О в заданном направлении ОA (рис. 33.1, б), то рассматривают лучистый поток в очень малом угле который вырезает на поверхности шара площадь S с центром в точке А. Разделив всю поверхность шара на равные площади S и измерив потоки, которые попадают на каждую из них, можно узнать, в каком направлении испускается больший поток излучения, а в каком меньший.

Световой поток

Световое ощущение у человека создает электромагнитное излучение с длиной волны в вакууме в диапазоне примерно от 400 до 760 нм, причем каждой длине волны в этом диапазоне соответствует определенное цветовое ощущение (см. § 28.2).

Опыты показали, что лучистые потоки, одинаковые, но соответствующие различной длине волны, вызывают неодинаковое раздражение окончаний светочувствительного нерва на сетчатке глаза и поэтому создают световые ощущения, отличающиеся не только по цвету, но и по интенсивности. Наиболее чувствителен наш глаз к излучению с длиной волны 555 нм (зеленый цвет). Одинаковые лучистые потоки с длиной волны, большей или меньшей 555 нм, создают более слабое световое ощущение. Чтобы оценить эту разницу количественно, поступим следующим образом.

Возьмем источники монохроматического излучения разных цветов, но одинаковой мощности (например, в 1 Вт) и будем поочередно сравнивать их в одинаковых условиях с источником излучения с длиной волны 555 нм, мощность которого можно регулировать. Тогда для каждого монохроматического источника мы сможем подобрать такую мощность эталонного источника с длиной волны чтобы световые ощущения, создаваемые этими источниками, были одинаковы по интенсивности. Для сравнения источников можно например, освещать ими соседние участки одного текста, добиваясь одинаковой четкости (удобства чтения).

Назовем отношение найденной из таких опытов мощности эталонного источника с длиной волны к мощности сравниваемого с ним монохроматического источника коэффициентом относительной видности. Оказывается, например, что лучистый поток оранжевых лучей мощностью в 1 Вт создает световое ощущение такой же интенсивности, как поток зеленых лучей мощностью 0,5 Вт. Значит, для длины волны нм коэффициент относительной видности К=0,5. На рис. 33.2 показана полученная с помощью таких опытов зависимость коэффициента видности от длины волны излучения в вакууме. (Ясно, что для нм K=1.) Этот график называют кривой относительной видности или кривой спектральной чувствительности глаза. Заметим, что ночью кривая спектральной чувствительности глаза несколько сдвигается в сторону коротких длин волн, т. е. влево.

Из изложенного выше следует, что лучистый поток, создающий у людей световое ощущение, выражать в ваттах очень неудобно. Поэтому для оценки действия излучения на глаз пользуются световым потоком Ф. Световым потоком называют ту часть потока излучения, которая вызывает в глазу ощущние света и оценивается по световому ощущению.

Раздел оптики, занимающийся измерениями светового потока, изучением характеристик источников света и освещенностей предметов, называют фотометрией (от греч. «фотос» — свет). Отметим еще, что часть электромагнитного излучения, вызывающую световые ощущения, часто называют световым излучением, количественным выражением которого и является световой поток Ф.

Сила света. Единицы силы света и светового потока

Световой поток Ф всегда создается каким-либо источником света. Реальные источники света излучают световой поток по различным направлениям неравномерно.

Величина, которая характеризует зависимость светового потока, испускаемого источником света, от направления излучения, называется силой света . Сила света источника малых размеров измеряется световым потоком, испускаемым этим источником внутрь единичного телесного угла в заданном направлении:

(33.3)

Для реального источника света при определении силы света в каком-либо направлении измеряют световой поток Ф в малом угле и затем находят по формуле (33.3). Если же сила света источника слабо зависит от направления, то формула (33.3) будет справедлива и для больших углов . В дальнейшем мы будем считать силу света точечного источника по всем направлениям одинаковой.

В СИ единица силы света кандела (от лат. «кандела» — свеча) является шестой основной единицей. Канделой (кд) называют 1/60 силы света, создаваемой 1 см 2 плоской поверхности, платины *) при температуре ее затвердевания (2046 К) по направлению перпендикуляра к этой поверхности.

*) Точнее, 1 см 2 поверхности абсолютно черного тела (§34.10) при температуре затвердевания платины.

Для источников света, сила света которых зависит от направления, иногда пользуются средней сферической силой света Ее находят из соотношения

(33.4)

где — полный световой поток лампы.

Выведем единицу светового потока в СИ:

В СИ за единицу светового потока принят люмен (лм). Люменом называют световой поток, испускаемый точечным источником света в 1 кд внутрь телесного угла в 1 ср.

Так как полный телесный угол содержит стерадиан, то полный поток, испускаемый точечным источником света, выразится формулой

(33.5)

Измерения показали, что 1 лм монохроматического светового потока с длиной волны 555 нм соответствует лучистому потоку в 0,00161 Вт, т. е. 1 Вт такого излучения составляет 621 лм.

В применении к электрическим лампам количество люменов светового потока Ф, которое приходится на один ватт мощности Р электрического тока в лампе, называют световой отдачей k лампы:

(33.6)

Например, лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет среднюю сферическую силу света около 100 кд. Полный световой поток такой лампы, подсчитанный по формуле (33.5), составляет а световая отдача равна 12,6 лм/Вт. Световая отдача ламп дневного света в несколько раз выше, чем у ламп накаливания.

Освещенность

Темной ночью или в пещере окружающие нас тела невидимы. Однако горящая спичка в этих случаях будет ясно видна, как и близкие к ней предметы. Это объясняется тем, что от источника света, в данном случае от спички, распространяется световой поток. Часть светового потока, который падает на другие тела, отражается и, попадая в глаз человека, позволяет ему видеть их. Чем больший световой поток упадет на рассматриваемые тела, тем больше будет и отраженный световой поток и человек отчетливее сможет видеть эти тела.

Величину Е, характеризующую различную видимость отдельных тел и обусловленную величиной падающего на них светового потока, называют освещенностью. При равномерном распределении падающего на поверхность светового потока ее освещенность измеряется световым потоком, приходящимся на единицу площади этой поверхности, т. е.

(33.7)

Если освещенность различных участков поверхности неодинакова, то нужно выбрать столь малую площадь S, чтобы распределение потока Ф в ее пределах можно было принять за равномерное. Когда формулой (33.7) пользуются при неравномерном распределении потока Ф на площадь S, то получают среднюю освещенность этой поверхности.

Выведем единицу освещенности Е в СИ:

В СИ за единицу освещенности принимается люкс (лк) (от лат. «люкс» — свет). Люксом называют освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает световой поток в один люмен.

Приведем несколько примеров. Солнечные лучи в- полдень (на средних широтах) создают освещенность порядка 100 000 лк, а полная Луна — около 0,2 лк. Лампа накаливания мощностью 100 Вт, висящая на высоте 1 м над столом, создает на поверхности стола (под лампой) освещенность 100 лк.

Яркость

Читая книгу, мы отчетливо видим буквы на белом фоне листа, хотя его освещенность можно считать везде одинаковой. Объясняется это тем, что белый лист и буквы по-разному отражают падающий на них световой поток.

Поскольку от листа бумаги распространяется световой поток, то лист можно считать источником света. Заметим, что от листа распространяется не его собственный свет, а отраженный, поэтому лист удобно назвать вторичным источником света. Величина светового потока, распространяющегося как от первичного, так и от вторичного источника света, вообще говоря, зависит от направления. Это означает, что, подобно первичным источникам света, вторичные источники можно характеризовать силой света. Белая поверхность листа кажется нам значительно ярче, чем буквы на ней, поэтому сила света с единицы площади в первом случае больше, чем во втором.

Итак, различные области поверхностей реальных источников света (первичных и вторичных), рассматриваемые по определенному направлению, могут значительно отличаться своей яркостью, например, одни витки спирали включенного в сеть электрического нагревателя кажутся светлее, чем другие.

Величину В, характеризующую различную видимость отдельных участков поверхности в заданном направлении, обусловленную распространяющимся от этой поверхности световым потоком, называют яркостью. При-равномерном распространении светового потока от всех участков поверхности в выбранном направлении яркость измеряют силой света с единицы площади этой поверхности. Если сила света определяется по направлению перпендикуляра к поверхности, то яркость последней находится по формуле

(33.8)

Выведем единицу яркости в СИ:

За единицу яркости в СИ принимают кд/м 2 — яркость такой плоской, равномерно светящейся поверхности, с каждого квадратного метра которой в перпендикулярном к ней направлении получается сила света в 1 кд.

Заметим, что наименьшая яркость, на которую реагирует глаз человека, составляет около 10 -6 кд/м 2 , а яркость более 10 5 кд/м 2 вызывает болезненное ощущение в глазу и может повредить зрение. Яркость поверхности Солнца составляет 1,510 9 кд/м 2 , а поверхности Луны — 1,510 3 кд/м 2 . Яркость волоска лампы накаливания — (1,5—2)10 6 кд/м 2 .

Законы освещенности

Освещенность, создаваемая точечным источником света, зависит от силы света J и расстояния от источника до поверхности r.

Опишем радиусом r сферическую поверхность вокруг точечного источника с силой света J. Тогда освещенность внутренней стороны этой поверхности будет везде одинакова и лучи будут идти по радиусам, т. е. перпендикулярно к поверхности сферы. Следовательно, угол падения световых лучей на поверхность будет равен нулю. Если освещенность внутренней поверхности сферы в этих условиях обозначить Е₀, площадь всей внутренней поверхности S_ш и полный световой поток источника Ф_п, то из (33.7) получим

Так как a то т. е.

(33.9)

Это соотношение является математическим выражением первого закона освещенности: при перпендикулярном падении лучей освещенность, создаваемая точечным источником света, прямо пропорциональна его силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Рассмотрим теперь, как зависит освещенность от угла падения лучей. Пусть на плоскую поверхность ABCD падают параллельные световые лучи под углом i (рис. 33.3). Освещенность Е на этой поверхности определяется формулой

где Ф — световой поток, падающий на поверхность ABCD.

Если поверхность ABCD убрать, то световой поток попадет на поверхность MNCD. Пусть эта поверхность расположена так, что угол падении лучей на нее равен нулю. Тогда угол между поверхностями ABCD и MNCD будет равен i. Обозначим освещенность на поверхности MNCD через E₀; тогда Найдем отношение освещенностей Е и E₀:

Поскольку то Таким образом,

(33.10)

Это соотношение является математическим выражением второго закона освещенности: освещенность поверхности, создаваемая параллельными лучами, прямо пропорциональна косинусу угла падения лучей на эту поверхность.

Из второго закона освещенности следует, что при увеличении угла падения освещенность поверхности должна уменьшаться. Смена времен года на Земле объясняется именно изменением угла падения солнечных лучей на ее поверхность. В северном полушарии наименьший угол падения лучей на поверхность Земли получается летом в конце июня, а наибольший угол — зимой в конце декабря. (Объясните, почему в южном полушарии Земли декабрь — летний месяц, а июнь — зимний.)

Для точечного источника света E₀ в формуле (33.10) можно заменить его значением из (33.9), тогда получим обобщенную формулу для вычисления освещенности:

(33.11)

По этой формуле можно вычислять освещенность различных участков поверхности (например, разных точек стола), создаваемую электрической лампой (рис. 33.4). При расчетах нужно помнить, что освещенность, создаваемая несколькими источниками света в какой-либо точке поверхности, равна сумме освещенностей, создаваемых каждым источником в отдельности.

Сравнение силы света двух источников. Фотометр. Люксметр

Зная силу света источника, легко найти другие фотометрические величины. Для измерения силы света используют прибор, который называют фотометром. В простейшем фотометре

неизвестная сила света определяется методом ее сравнения с известной силой света эталонного источника при помощи получения одинаковой освещенности от этих источников света.

Заметим, что человек может весьма точно определить равенство освещенностей двух близко расположенных поверхностей. Однако в случае разных освещенностей человек не может оценить, во сколько раз они отличаются.

Один из фотометров схематически изображен на рис. 33.5: а — вид сверху, б — вид спереди. Он состоит из трехгранной призмы 1, которая покрыта белой краской, хорошо отражающей свет. Источники света располагаются слева и справа от призмы. Отраженные от призмы лучи попадают на матовое стекло 2 и, проходя внутри затемняющего экрана 3, направляются в глаз. Один из источников света, например эталонный, ставят на определенном расстоянии r₁ от фотометра, а второй источник перемещают влево или вправо до тех пор, пока освещенности обеих половин стекла 2 не окажутся одинаковыми. После этого измеряют расстояние r₂ от второго источника до фотометра. Согласно первому закону освещенности

Так как освещенности E₁ и E₂ равны, имеем откуда

(33.12)

По этой формуле можно определить искомую силу света

В современных фотометрах и люксметрах используются фотоэлементы (§35.13). Примером такого прибора может служить фотоэкспонометр для определения освещенности и времени выдержки при фотосъемках.

Услуги по физике:

1. Заказать физику
2. Заказать контрольную работу по физике
3. Помощь по физике

Лекции по физике:

1. Физические величины и их измерение
2. Основные законы механики
3. Прямолинейное равномерное движение
4. Прямолинейное равнопеременное движение
5. Сила
6. Масса
7. Взаимодействия тел
8. Механическая энергия
9. Импульс
10. Вращение твердого тела
11. Криволинейное движение тел
12. Колебания
13. Колебания и волны
14. Механические колебания и волны
15. Бегущая волна
16. Стоячие волны
17. Акустика
18. Звук
19. Звук и ультразвук
20. Движение жидкости и газа
21. Молекулярно-кинетическая теория
22. Молекулярно-кинетическая теория строения вещества
23. Молекулярно — кинетическая теория газообразного состояния вещества
24. Теплота и работа
25. Температура и теплота
26. Термодинамические процессы
27. Идеальный газ
28. Уравнение состояния идеального газа
29. Изменение внутренней энергии
30. Переход вещества из жидкого состояния в газообразное и обратно
31. Кипение, свойства паров, критическое состояние вещества
32. Водяной пар в атмосфере
33. Плавление и кристаллизация
34. Тепловое расширение тел
35. Энтропия
36. Процессы перехода из одного агрегатного состояния в другое
37. Тепловое расширение твердых и жидких тел
38. Свойства газов
39. Свойства жидкостей
40. Свойства твёрдых тел
41. Изменение агрегатного состояния вещества
42. Тепловые двигатели
43. Электрическое поле
44. Постоянный ток
45. Переменный ток
46. Магнитное поле
47. Электромагнитное поле
48. Электромагнитное излучение
49. Электрический заряд (Закон Кулона)
50. Электрический ток в металлах
51. Электрический ток в электролитах
52. Электрический ток в газах и в вакууме
53. Электрический ток в полупроводниках
54. Электромагнитная индукция
55. Работа, мощность и тепловое действие электрического тока
56. Термоэлектрические явления
57. Распространение электромагнитных волн
58. Интерференционные явления
59. Рассеяние
60. Дифракция рентгеновских лучей на кристалле
61. Двойное лучепреломление
62. Магнитное поле и электромагнитная индукция
63. Электромагнитные колебания и волны
64. Природа света
65. Распространение света
66. Отражение и преломление света
67. Оптические приборы и зрение
68. Волновые свойства света
69. Действия света
70. Линзы и получение изображений с помощью линз
71. Оптические приборы и глаз
72. Излучение и спектры
73. Квантовые свойства излучения
74. Специальная теория относительности в физике
75. Теория относительности
76. Квантовая теория и природа поля
77. Строение и свойства вещества
78. Физика атомного ядра
79. Строение атома

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

В случае копирования материалов, указание web-ссылки на сайт natalibrilenova.ru обязательно.

© «Брильёнова Наталья Валерьевна»

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Фотометрия — раздел оптики, в котором изучаются методы и приемы измерения световой энергии.

Оценивать энергию светового излучения можно визуально (глазом) или с помощью какого-то специального прибора (фотоэлемента, болометра и т.п.). При этом следует помнить, что чувствительность человеческого глаза неодинакова к излучениям разной длины волны. Так, для зеленого света чувствительность глаза в 100 раз выше, чем для красного. Следовательно, субъективная оценка энергии излучения (по зрительному ощущению) и объективная (прибором) не совпадают. Поэтому в световых измерениях применяют две системы обозначений и две системы единиц: одна из них основана на энергетической оценке света безотносительно к его действию на приемники излучения, другая — на оценке света по зрительному ощущению, она характеризует физиологические действия света.

1. Энергетические величины.

а) Поток излучения. Выделим мысленно на пути света, распространяющегося от какого-либо источника, небольшую площадку S (рис. 16.57). Через эту площадку за время t пройдет некоторое количество световой энергии W.

Отношение \(P = \frac \), показывающее, какое количество энергии проходит через площадку за единицу времени, называется потоком излучения Р через площадку S.

В СИ единицей потока излучения является ватт.

б) Излучателъностъ R_e — величина, равная отношению потока излучения, испускаемого поверхностью, к площади S сечения, через которое этот поток проходит: \(R_e = \frac

В СИ единицей излучательности является ватт на квадратный метр (вт\м 2 ) .

Излучательность представляет собой поверхностную плотность потока излучения. Этот термин аналогичен интенсивности волны.

в) Сила излучения. Рассмотрим точечный изотропный источник света — т.е. источник света, размерами которого по сравнению с расстояниями до места наблюдения можно пренебречь и который равномерно излучает свет по всем направлениям.

Направление светового излучения задают с помощью телесного угла. Телесным углом называют область пространства, ограниченную конической поверхностью (рис. 16.58). Значение телесного угла определяется по формуле \(\omega = \frac ,\) где S — площадь шарового сегмента, на который опирается телесный угол, r — радиус сферы. Единицей телесного угла является стерадиан (ср).

1 ср — телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Телесный угол \(\omega_0\), существующий вокруг точки О (т.е. опирающийся на всю поверхность сферы площадью \(

S = 4\pi r^2\)), называют полным телесным углом:

Сила излучения I_е — физическая величина, равная отношению потока излучения к телесному углу, в пределах которого это излучение распространяется:

В СИ единицей силы излучения является ватт на стерадиан — (вт\cp) .

2. Световые величины.

а) Световой поток Ф — физическая величина, которая характеризуется (по зрительному ощущению) отношением световой энергии, переносимой через какую-либо площадку в единицу времени: \(\Phi = \frac ,\)

т.е. световой поток — это мощность светового излучения, оцениваемая визуально. Единица светового потока — люмен (лм).

б) Сила света — скалярная физическая величина, равная отношению светового потока к телесному углу, в котором этот поток распределяется: \(I = \frac .\)

Единицей силы света в СИ является кандела (кд).

Кандела — основная единица измерения. Кандела воспроизводится с помощью специального эталонного источника света. 1 кд — сила света, испускаемого с поверхности площадью \(\frac M^2.\) полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101 325 Па.

Из определения силы света следует, что световой поток Ф равен \(

\Phi = I \omega.\). Основной единицей светового потока в СИ является люмен (лм).

Люмен — световой поток, который излучается точечным источником силой света 1 кд внутри телесного угла, равного 1 ср.

Световой поток Ф₀, распространяющийся внутри полного телесного угла,

называется полным световым потоком. Он характеризует полную световую энергию (оцениваемую по зрительному ощущению), излучаемую источником света в единицу времени по всем направлениям.

в) Освещенность поверхности Е — физическая скалярная величина, равная отношению светового потока, падающего на какую-либо поверхность, к площади S этой поверхности: \(E = \frac .\)

Единицей освещенности в СИ является люкс (лк). лк=лм\м 2 .

Внесистемная единица измерения освещенности — фот (фт)

фт = лм\цм 2 = 10 4 лк.

Если источники света не точечные, а протяженные, то для их характеристики вводятся величины: светимость и яркость.

г) Светимость R характеризует световой поток, излучаемый поверхностью светящегося тела единичной площади по всем направлениям, т.е. \(R = \frac .\)

Единицей измерения светимости в СИ является люкс на квадратный метр (лк\м 2 ).

д) Яркость источника. Пусть светящаяся поверхность находится в пределах телесного угла \(

\alpha\) — угол между нормалью к этой поверхности и направлением наблюдения светового потока, S_n — проекция площадки S на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения (\(S_n = S \cos \alpha\)).

Яркость В характеризует световой поток, излучаемый площадкой единичной площади в перпендикулярном направлении в пределах единичного телесного угла:

В СИ единицей яркости является нит (нт). (нт = кд\м 2 ). Внесистемная единица яркости — стильб (Сб). (сб = кд\цм 2 = 10 4 нт)

Источники света с яркостью B >16 Сб вызывают болезненное ощущение в глазу.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 489-492.

ФОТОМЕТРИЯ

ФОТОМЕТРИЯ, раздел прикладной физики, занимающийся измерениями света. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Такое ощущение вызывает излучение с длинами волн от

0,78 мкм, причем самым ярким представляется излучение с длиной волны ок. 0,555 мкм (желто-зеленого цвета). Поскольку чувствительность глаза к разным длинам волн у людей неодинакова, в фотометрии принят ряд условностей. В 1931 Международная комиссия по освещению (МКО) ввела понятие «стандартного наблюдателя» как некоего среднего для людей с нормальным восприятием. Этот эталон МКО – не что иное, как таблица значений относительной световой эффективности излучения с длинами волн в диапазоне от 0,380 до 0,780 мкм через каждые 0,001 мкм. На рис. 1 представлен график, построенный по данным этой таблицы, причем на нем указаны интервалы длин волн, соответствующие цветам солнечного спектра. Яркость, измеренная в соответствии с эталоном МКО, называется фотометрической яркостью или просто яркостью.

Фотометрические величины.

Поток световой энергии измеряется в люменах. Определить световой поток в 1 лм невозможно, не обращаясь к светящимся телам, и основной мерой света долгое время была «свеча», которая считалась единицей силы света. Настоящие свечи уже более века не используются в качестве меры света, так как с 1862 стала применяться специальная масляная лампа, а с 1877 – лампа, в которой сжигался пентан. В 1899 в качестве единицы силы ответа была принята «международная свеча», которая воспроизводилась с помощью поверяемых электрических ламп накаливания. В 1979 была принята несколько отличающаяся от нее международная единица, названная канделой (кд). Кандела равна силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540 Ч 10 12 Гц ( l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Чтобы дать определение люмена, рассмотрим точечный источник с силой света 1 кд во всех направлениях. Такой источник испускает полный световой поток, равный 4 p лм. Если источник с силой света 1 кд освещает обращенную к нему небольшую пластинку, находящуюся на расстоянии 1 м, то освещенность поверхности этой пластинки равна 1 лм/м 2 , т.е. одному люксу.

Протяженный источник света или освещенный предмет характеризуется определенной яркостью (фотометрической яркостью). Если сила света, испускаемого 1 м 2 такой поверхности в данном направлении, равна 1 кд, то ее яркость в этом направлении равна 1 кд/м 2 . (Яркость большинства тел и источников света в разных направлениях неодинакова.)

Виды фотометрических измерений.

Основные виды фотометрических измерений таковы: 1) сравнение силы света источников; 2) измерение полного потока от источника света; 3) измерение освещенности в заданной плоскости; 4) измерение яркости в заданном направлении; 5) измерение доли света, пропускаемой частично прозрачными объектами; 6) измерение доли света, отражаемой объектами.

ОБЩИЕ МЕТОДЫ ФОТОМЕТРИИ

Существуют два общих метода фотометрии: 1) визуальная фотометрия, в которой при выравнивании механическими или оптическими средствами яркости двух полей сравнения используется способность человеческого глаза ощущать различия в яркости; 2) физическая фотометрия, в которой для сравнения двух источников света используются различные приемники света иного рода – вакуумные фотоэлементы, полупроводниковые фотодиоды и т.д. При обоих методах для того, чтобы результаты имели универсальную значимость, условия наблюдения (или работы приборов) должны быть такими, чтобы фотометр реагировал на разные длины волн в точном соответствии со «стандартным наблюдателем» МКО. Важно также, чтобы световой выход лампы не изменялся в ходе измерений. Для стабилизации и измерения тока и напряжения в таких условиях обычно требуется довольно сложная электрическая аппаратура. В самых точных фотометрических измерениях приходится стабилизировать ток через лампу с точностью до (2 – 3) Ч 10 –3 %.

Визуальная фотометрия.

История визуальной фотометрии начинается с П.Бугера (1698–1758), замечательного ученого, который в 1729 изобрел способ сравнения двух потоков света и сформулировал почти все основные принципы фотометрии. И.Ламберт (1728–1777) далее систематизировал теорию фотометрии, и дальнейшее ее развитие шло в основном по линии совершенствования методов. В настоящее время визуальная фотометрия применяется ограниченно – при измерении весьма слабых световых потоков, когда трудно однозначно интерпретировать результаты физической фотометрии. Дело в том, что при уровнях яркости в диапазоне 0,01–1 кд/м спектральная чувствительность глаза плавно изменяется от соответствующей адаптации к свету (дневной, или фотопической) до соответствующей адаптации к темноте (суперечной, или скотопической), а потому здесь невозможно предсказать, какой должна быть спектральная чувствительность физического (электрического) фотометра, чтобы обеспечивалось согласие с возможными результатами визуальной фотометрии. Правильная методика для этого диапазона яркостей состоит в визуальном сравнении с источником света, энергетическое распределение которого соответствует высокотемпературному полому телу, фигурирующему в определении канделы. (Таким источником света может служить электрическая лампа накаливания при некотором значении силы тока.) При очень низких уровнях световых потоков используется второй (сумеречный) эталон, принятый международным соглашением в 1959, что позволяет проводить фотоэлектрические измерения без каких-либо неоднозначностей.

Визуально невозможно определить, насколько яркость одной поверхности больше, чем яркость другой. Но если две поверхности непосредственно примыкают друг к другу, то по исчезновению разграничивающей линии между ними равенство их яркостей можно установить визуально с точностью до 1% и даже еще точнее. Было разработано много различных устройств для образования таких полей сравнения; одно из них, т.н. кубик Люммера – Бродхуна, показано на рис. 2,а. Это две сложенные вместе трехгранные призмы из оптического стекла, причем контактная грань одной призмы слегка закруглена. Вследствие этой закругленности призмы имеют лишь частичный оптический контакт, через который свет может проходить прямо. Но в тех местах, где грани призм не соприкасаются, свет полностью отражается. Часто бывает желательно, чтобы свет от двух источников падал с противоположных сторон, и поэтому применяются схемы типа показанной на рис. 2,б. Наблюдатель, глядя в микроскоп с небольшим увеличением, видит поля сравнения, показанные на рис. 2,в.

Чтобы добиться одинаковой яркости двух полей сравнения, нужно регулировать световой поток хотя бы одного из сравниваемых источников света. В лабораторных измерениях сравниваемые лампы закрепляют в держателях, которые можно перемещать по направляющей. Такая направляющая, прямая и достаточно жесткая, называется фотометрической скамьей. Фотометрическая головка (типа показанной на рис. 2,б) устанавливается неподвижно. Если одна лампа закреплена на расстоянии (рис. 3) от экрана, а другая отодвинута на расстояние и при этом яркость полей сравнения одинакова, то отношение сил света и двух ламп определяется равенством I₁ /x₁ 2 = I₂ /x₂ 2 .

Это равенство выражает т.н. закон обратных квадратов расстояний И.Кеплера (1604), который является основным законом фотометрии. Согласно этому закону, если яркость двух полей сравнения одинакова, то силы света двух ламп обратно пропорциональны квадратам расстояний от соответствующих ламп до экрана фотометра. В справедливости этого соотношения легко убедиться, рассмотрев световую пирамиду с лампой в вершине (рис. 4). Свет, проходящий через сечение A пирамиды на единичном расстоянии от лампы, будет распределен по площади 4А на удвоенном расстоянии, по площади 9А – на утроенном расстоянии и т.д. Единственное условие применимости этого закона требует, чтобы размеры источника были малы по сравнению с расстоянием.

В некоторых специальных измерениях применяются другие средства изменения яркости поля сравнения, например, поляризатор с анализатором, которые поляризуют и ослабляют проходящий световой поток соответственно своей взаимной ориентации, клинья из серого стекла и быстро вращающиеся диски с секторными вырезами («вращающиеся секторы»). Диски имеют форму плоской крыльчатки вентилятора. Если диск вращается достаточно быстро, так что не заметно никакого мерцания, то свет ослабляется пропорционально доле полного круга, приходящейся на секторные вырезы. Каков бы ни был выбранный способ регулировки яркости, важно, чтобы изменялась только яркость, но не цвет поля.

Относительно световых источников разного цвета установлено, что если цвета различаются более или менее заметно, то результаты сравнения приобретают субъективный характер и даже у одного и того же наблюдателя могут меняться. При этом точность визуальной фотометрии сильно снижается.

Физическая фотометрия.

Начало физической фотометрии положили Ю.Эльстер и Г.Гейтель, открывшие в 1889 фотоэффект. В 1908 Ш.Фери разработал электрический фотометр, чувствительность которого к разным длинам волн была близка к чувствительности человеческого глаза. Но лишь в 1930-х годах, после усовершенствования вакуумных фотоэлементов и изобретения селенового фотодиода, физическая (электрическая) фотометрия стала широко применяемым методом, особенно в промышленных лабораториях.

Электрические фотоприемники, используемые в физической фотометрии, реагируют на свет с разными длинами волн не в точном соответствии с эталоном МКО. Поэтому для них требуется светофильтр – тщательно изготовленная пластинка из цветного стекла или окрашенного желатина, которая пропускала бы свет разных длин волн так, чтобы фотоприемник со светофильтром по возможности точно соответствовал «стандартному наблюдателю». Следует учитывать, что если световые потоки, различающиеся цветом, сравниваются с применением такого устройства, то результаты сравнения верны лишь условно. На самом деле невозможно гарантировать, что источники, яркость которых одинакова по оценке, основанной на эталоне МКО, покажутся одинаково яркими любому человеку. Выделение признака яркости из общего внешнего вида по-разному окрашенных источников света есть акт мысленного абстрагирования, который даже у одного и того же индивидуума протекает по-разному в разное время, а потому в тех случаях, когда требуются численные оценки, необходима стандартизованная методика измерений.

Фотодиод (иногда называемый вентильным фотоэлементом) представляет собой металлическую пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводникового материала (например, селена с напыленной поверх него тонкой пленкой золота или другого неокисляющегося металла) (рис. 5). Толщина пленки подобрана так, что она проводит электричество, но прозрачна и пропускает свет. Свет, падающий на селен, вызывает дрейф свободных электронов, которые заряжают металлическую пленку отрицательно относительно селена.

Если к такому фотодиоду присоединить микроамперметр с малым сопротивлением, то показываемый им ток будет почти строго пропорционален освещенности фотодиода. Если же сопротивление цепи велико, то это соотношение прямой пропорциональности нарушается, и в лабораторных условиях применяют специальные схемы, имитирующие нулевое внешнее сопротивление. Простая комбинация фотодиода с микроамперметром используется в фотографических экспонометрах.

На фотометрической скамье рис. 3 вместо визуального фотометра можно установить фотодиод. Более того, можно установить рядом два фотодиода, обращенных в противоположные стороны, и измерять разность их токов. В таком варианте лампа 1 служит лампой сравнения и остается на своем месте в ходе эксперимента, а лампа, которую требуется сравнить, устанавливается в положение 2, после чего ее перемещают так, чтобы разность токов была равна нулю.

Существуют люксметры, состоящие из фотодиода, корректирующего светофильтра и микроамперметра, широко применяемые инженерами по освещению и другими специалистами. В частности, фотодиод с корректирующим светофильтром используется для повседневных фотометрических измерений всех видов в заводских лабораториях. Если точность 1–2% приемлема, а сила света достаточно велика, то с такими устройствами можно работать без каких-либо затруднений.

В случае слабых источников света, а также в тех случаях, когда требуются повышенная точность и более надежная калибровка, фотометристы обращаются к вакуумным фотоэлементам. Такой фотоэлемент имеет фотокатод в виде металлической пластинки, обычно покрываемой одним или несколькими тонкими слоями металлов и их оксидов, и второй электрод – анод, причем оба они находятся в стеклянном высоковакуумном баллоне. Когда на фотокатод падает свет с длиной волны, превышающей некоторое «пороговое» значение (зависящее от материала фотокатода), из него выбиваются электроны. Если фотоэлемент включить последовательно с батареей и чувствительным измерительным прибором, как показано на рис. 6, то электроны, высвобождающиеся с катода, будут притягиваться анодом. Поток таких электронов, а следовательно, и ток в цепи пропорциональны освещенности.

Вместо измерительного прибора можно использовать электронный усилитель, и тогда слабые токи будут усиливаться. Можно также добавить дополнительные усилительные каскады; тщательно спроектированная аппаратура такого рода позволяет измерять свет звезд, слишком слабый, чтобы его можно было видеть простым глазом. Для повышения чувствительности и стабильности измерений перед фотоэлементом можно установить вращающийся прерыватель света и усиливать полученный переменный ток. Такой метод особенно эффективен, если усиливаемый ток выпрямляется в точном синхронизме с прерывателем. Это позволяет подавить шумы электронной схемы и прочие помехи.

Для усиления тока можно обойтись без внешнего усилителя, если использовать явление вторичной электронной эмиссии. Соответствующие устройства называются фотоэлектронными умножителями (ФЭУ); некоторые типы ФЭУ схематически изображены на рис. 7. Электроны, высвобождающиеся с фотокатода, притягиваются к первому из ряда электродов, называемых динодами. Каждый из них находится под более высоким напряжением, чем предыдущий. Электрон, падающий на динод, высвобождает несколько вторичных электронов; вторичные электроны идут к следующему диноду, и каждый высвобождает еще несколько электронов и т.д. Среднее отношение числа испущенных электронов к числу падающих (коэффициент усиления) можно легко регулировать, изменяя напряжение между соседними динодами. Коэффициент усиления может достигать миллиона и более, причем предел обусловлен только тем обстоятельством, что некоторое количество электронов высвобождается с фотокатода даже в темноте и они умножаются так же, как и другие.

Ни у одного фотоэлемента или фотоэлектронного умножителя кривая спектральной чувствительности не соответствует в точности кривой чувствительности для глаза. Спектральная чувствительность зависит от материала фотокатода. Поэтому в тех случаях, когда приходится сравнивать световые потоки разного цвета, необходим светофильтр, а расчет и градуировка светофильтра для точной фотометрии могут составить основную часть затрат на аппаратуру.

Измерение светового потока.

Одна из характеристик лампы или осветительной арматуры, необходимая инженеру по освещению, – это испускаемое ею полное количество света. Только измерив эту величину, можно определить относительную эффективность осветительных устройств. Имеются два существенно различающихся способа измерения полного светового потока: гониометрический метод и метод «интегрирующей сферы» («сферы Ульбрихта»).

Гониометр – это приспособление, позволяющее измерять освещенность, создаваемую лампой, в любом желаемом направлении. Лампа либо неподвижна, либо вращается вокруг вертикальной оси так, чтобы распределение света лампы не изменялось. Поэтому фотометр (обычно фотоэлектрический) закрепляют на конце длинного качающегося держателя, или используют подвижные зеркала. Во избежание больших поправок расстояние от лампы до фотометра выбирают на порядок больше максимального размера лампы; поэтому гониометр для больших люминесцентных ламп занимает много места. После того как измерена освещенность во многих направлениях, вычисляют полный световой поток.

Интегрирующая сфера (рис. 8) представляет собой полый шар, выкрашенный изнутри матовой белой краской. Внутри сферы подвешивается лампа или арматура с экраном, закрывающим ее со стороны небольшого окошка из опалового стекла (освещенность которого измеряется). Внутри подвешивается также эталонная лампа (световой поток которой точно измерен при помощи гониофотометра), закрытая экранами со стороны первой лампы и окошка. Освещенность окошка при включенной той или другой лампе пропорциональна ее полному световому потоку (если не считать поправок, которые существенны, когда лампы имеют разные размеры или форму либо заметно различаются цветом испускаемого света).

Специальные фотометры.

Кроме рассмотренных приборов, существуют специальные фотометры для измерения яркости поверхностей, коэффициентов пропускания и отражения разных образцов, характеристик световозвращающих отражателей (дорожно-маркировочной краски, дорожных знаков), освещенности улиц и пр.

Сапожников Р.А. Теоретическая фотометрия. Л., 1977
Гуревич М.М. Фотометрия: Теория, методы и приборы. Л., 1983
Кулагин С.В., Гоменюк А.С. и др. Оптико-механические приборы. М., 1984

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.

Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.

К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рисунке. 1.7.1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики. Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.

Рисунок 1.7.1 Схема включения фоторезистора (а), световая характеристика (б)

вольт-амперная характеристика (в)

Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рисунке 1.7.2, а, б показаны эти схемы включения.

Рисунок 1.7.2 Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора (а), фотопреобразователя (б), световая характеристика (в), вольтамперная характеристика (г)

При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «–». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи.

В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя (рисунке 1.7.2, в) линейна и выражается уравнением

Рисунок 1.7.3 Включения фототранзистора

Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

В качестве полупроводниковых излучателей света используются светоизлучающие диоды (светодиоды). Принцип действия светодиодов основан на излучении квантов света при прямом токе вследствие рекомбинации носителей заряда. Цвет излучения определяется материалом, из которого сделан фотодиод. Светодиоды работают при напряжении 2. 5В и токе до 40мА на один диод. Они имеют весьма низкий КПД.

Основное применение светодиодов – устройства индикации.

На рисунок 1.7.4 приведена схема включения светодиода и его яркостная характеристика – зависимость яркости B от тока I.

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Оптическое излучение охватывает диапазон длин волн от 100 нм до 1 мм спектра электромагнитного излучения.
Следует учитывать, что в отношении пределов спектрального диапазона, нет четкого разделения, которое обязательно только для определенных разделов прикладной оптики.
Измерение оптического излучения, например, может производиться в радиометрии, фотометрии, фотобиологии или физиологии растений, с соответствующими данным разделам измерительными величинами.

Определения фотометрических и радиометрических измерительных величин

Фотометрия
Ограничена диапазоном оптического спектра (свет), видимого человеческим глазом. Измеряемые фотометрические величины: световой поток, яркость и сила света. Основной функцией фотометрии является оценка восприятия яркости посредством функции спектральной световой чувствительности глаза — для фотопического (дневного) зрения или, в редких случаях, для скотопического (ночного) зрения (DIN 5031). Детекторы излучения для измерения фотометрических величин, должны обеспечивать одну из характеристик спектральной чувствительности.

Световой поток
Мощность светового потока источника света (лампы, светодиода и т.п.). Так как лампы обычно не испускают полностью параллельные световые лучи, измерение светового потока осуществляется с помощью измерительных геометрий (метод ≪интегрирующей сферы≫ или ≪сферы Ульбрихта≫), что позволяет точно определять световой поток, независимо от его геометрического распределения. В большинстве случаев, для измерения полного светового потока используются сферические фотометры Ульбрихта или гониометры.

Сила света
Часть светового потока, излучаемая в одном определенном направлении. Сила света является важной величиной для определения эффективности и качества светового оборудования. Измерение осуществляется детектором с ограниченной областью сектора обзора, который устанавливается на расстоянии, позволяющем рассматривать световой источник, как точечный источник света.

Яркость
Ощущение яркости, передаваемое освещенной или светящейся поверхностью глазу. Во многих случаях яркость обеспечивает значительно лучшую информацию относительно качества света, чем освещенность. Для измерения яркости используются измерительные головки (яркомеры) с определенным углом поля зрения.

Освещённость
Световой поток от одного или нескольких световых источников, падающий на определенную поверхность горизонтально или вертикально. В случае непараллельного падения светового потока к поверхности (что является типичным случаем в практической фотометрии), необходимо использование косинусного рассеивателя в качестве измерительной геометрии.

Радиометрия
Метрологическая оценка оптического излучения с использованием радиометрических величин: потока излучения, силы излучения, энергетической яркости и энергетической освещенности. Основной функцией радиометрии является исследование интенсивности облучения, независимо от длины волны. Это главное отличие между радиометрией и измерительными величинами, используемыми в фотометрии, фотобиологии, физиологии растений и т.д.

Сила излучения
Общая мощность, переносимая излучением.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, испускаемая источником света в определённом направлении, внутри малого телесного угла, к этому телесному углу. Интенсивность излучения используется для измерения геометрического распределения мощности излучения.

Энергетическая яркость
Отношение силы излучения, испускаемого с бесконечно малой площадки источника и распространяющегося в бесконечно малом телесном угле, к площади проекции этой площадки на плоскость, перпендикулярную направлению распространения и величине телесного угла. Энергетическая яркость используется для анализа и оценки свойств апертурных излучателей. Стерадианные или телескопические адаптеры могут использоваться как геометрии измерения.

Интенсивность излучения
Отношение силы излучения, падающего на поверхность, к площади этого участка. Для измерения интенсивности излучения очень важно пространственное исследование падающего излучения (определение угла, который образует нормаль к поверхности с направлением на источник).

Сравнение фотометрических и радиометрических величин

Каждая фотометрическая величина соответствует радиометрической величине и содержит одни и те же взаимосвязи между ними. Величины можно разделить по их индексам: V (видимый) и E (энергетический) спектры.

Функция спектральной чувствительности человеческого глаза

Относительная спектральная чувствительность человеческого глаза определяется общим уровнем освещенности в момент наблюдения. Человеческий глаз реагирует на лучистую энергию, длина волны которой лежит в пределах приблизительно от 380 до 760 мкм. Эта реакция не остается постоянной. При высоких уровнях освещенности максимум чувствительности, так же как и вся кривая относительной спектральной чувствительности глаза, сдвигается в желто-зеленую область. При низких уровнях освещенности положение кривой изменяется и тогда ее максимум приходится на сине-зеленую область спектра. Глаз, адаптированный к свету, имеет функцию дневного (фотопического) зрения, а для глаз, адаптированный к темноте — ночного (скотопического) зрения. Подробная характеристика кривой спектральной чувствительности приводится в табличном формате, в стандарте DIN 5031.
Изменения спектральной чувствительности глаза происходят благодаря наличию в ретине двух типов светочувствительных элементов: палочек и колбочек. Колбочки работают главным образом при высоких уровнях освещенности, палочки — при низких уровнях освещенности. Относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного/фотопического зрения (колбочки, > 10 кд/м2) описывается с помощью функции V(λ), которая является функцией, используемой в большинстве случаев. Световая эффективность для случая ночного/скотопического зрения (палочки,

Другие материалы:

Неудовлетворительное качество воздуха в закрытых помещениях с постоянным присутствием людей (например в офисах) может легко стать причиной усталости, упадка сил, снижения концентрации и даже привести к заболеваниям.

Онлайн-тест по дисциплинам: схемотехника, электроника и электротехника

Тест из 40 вопросов с указанием правильных ответов по дисциплине “Электроника”, страница 2

3) Компенсация фазовых сдвигов.

4) Нет правильного ответа.

Вопрос № 21 Укажите номер правильного ответа

Какой параметр усилителя вычисляется по формуле

1) Коэффициент усиления по напряжению.

2) Динамический диапазон.

3) Коэффициент гармоник.

4) Глубина обратной связи.

Вопрос № 22 Укажите номер правильного ответа

Что характеризует полоса пропускания усилителя?

1) Диапазон частот усиливаемого сигнала.

2) Диапазон уровней напряжения входного сигнала.

3) Диапазон регулирования громкости выходного сигнала.

4) Нет правильного ответа.

Вопрос № 23 Укажите номер правильного ответа

Какое преимущество имеют усилители класса В перед усилителями класса А?

1) Меньший уровень нелинейных искажений.

2) Больше коэффициент полезного действия.

3) Шире полоса пропускания.

4) Больше коэффициент усиления по напряжению.

Вопрос № 24 Укажите номер правильного ответа

Какой вид обратной связи не встречается в усилителях электрических сигналов?

1) Последовательная по току.

2) Параллельная по напряжению.

3) Последовательная по фазе.

4) Отрицательная по напряжению.

Вопрос № 25 Укажите номер правильного ответа

Для какого усилителя справедливо выражение

1) Для двухтактного трансформаторного усилителя.

2) Для двухтактного бестрансформаторного усилителя.

3) Для двухкаскадного усилителя.

4) Все ответы правильные.

Вопрос № 26 Укажите номер правильного ответа

Какую математическую операцию над аналоговыми сигналами выполняет операционный усилитель в приведенной схеме?

4) Умножение на константу.

Вопрос № 27 Укажите номер правильного ответа

На каком из рисунков представлена инвертирующая схема включения операционного усилителя с отрицательной обратной связью?

Вопрос № 28 Укажите номер правильного ответа

Какими свойствами обладает идеальный операционный усилитель?

Вопрос № 29 Укажите номер правильного ответа

Какому типу усилителей принадлежит операционный усилитель?

1) Усилитель низкой частоты;

2) Широкополосный усилитель.

3) Усилитель постоянного тока.

4) Избирательный усилитель.

Вопрос № 30 Укажите номер правильного ответа

Какой коэффициент усиления имеет данная схема, если

R1 = 100 кОм, R2 = 300 кОм, а RЗ = 150 кOм?

Вопрос № 31 Укажите номер правильного ответа

Обратите внимание

Какое условие достаточно выполнить, чтобы построить
автоколебательный генератор электрических сигналов?

1. Охватить усилительный каскад цепью положительной
обратной связи.

2. Обеспечить петлевой коэффициент усиления больше
единицы.

3. Обеспечить сдвиг фаз между входным и выходным
сигналами кратный 2p.

4. Нет правильного ответа.

Вопрос № 32 Укажите номер правильного ответа

На какой диаграмме представлена эпюра выходного напряжения трехфазного выпрямителя со средней точкой, работающего на активную нагрузку?

Вопрос № 33 Укажите номер правильного ответа

Схема какого устройства представлена на рисунке?

1) Однофазный мостовой выпрямитель с активно-емкостной нагрузкой.

2) Удвоитель напряжения.

3) Однофазный однополупериодный выпрямитель.

4) Однофазный выпрямитель со средней точкой.

Вопрос № 34 Укажите номер правильного ответа

Какой параметр характеризует основное назначение схемы?

1) Коэффициент стабилизации.

2) Коэффициент сглаживания.

3) Коэффициент пульсаций.

4) Коэффициент гармоник.

Вопрос № 35 Укажите номер правильного ответа

Какой процесс иллюстрирует приведенная эпюра напряжения?

1) Двухполупериодное выпрямление напряжения,

2) Однополупериодное выпрямление напряжения.

3) Фазоимпульсное регулирование напряжения.

4) Широтно-импульсное регулирование напряжения.

Вопрос № 36 Укажите номер правильного ответа

Для какого логического элемента приведена таблица истинности?

Вопрос № 37 Укажите номер правильного ответа

Какое логическое устройство предназначено для хранения информации в двоичном коде?

Вопрос № 38 Укажите номер правильного ответа

На каком рисунке изображен асинхронный RS-триггер?

4) На всех рисунках,

Вопрос № 39 Укажите номер правильного ответа

Логическая структура какого устройства показана на рисунке?

3) Регистр последовательный.

4) Счетчик суммирующий;

Вопрос № 40 Укажите номер правильного ответа

Какое устройство выполняет функцию преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня?

1) Однофазный выпрямитель.

2) Автономный инвертор напряжения.

3) Конвертор напряжения.

4) Инвертор напряжения, ведомый сетью.

Сборник тестов по «электротехнике и электронике»

Сохрани ссылку в одной из сетей:

СБОРНИК ТЕСТОВ

«ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ»

Бабичев Юрий Егорович,

профессор кафедры электротехники и информационных систем

Московского государственного горного университета, канд. техн. наук

Данилов Кузьма Павлович

доцент кафедры теоретических основ электротехники

Ставропольского государственного аграрного университета, канд. техн. наук

Сборник тестов по электротехнике и электронике. Вахтина Е.А., Габриелян Ш.Ж. – Ставрополь: Изд-во СтГАУ «АГРУС», 2008. — с.: ил.

При подготовке сборника кроме авторских тестов были использованы тесты Интернет-экзамена по дисциплине «Электротехника и электроника». Тестовый материал подбирался по темам, отражающим содержание дисциплины, а уровень сложности определялся требованиями ГОС ВПО к результатам освоения дисциплины студентами агроинженерных специальностей.

Сборник предназначен для самостоятельной контролируемой работы студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки дипломированных специалистов 110301, 120302, 120303, 260240.

Введение	4
1	Активная, реактивная и полная мощность, коэффициент мощности	5
2	Анализ цепей постоянного тока с одним источником энергии	6
3	Асинхронные машины	12
4	Вольт-амперные характеристики нелинейных элементов	14
5	Закон Ома и его применение	23
6	Законы Кирхгофа и их применение	25
7	Источники вторичного электропитания	28
8	Магнитные цепи	30
9	Машины постоянного тока	37
10	Мощность цепи постоянного тока	41
11	Резистивные, индуктивные и ёмкостные элементы	43
12	Резонансные явления	45
13	Синхронные машины	47
14	Сопротивления. Фазные и линейные токи и напряжения	49
15	Способы представления синусоидальных электрических величин	51
16	Трансформаторы	54
17	Трехфазные цепи	56
18	Усилители электрических сигналов	60
19	Электрические измерения и приборы	63
20	Элементная база современных электронных устройств	66
Ответы	75
Список рекомендуемой литературы	79

Одной из самых популярных форм оценки результатов обучения на сегодня является тестирование. О его разновидностях, преимуществах и ограничениях при использовании в образовательном процессе написано достаточно много и подробно. Неоспоримым является то, что система контроля знаний по любой учебной дисциплине будет не полной, если в ней не будет задействован тестовый контроль.

Успешность прохождения тестового контроля напрямую определяется подготовленностью студентов. В подготовленности помимо знаниевой составляющей (т.е. знания содержания учебной дисциплины) немаловажную роль играет организационно-методический компонент (умение быстро и четко определять сущность вопроса, а затем путем логических умозаключений выбирать правильный ответ).

Подготовить себя к тестированию можно, прежде всего, многократной тренировкой. С этой целью мы предлагаем сборник тестовых материалов для студентов неэлектротехнических специальностей изучающих дисциплину «Электротехника и электроника».

Отвечая на тесты, вы, уважаемые студенты, можете изменить, уточнить и расширить свои представления и знания об электромагнитных явлениях и процессах, обнаружить оригинальное в обычном, увлекательное в необходимом.

Если у вас появится желание глубже познакомиться с научной и учебной литературой по затронутым в сборнике вопросам, то воспользуйтесь приведенным в конце сборника списком рекомендуемой литературы.

1. Активная, реактивная и полная мощность, коэффициент мощности

1.1. Коэффициент мощности cos пассивного двухполюсника при заданных активной мощности P и действующих значениях напряжения U и тока I определяется выражением…

а)б) Cos =в) Cos =г) Cos =P

1.2. В формуле для активной мощности симметричной трехфазной цепи P=UI cosпод U и I понимают…

а) амплитудные значения линейных напряжения и тока

б) амплитудные значения фазных напряжения и тока

в) действующие значения линейных напряжения и тока

г) действующие значения фазных напряжений и тока

1.3. Если амперметр, реагирующий на действующее значения измеряемой величины, показывает 2А, то реактивная мощность Q цепи составляет…

а) 120 ВАр б) 280 ВАр в) 160 ВАр г) 140 ВАр

1.4. Если амперметр, реагирующий на действующее значения измеряемой величины, показывает 2А, то показания ваттметра составляет…

а) 100 Вт б) 220 Вт в) 120 Вт г) 110 Вт

Читайте также: Сможет ли старая проводка в квартире выдержать электроплиту?

1.5. Единицей измерения реактивной мощности Q цепи синусоидального тока является…

а) АВ б) ВА в) Вт г) ВАр

1.6. Активная P, реактивная Q и полная S мощности цепи синусоидальная тока связана соотношением …

а) S=P+Q б) S=P-Q в) S=г) S=

1.7. Активную мощность Р цепи синусоидального тока можно определить по формуле…

а) Р=UIcosφ б) Р=UIsinφ в) Р=UIcosφ + Р=UIsinφ г) Р=UItgφ

1.8. Коэффициент мощности пассивной электрической цепи синусоидального тока равен…

а) cosφб)cosφ+ sinφв)sinφг)tgφ

1.9. Реактивную мощность Q цепи синусоидального тока можно определить по формуле…

а) Q =UItgφб)Q = UIcosφ+ UIsinφв)Q = UIsinφг)Q = UIcosφ

1.10. Единицей измерения полной мощности S цепи синусоидального тока является…

а) Вт б) ВАр в) Дж г) ВА

1.11. Единица измеренияактивной мощности Р…

а) кВт б) кВАр в) кВА г) кДж

1.12. Единица измеренияполной мощности S…

а) кВт б) кВАр в) кВАг) кДж

2. Анализ цепей постоянного тока с одним источником энергии

2.1. Если сопротивления всех резисторов одинаковы и равны 6 Ом, то входное сопротивление схемы, изображенной на рисунке, равно…

а) 11 Ом б) 36 Ом в) 18 Ом г) 2 Ом

2.2. Сопротивления,,соединены…

а) треугольником б) звездой в) параллельно г) последовательно

2.3. Если сопротивления всех резисторов одинаковы и равны 6 Ом, то эквивалентное сопротивление пассивной резистивной цепи, изображенной на рисунке, равно…

а) 1,5 Ом б) 2 Ом в) 3 Ом г) 6 Ом

2.4. Если напряжения на трех последовательно соединенных резисторах относятся как 1:2:4, то отношение сопротивлений резисторов…

г) подобно отношению напряжений 1:2:4

2.5. Определите, при каком соединении (последовательном или параллельном) двух одинаковых резисторов будет выделяться большее количество теплоты и во сколько раз …

а) при параллельном соединении в 4 раза

б) при последовательном соединении в 2 раза

в) при параллельном соединении в 2 раза

г) при последовательном соединении в 4 раза

2.6. В цепи известны сопротивления R1=30 Ом,R2=60 Ом,R3=120 Ом и ток в первой ветви I1=4 А. Тогда ток I и мощность P равны…

а) I = 9 A; P = 810 Вт б) I = 8 A; P = 960 Вт

в) I = 7 A; P = 540 Вт г) I = 7 A; P = 840 Вт

2.7. Эквивалентное сопротивление участка цепи, состоящего из трех параллельно соединенных сопротивлений номиналом 1 Ом, 10 Ом, 1000 Ом, равно…

а) 1011 Ом б) 0,9 Ом в) 1000 Ом г) 1 Ом

2.8. В цепи известны сопротивления R1=45 Ом,R2=90 Ом,R3=30 Ом и ток в первой ветви I1=2 А. Тогда ток I и мощность P цепи соответственно равны…

а) I =7 A; P = 840 Вт б) I = 9 A; P = 810 Вт

в) I = 6 A; P = 960 Вт г) I = 6A; P = 540 Вт

2.9. Провода одинакового диаметра и длины из разных материалов при одном и том же токе нагреваются следующим образом…

а) самая высокая температура у медного провода

б) самая высокая температура у алюминиевого провода

в) провода нагреваются одинаково

г) самая высокая температура у стального провода

2.10. Пять резисторов с сопротивлениями R1=100 Ом, R2=10 Ом, R3=20 Ом, R4=500 Ом, R5= 30 Ом соединены параллельно. Наибольший ток будет наблюдаться…

а) в R2 б) в R4 в) во всех один и тот же г) в R1 и R5

2.11. Место соединения ветвей электрической цепи – это…

а) контур б) ветвь в) независимый контур г) узел

2.12. Участок электрической цепи, по которому протекает один и тот же ток называется…

а) ветвью б) контуром в) узлом г) независимым контуром

2.13. Совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении называется…

а) источником ЭДС

б) ветвью электрической цепи

г) электрической цепью

2.14. Общее количество ветвей в данной схеме составляет…

а) две б) три в) пять г) четыре

2.15. Мощность, выделяющаяся во внутреннем сопротивлении источника ЭДС R0, составит…

а) 8 Вт б)30 Вт в) 32Вт г) 16Вт

2.16. Потенциал точки в φb равен…

а) φa+ Е+ RI б) φa + Е -RI в) φa – Е + RI г) φa – Е – RI

2.17. Если ток I1 =1А, то ток I2 равен…

а) 0,5 А б) 1 А в) 2 А г) 1,5 А

2.18. Эквивалентное сопротивление цепи относительно источника ЭДС составит…

а) 15 Ом б) 60 Ом в) 30 Ом г) 40 Ом

2.19. Если сопротивление R =4 Ом, то эквивалентное входное сопротивление цепи равно…

а) 10 Ом б) 12 Ом в) 8 Ом г) 16 Ом

2.20. Если напряжение U1=10В, то напряжение U3 равно…

а) 20 В б) 10 В в) 5В г) 15 В

2.21. Если напряжение U3= 10 В, то напряжение U на входе цепи равно…

а) 50 В б) 30 В в) 10 В г) 20 В

2.22. Если R= 30 Ом, а Е= 20 В, то сила тока через источник составит…

а) 1,5 А б) 2 А в) 0,67 А г) 0,27А

2.23. Если Е1>Е2, то источники электроэнергии работают…

а) оба в генераторном режиме

б) Е1 – в режиме потребителя, а Е2- в режиме генератора

в) оба в режиме потребителя

г) Е1 – в режиме генератора, а Е2 – в режиме потребителя

2.24. Указать, какая из приведенных схем замещения относится к идеальному источнику ЭДС…

2.25. Указать, какая из приведенных схем замещения относится к реальному источнику ЭДС…

2.26. Соединение резисторов R1, R2, R3…

а) последовательное б) звездой

в) смешанное г) параллельное

3. Асинхронные машины

3.1. Относительно устройства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором неверным является утверждение, что…

а) обмотки статора и ротора не имеют электрической цепи

б) ротор имеет обмотку, состоящую из медных или алюминиевых стержней,

замкнутых накоротко торцевыми кольцами

в) цилиндрический сердечник ротора набирается из отдельных листов электрической

г) статор выполняется сплошным, путем отливки

3.2. В результате увеличения механической нагрузки на валу асинхронного двигателя скольжение увеличилось до 27 %, при этом характер режима работы двигателя…

а) номинальный б) ненадежный в) устойчивый г) неустойчивый

3.3. Если номинальная частота вращения асинхронного двигателя составляет, то частота вращения магнитного поля статора составит…

а) 3000 об/мин б) 750 об/мин в) 600 об/мин г) 1500 об/мин

3.4. Номинальному режиму асинхронного двигателя соответствует точка механической характеристики номер…

а) 3 б) 1 в) 2 г) 4

3.5. Величина скольжения асинхронной машины в двигательном режиме определяется по формуле…

а)б)в) недостаточно данных г)

3.6. Если номинальная частота вращения асинхронного двигателя составляет nн=720об/мин, то частота вращения магнитного поля статора составит…

а) 1500 об/мин б) 3000 об/мин в) 600 об/мин г) 750 об/мин

3.7. Асинхронной машине принадлежат узлы…

а) статор с трехфазной обмоткой, неявнополюсный ротор с двумя контактными

б) статор с трехфазной обмоткой, якорь с коллектором

в) статор с трехфазной обмоткой, явнополюсный ротор с двумя контактными кольцами

г) статор с трехфазной обмоткой, ротор с короткозамкнутой обмоткой, ротор с

трехфазной обмоткой и тремя контактными кольцами

3.8. Электрическому равновесию обмотки ротора соответствует уравнение…

3.9. Асинхронной машине c короткозамкнутым ротором соответствует схема…

3.10. Направление вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя зависит от…

а) величины подводимого напряжения

б) частоты питающей сети

в) порядка чередования фаз обмотки статора

г) величины подводимого тока

3.11. Асинхронный двигатель, подключенный к сети с f = 50 Гц, вращается с частотой 1450 об/мин. Скольжение S равно…

а) -0,0333 б) 0,0333 в) 0,0345 г) -0,0345

3.12. В асинхронном двигателе значительно зависят от нагрузки потери мощности…

а) в обмотках статора и ротора б) в сердечнике статора

в) в сердечнике ротора г) механические потери

Читайте также: Одна из клавиш в трехклавишном выключателе не работает

3.13. Асинхронному двигателю принадлежит механическая характеристика…

а) а б) в в) г г) б

4. Вольт-амперные характеристики нелинейных элементов

Экзаменационный тест по электронике

Допишите пропущенное слово или словосочетание:

………..- наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств для преобразования электромагнитной энергии для приёма, передачи, обработки и хранения информации.

Выберите правильный ответ:

Триггером называют устройство:

А) с двумя устойчивыми состояниями

Б) с одним устойчивым состоянием

В) с тремя устойчивыми состояниями

Г) без устойчивых состояний

Коэффициент усиления по напряжению транзисторного каскада определяется по формуле:

Полупроводниковый диод применяется в устройствах электроники для цепей…

А) усиления напряжения

Б) выпрямления переменного напряжения

В) стабилизации напряжения

Г) регулирования напряжения

Тиристор используется в цепях переменного тока для …

А) усиления тока

Б) усиления напряжения

В) регулирования выпрямленного напряжения

Г) изменения фазы напряжения

Выходы триггера имеют название:

А) инвертирующий и неинвертирующий

Б) положительный и отрицательный

В) прямой и обратный

Г) прямой и инвертный

Коэффициент усиления транзисторного каскада по току:

В) КI = Uвх / Uвых

Г) КI = Iвых / Iвх

Положительная обратная связь используется в…

Напряжение между входами операционного усилителя

Коэффициент усиления инвертирующего операционного усилителя с обратной связью:

Отрицательная обратная связь в усилителях используется с целью…

А) повышения стабильности усилителя

Б) повышения коэффициента усилителя

В) повышения размеров усилителя

Г) снижения напряжения питания

Основная характеристика резистора:

А) индуктивность L

Б) сопротивление R

Полупроводниковый диод имеет структуру…

Электроды полупроводникового диода имеют название:

А) катод, управляющий электрод

Г) база 1, база 2

Электроды полупроводникового транзистора имеют название:

А) коллектор, база, эмиттер

Б) анод, катод, управляющий электрод

В) сток, исток, затвор

Г) анод, сетка, катод

Коэффициент усиления по напряжению эмиттерного повторителя:

Триггер имеет количество выходов:

Для стабилизации рабочей точки усилительного каскада используют:

А) увеличение сопротивления нагрузки

Б) повышение напряжения питания

В) введение отрицательной обратной связи по постоянному току

Операционный усилитель имеет:

А) два выхода и два входа

Б) один вход и два выхода

В) два входа и один выход

Г) один вход и два выхода

Логические интегральные микросхемы используют для построения:

А) цифровых устройств

Б) усилителей напряжений

Блокинг-генератор – это устройство для формирования:

А) постоянного напряжения

Б) синусоидального напряжения

В) линейно-изменяющегося напряжения

Г) коротких импульсов

p-n переход образуется при контакте:

При работе транзистора в ключевом режиме ток коллектора равен нулю:

А) режим насыщения

Б) режим отсечки

В) в активном режиме

На выходе транзисторного мультивибратора формируются:

А) прямоугольные импульсы

Б) синусоидальное напряжение

В) треугольные импульсы

Г) выпрямленное напряжение

Основная характеристика дросселя:

А) индуктивность L

Б) сопротивление R

Для стабилизации рабочей точки усилительного каскада используют:

А) увеличение сопротивления нагрузки

Б) повышение напряжения питания

В) введение отрицательной обратной связи по постоянному току

Релаксационным называют генератор …

А) экспоненциальных импульсов

Б) синусоидального напряжения

В) постоянного напряжения

Г) линейно изменяющегося напряжения

Амплитудно-частотной характеристикой усилителя называют зависимость…

А) выходной мощности от частоты входного сигнала

Б) входного сопротивления от частоты входного сигнала

В) выходного сопротивления от частоты входного сигнала

Г) коэффициента усиления от частоты входного сигнала

Входной ток операционного усилителя:

Статический коэффициент передачи тока базы биполярного транзистора:

Основная характеристика конденсатора:

Б) Индуктивность L

В) Сопротивление R

Обозначение резистора 5К7 означает величину в …

Б) 5 килоом 700 ом

В) все ответы верные

Обозначение резистора 1МЗ означает величину в …

А) одну и три десятых микрогенри

Б) один миллион триста тысяч ом

В) все ответы неверные

Полупроводники по проводимости находятся . ..

А) наполовину выше диэлектриков

Б) наполовину выше проводников

В) между диэлектриком и проводником

Г) наполовину ниже диэлектриков

К недостаткам полупроводниковых приборов относится…

А) ограниченный температурный режим

Б) работа не с основными носителями

В) необходимость низкого напряжения

Г) необходимость вакуума

К полупроводникам р-типа относится …

А) кристалл обладающий избытком концентрации электронов

Б) полупроводник с избытком концентрации дырок

В) рекомбинированный переход

Г) кристаллическая решетка с избытком электронов

Недостаток полевых транзисторов заключается в . . .

А) изоляции затвора

Б) низком быстродействии

В) отсутствии эмиттера

Г) отсутствии базы

Какой из диодов изготавливают из полупроводниковых материалов с высокой концентрацией примесей?

В) Туннельный диод

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов является ..

А) способность работать в мостиковой схеме

Б) максимальная температура перехода

В) площадь радиатора и рабочая температура

Г) максимально допустимое обратное напряжение и прямой ток

Электронно-дырочный переход это:

При обратном включении диода внешнее электрическое поле и диффузионное поле в p-n-переходе совпадают по направлению?

Какую структуру имеет транзистор?

Какой вид тока на выходе диода, если он включен в электрическую цепь переменного тока?

А) переменный непрерывный

Б) переменный пульсирующий

Какую структуру имеет тиристор?

Открытое состояние тиристора сохраняется, если сигнал на управляющей электроде отсутствует?

Какой режим работы транзистора необходимо обеспечить, если его использовать в логических схемах?

Сколько выводов имеет транзистор?

Какую функцию выполняет стабилитрон в источниках питания?

Какой прибор обозначен ?

А) Точечный диод

В) Выпрямительный диод

Г) Биполярный транзистор p-n-p

Какой прибор обозначен?

А) МДП транзистор с индуцированным n-каналом

Какой фотоприбор состоит из химически чистого полупроводника?

Г) Фотоэлектронный умножитель

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света?

Какой слой в биполярном транзисторе имеет наименьшую толщину?

Г) Все слои одинаковы

Какой элемент относится к фотоэлектрическому приемнику излучения?

Единица измерения индуктивности:

Единица измерения электрического сопротивления:

Примеси, атомы которых отдают электроны называются…

Б) электронной примесью

Г) дырочной примесью

Область в полевом транзисторе, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток, называется…

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
А	Б	Б	В	Г	Г	Б	А	А	А	Б	В	В	А	Г	А	В	В	А

21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40
Г	Б	Б	А	А	А	Г	В	Б	А	В	Б	В	А	Б	Г	А	Г	В	Г

41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	51	52	53	54	55	56	57
А	Б	А	Г	А	А	А	В	Б	А	Б	Б	А	Г	Г	В	Б

№ вопроса ответ № вопроса ответ № вопроса ответ № вопроса ответ

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Электронные приборы, предназначенные для преобразования светового излучения в электрический ток, называют фотоэлектрическими. Их классифицируют по виду рабочей среды и по функциональному назначению. По виду рабочей среды фотоэлектрические приборы подразделяют на электровакуумные (электронные и ионные фотоэлементы, фотоумножители ) и полупроводниковые

с однородными структурами — фоторезисторы; с p-n переходами (фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры).

По функциональному назначению фотоэлектрические приборы подразделяют на три группы:

— фотоприёмники — преобразователи светового сигнала в электрический, применяемые в аппаратуре связи, устройствах считывания информации, в вычислительной технике и ряде других областей;

— фотодатчики— преобразователиизмеряемыхвеличинвэлектрическийсигнал: датчикиосвещенности, координат, деформации, используемые в автоматических устройствах железнодорожного транспорта;

— фотоэлектрическиепреобразователисветовойэнергиивэлектрическую в источниках аппаратуры.

Индикаторные ( излучающие ) приборы— электронные приборы, непосредственно преобразующие электрическую энергию в световое излучение, — относятсякодномуизклассовэлектросветовыхприборов.

По виду рабочей среды индикаторы подразделяют на электровакуумные, газоразрядные, полупроводниковые ижидкокристаллические.

По форме представления сигнала различают индикаторы: светосигнальные, отображающиесигналсвечениеминдикатора; цветосигнальные, отображающиекаждыйсигнализгруппыбук-

вой, цифрой или другим определённым символом; экранные, представляющие принятую за определённый интер-

вал времени совокупность сигналов в виде черно-белого или цветного изображения;

шкальные, которые отображают поступивший сигнал местоположением светового пятна или границы светящейся линии.

На базе современных фотоприёмников и излучающих приборов развивается оптоэлектроника — научно-техническое направление, использующеедляпередачи, обработкиихраненияинформациикак электрические, так и оптические средства и методы.

Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в широких пределах в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока, называют фоторезистором (ФР).

ментом ФР служит слой полу-

проводникового материала 1 ,

напылённогонаподложку 2 из

стекла, слюды или керамики,

см.рис. 3.52, а . По краям полу-

соединённые с внешними вы-

водами. Для защиты от вне-

шних воздействий элемент по-

крывают лаком и помещают в

пластмассовый или металли-

Рис. 3.52. Фоторезистор:

а — структура; б — графическое

тового сигнала. Применяют

лами для ФР служат полупроводниковые соединения кадмия. Мо-

гут быть и ФР на основе германия и кремния с примесями золота,

цинка и других элементов. Иногда ФР имеют три вывода. Такие

ФР используют в качестве дифференциальных элементов.

Обозначают ФР буквами ФС или СФ, за которым следуют бук-

ва и цифра, характеризующие материал полупроводника и конст-

руктивное оформление. На рис. 3.52, б условное графическое обо-

Вольт-амперная характеристика I φ ( U ) при Ф = const у фоторе-

зистора линейна (рис. 3.53, а ). Полярность напряжения на характе-

Рис. 3.53. Характеристики фоторезистора: а — вольт-амперные; б — световые

ристикуневлияет. При Ф = 0 наклон вольт-амперной характеристики зависит от темнового сопротивления R т . С увеличением светового потока крутизна вольт-амперной характеристики растёт, а сопротивление уменьшается в 10 5 —10 6 раз.

Световая характеристика I φ (Ф) при U = const (рис. 3.53, б ) линейна лишь в области небольших значений потока Ф. С увеличением Ф возрастает концентрация свободных носителей и вероятность их рекомбинации, подвижность носителей снижается и поэтому рост тока уменьшается.

I φ = k Φ 1/ 2 + I т ,

где k — коэффициент; I т — темновой ток, обусловленный наличием в полупроводнике при световом потоке Ф = 0 свободных носителей заряда.

Нелинейность зависимости I φ (Ф) — существенный недостаток ФР, ограничивающий их использование.

Сернисто-кадмиевыеФРимеютмаксимальнуючувствительность ввидимойчастиспектра, селенисто-кадмиевые— вкраснойиинфракрасной; сернисто-свинцовые— тольковинфракрасной. Сизменением температуры спектральная характеристика, в зависимости от видаполупроводникового материала, смещаетсявлевоиливправо.

Свойства ФР, как и любого другого полупроводникового фотоприёмника, характеризуют параметры чувствительности, а также электрическиеивременныепараметры. Основнойпараметрчувствительности фотоприёмника — интегральный коэффициент чувствительности мА/лм:

Однако ток ФР зависит от приложенного напряжения U , поэтому свойство ФР оценивают удельной интегральной чувствительностью, отнесённой к 1 В, мА/ (В . лм):

K инт.уд = I φ / ( Φ U ) = K φ / U .

Значение K инт.уд составляет десятые доли миллиампер на вольт на люмен.

Основные электрические параметры ФР:

рабочее напряжение U р , которое составляет от нескольких десятков до нескольких сотен вольт;

— темновой ток I т ,

— фототок I φ , протекающий через ФР при указанном напряжении и обусловленный только воздействием потока излучения заданного спектра;

I общ = I φ + I т ;

— темновое сопротивление R т ≈ 10 5 10 7 Ом.

Основной параметр временных характеристик ФР — граничная частота f гр синусоидальногосигнала, модулирующегосветовойпоток, при которой чувствительность прибора падает до значения1/ 2 посравнениюсчувствительностьюпринемодулированномизлучении f гр мало и составляет 10 2 —10 4 Гц. Это обусловлено значительным временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводник. Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые ФР. С увеличением температуры и освещённости инерционность уменьшается.

К максимально допустимым параметрам ФР относят:

— U max — максимальное рабочее напряжение ФР, при котором отклонение его параметров не превышает указанных пределов,

— максимальную мощность рассеяния P max . С ростом температуры окружающей среды P max снижается.

ФРсвойственно старение — постепенное уменьшение сопротивления, изменение фототока и чувствительности в течение нескольких сотен часов эксплуатации.

— понижение напряжения питания,

— значительно большая интегральная чувствительность,

— большие допустимые фототоки,

— большая стабильность характеристик,

— меньшие габаритные размеры и масса,

— устойчивость к механическим воздействиям,

— большой срок службы.

— значительная зависимость характеристик и параметров от температуры,

— нелинейность энергетической характеристики при больших

Несмотря на указанные недостатки, ФР применяют в схемах

автоматики и вычислительной техники, в том числе на железно-

Двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n пе-

реходом, вольт-амперная характеристика которого зависит от воз-

действующего на него светового потока, называют фотодиодом

(ФД). Он представляет собой пластину полупроводникового мате-

риала (германия или кремния) с областями электронной и дыроч-

ной проводимости, разделёнными p-n переходом. Пластина поме-

щена в герметичный корпус, имеющий окно из прозрачного мате-

риала для проникновения к ней света. Иногда в этом окне

располагают собирательную стеклянную линзу. В зависимости от

конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпен-

дикулярно плоскости p-n перехода. ФД включают в обратном на-

правлении (рис. 3.54, а ). Если нет освещения (Ф = 0), ФД аналоги-

щении прибора (Ф > 0) в его p и n

областях начинается разрыв кова-

лентных связей и образование пар

носителей заряда — электронов и

дырок. Наиболее интенсивен про-

ФД возрастает число как основ-

ных, так и неосновных носителей.

трации основных носителей неве-

ки неизменной. Относительный

Рис. 3.54. Фотодиод:

а — структура и включение; б —

Рис. 3.55. Характеристики фотодиода:

а — вольт-амперные; б — световые

больше. Это ведёт к существенному увеличению обратного тока.

Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных

носителей вблизи перехода и тем больше ток.

а ) при Ф > 0 похож на выходные характеристики биполярного тран-

принимают направление обратного тока перехода.

Световая характеристика I (Ф) при U = const линейна в доста-

точно широком интервале светового потока (рис. 3.55, б ). Это вы-

годно отличает ФД от фоторезистора. В случае увеличения обрат-

ного напряжения расширяется p-n переход и уменьшаются объёмы

p-n областей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них

рекомбинировать, в результате этого фототок ФД возрастает.

Излучающий полупроводниковый прибор, имеющий один p-n

переход и предназначенный для непосредственного преобразова-

ния электрической энергии в энергию светового излучения, назы-

вается светодиодом (СД).

ция p-n перехода, включенного в прямом направлении. Излучение

света p-n переходомприпрохождениичерезнегопрямоготокабыло

впервые обнаружено О.В. Лосевым в 1923 г. При прямом включе-

нии перехода происходит инжекция носителей через пониженный

потенциальный барьер и их рекомбинация. В процессе рекомбина-

ции электроны переходят с высоких энергетических уровней в зоне

проводимости на более низкие в валентной зоне.

Рассмотрим, при каких условиях p-n переход может быть излуча-

тельным. Длина волны видимой части светового спектра λ составляет

0,4—0,7 мкм, что соответствует энергиям 1,3—1,8 эВ. Следовательно,

ширина запрещённой зоны ∆ W исходного полупроводникового мате-

риалавизлучательномприборедолжнабытьнеболее 1,3—1,8 эВ.

От используемого полупроводникового материала зависти цвет

сечения, определяемый длиной волны

где h — постоянная Планка; с — скорость света; ∆ W — ширина

запрещённой зоны полупроводника.

В СД должен быть беспрепятственный вывод светового пучка из

ружающее пространство. Базовая область

часто имеет форму полусферы (рис. 3.56).

Кристалл располагают в металлическом, ке-

пусе. Верхняя часть корпуса имеет стеклян-

ную линзу — выходное окно для концентра-

ции излучения в узкий конус.

сенид галлия (для источников инфракрас-

ного излучения), фосфид галлия с примеся-

Рис. 3.56. Устройствосве-

ми цинка и кислорода (красное свечение),

фосфид галлия, легированный азотом (зе-

лёное свечение) и карбид кремния

На основе фосфида галлия с раз-

ными примесями разработан цвето-

сигнальный индикатор с плавно из-

меняющимся цветом свечения.

СД аналогична характеристике ди-

ода (рис. 3.57). Постоянное прямое

Рис. 3.57. Вольт-амперная ха-

Допустимое обратное напряжение

СД невелико (3—7В). Он не рассчи-

ление и подача на СД обратного на-

пряжения с амплитудой более 2—4 В

Яркость зависит от конструкции

СД и составляет 10—50 кд/м 2 . Чем

Рис. 3.58. Схема включения

больше допустимый ток, тем выше

яркость и мощность излучения. Све-

ционны, время их переключения со-

ставляет 10 –8 —10 –9 с. Характеристики СД имеют значительный

разброс параметров и зависят от температуры.

С ростом температуры яркость уменьшается, сокращается и срок

службыСД. Так, при25 °Сонсоставляет10 5 ч, апри100 °Ссокраща-

ется до 1000 ч. Так же сокращается срок службы СД при увеличении

его тока. На рис. 3.58 представлена схема включения светодиода.

СД широко применяют в качестве световых индикаторов мини-

калькуляторов и электронных часов, они служат основными эле-

использования в устройствах железнодорожного транспорта в ка-

честве четырёхпозиционных сигнализаторов (красный — жёлтый

— зелёный — выключено), а также в качестве оптических индика-

торов скорости. На рис. 3.59 структура двухцветного СД, а на рис.

3.60 эквивалентная схема двухцветного СД.

Рис. 3.59. Структура двухцветного

Рис. 3.60. Эквивалентная схема

Оптрон (ОП) — это прибор, в котором светоизлучатель и фотоприёмникоптическииконструктивносвязаныдругсдругомипредставляют собой единое конструктивное целое.

В ОП поступающий электрический сигнал преобразуется источником излучения в световой, передаётся по оптическому каналу от светоизлучателя к фотоприёмнику, где он вновь преобразуется в электрический. При этом цепи входа и выхода полностью отделяются друг от друга, что необходимо для многих схем железнодорожной автоматики и телемеханики.

Источником излучения в ОП служит светодиод; в качестве фотоприёмников используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторыифототиристоры. ЕслиОПимеетодинизлучательиодинприёмникизлучения, тоегоназывают оптопарой или элементарным ОП.

НаиболеераспространённыеэлементыОП— арсенидогаллиевые светодиоды и фотоприёмники из кремния. Их спектральные характеристики хорошо согласуются между собой. Согласование спектральных характеристик — одно из основных условий, обеспечивающих оптимальную передачу сигнала с входа ОП на его выход.

Наименьшее напряжение изоляции между входом и выходом имеют ОП с тонким слоем стекла или лака (100—1000 В). В ОП с воздушнымпромежуткомоносоставляет1—5 кВиограниченоэлектрической прочностью корпуса. В ОП с волоконными световодами напряжение изоляции может достигать 50—150 кВ.

Оптронную пару — излучатель и фотоприёмник — или несколько оптронных пар помещают в корпус и герметизируют, обычно используют корпуса интегральных микросхем.

Масса ОП составляет 0,8—1,5 г.

ОПпредставляетсобойчетырехполюсник, свойствакоторогоопределяются входной, передаточной и выходной характеристиками. Характеристику обратной связи ОП не рассматривают из-за чрезвычайно высокой изоляции входа от выхода. Входной характеристикой ОП служит вольт-амперная характеристика его светодиода, выходной — соответствующая характеристика его фотоприёмника при заданном токе на входе оптрона. ОП характеризуют следующие основные параметры:

коэффициент передачи тока K i = I 2 / I 1 , представляющий собой отношение фототока приёмника I 2 к току излучателя I 1 ;

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Фотоэлектронные (фотоэлектрические) приборы предназначены для преобразования световой энергии в электрическую.

Все полупроводниковые фотоэлектрические приборы основаны на внутреннем фотоэффекте – возбуждении атомов и росте концентрации свободных носителей заряда под воздействием светового излучения. При этом в полупроводнике растет проводимость, а на p-n переходах появляется ЭДС.

К фотоэлектронным приборам относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры.

Фоторезистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, сопротивление которого изменяется под действием светового излучения. На рисунке. 1.7.1 показана схема включения фоторезистора и его характеристики. Фоторезисторы, как и другие фотоэлектрические приборы, характеризуются световой характеристикой, т.е. зависимостью фототока , протекающего через прибор от светового потока . Она нелинейная и это является недостатком фоторезистора. ВАХ фоторезистора линейны, а их наклон зависит от величины светового потока.

Рисунок 1.7.1 Схема включения фоторезистора (а), световая характеристика (б)

вольт-амперная характеристика (в)

Фоторезисторы могут работать и на переменном токе. Фоторезисторы являются самыми простыми и дешевыми фотоэлектрическими приборами.

Фотодиод — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор, основанный на внутреннем фотоэффекте, содержащий один p-n переход и имеющий два вывода.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: без внешнего источника электроэнергии (режим фотогенератора) и с внешним источником (режим фотопреобразователя). На рисунке 1.7.2, а, б показаны эти схемы включения.

Рисунок 1.7.2 Схемы включения фотодиода в режиме фотогенератора (а), фотопреобразователя (б), световая характеристика (в), вольтамперная характеристика (г)

При освещении фотодиода в режиме фотогенератора на его выводах появляется фото-ЭДС с полярностью слева «+», справа «–». При подключении сопротивления нагрузки под действием ЭДС по нему идет фототок. Именно в таком режиме работают солнечные батареи.

В режиме фотопреобразователя через p-n переход протекает обратный ток, зависящий от светового потока, определяющего число неосновных носителей. Световая характеристика в режиме фотопреобразователя (рисунке 1.7.2, в) линейна и выражается уравнением

Рисунок 1.7.3 Включения фототранзистора

Они имеют линейную световую характеристику, а выходные ВАХ аналогичны ВАХ обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, но в качестве параметра вместо тока базы выступает световой поток. Чувствительность фототранзисторов достигает 1 А/лм. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

В качестве полупроводниковых излучателей света используются светоизлучающие диоды (светодиоды). Принцип действия светодиодов основан на излучении квантов света при прямом токе вследствие рекомбинации носителей заряда. Цвет излучения определяется материалом, из которого сделан фотодиод. Светодиоды работают при напряжении 2. 5В и токе до 40мА на один диод. Они имеют весьма низкий КПД.

Основное применение светодиодов – устройства индикации.

На рисунок 1.7.4 приведена схема включения светодиода и его яркостная характеристика – зависимость яркости B от тока I.

Источники света

Источник света – это тело, которое излучает энергию в световом диапазоне.

Различные типы источников света

Классификация источников света проводится в зависимости от разных характеристик. Таким образом, в физике определяющим является разделение источников света на 2 вида:

1. Точечные;
2. Непрерывные (модели источников света).

Встречается подразделение на и на такие виды источников света как:

1. Естественные (солнце, звёзды, атмосферные электрические разряды и т.п.);
2. Искусственные (пламя, разнообразные лампы, светодиоды, лазерные приспособления).

Искусственные источники света подразделяют в зависимости от вида энергии, переходящей в излучение, на:

1. Тепловые источники (свет в них возникает в результате нагревания до высоких температур);
2. Люминесцентные источники (световое излучение в них появляется благодаря превращению разных видов энергии, но не тепловой).

Также искусственные источники света выделяются по конструктивным особенностям.

Основные характеристики источников света

Сила света

Точечный источник света – это такой световой источник, размеры которого можно не принимать во внимание, по сравнению с расстоянием от источника до места наблюдения. В оптически однородной и изотропной среде волны, излучаемые точечным источником, являются сферическими.

Для характеристики точечного источника используют понятие силы света ( I ) , которая определяется как:

где d Ф – это световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла d Ω . При рассмотрении сферической системы координат можно сказать, что в общем-то сила света зависит от полярного ( ν ) и азимутального φ углов I = I ν , φ .

Источник света называется изотропным, если на его силу света не оказывает влияние направление. Для изотропного источника света запишем:

где Ф – это суммарный световой поток, излучаемый источником во всех направлениях. Величина силы источника, которая вычисляется как ( 2 ) , также называется средней сферической силой света источника.

Если источник света не является точечным (протяженный источник), тогда применяют понятие силы света элемента его поверхности ( d S ) . В данном случае в формуле ( 1 ) величина d Ф – это световой поток, излучаемый элементом поверхности источника ( d S ) в пределах телесного угла ( d Ω ) .

Основная единица измерения силы света в системе измерения – кандела ( к д ) (старое название – свеча ( с в ) ). 1 к д излучает световой эталон как абсолютно черное тело при температуре T = 2046 , 6 K (температура, при которой затвердевает чистая платина) и давлении 101325 П а .

Световой поток

Основной единицей измерения светового потока является люмен ( л м ) , который равняется световому потоку, испускаемому источником в 1 к д внутрь телесного угла 1 стерадиан.

Освещенность

Величина ( E ) , равная E = d Φ p a d d S ( 5 ) , называется освещенностью. В выражении ( 5 ) d Φ p a d – это величина светового потока, падающего на элемент поверхности d S . Освещенность измеряется с системе измерения в люксах ( л к ) 1 л к = 1 л м 1 м 2 ( 6 ) , при равномерном распределении потока по поверхности.

Светимость

Протяженный источник света характеризуют светимостью ( R ) его участков. Она описывает излучение (отражение) света выделенным элементом поверхности во всех направлениях.

Светимость проявляется из-за отражения поверхностью падающего на нее светового потока. Тогда под d Φ i s p понимают в выражении ( 8 ) поток, отражаемый элементарной поверхностью d S во всех направлениях.

Светимость измеряется в люксах.

Яркость

Яркость ( B ) используют для описания излучения (отражения) света в заданном направлении. Направление причем задается полярным углом ν , который откладывают от внешней нормали n → к излучающей площадке и азимутальным углом φ .

Ламбертовскими источниками света (или косинусные, подчиняющиеся закону Ламберта), называются источники, яркость которых не меняется в зависимости от направления. Для ламбертовских светильников d I элементарной площадки пропорциональна cos ν .

Единица яркости кандела на квадратный метр к д м 2 .

Необходимо найти световой поток, излучаемый элементарной поверхностью d S внутрь конуса, ось которого расположена перпендикулярно выделенному элементу. Угол конуса равен ν 0 . Будем считать, что светящаяся поверхность подчинена закону Ламберта и ее яркость равняется В .

Решение

Для решения задачи используем определение яркости и из него выделим элемент светового потока:

B = d Φ d Ω d S cos ν → d Φ = B d Ω d S cos ν ( 1 . 1 ) .

Элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 1 . 2 ) .

Подставим выражение для телесного угла в выражение ( 1 . 1 ) , получаем:

d Φ = B sin ν d ν d φ d S cos ν ( 1 . 3 ) .

Определим полный световой поток интегрированием выражения ( 1 . 3 ) :

Φ = B d S ∫ 0 v 0 sin ν cos ν d ν ∫ 0 2 π d φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Ответ: Φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Яркость однородного светящегося диска радиуса r меняется по закону B = B 0 cos ν , B 0 = c o n s t , ν – это угол с нормалью к поверхности. Необходимо найти световой поток ( Ф ) , испускаемый диском.

Решение

Выразим элемент светового потока с помощью уравнения из условий задачи для ярости как:

d Φ = B d Ω d S cos ν = B 0 cos ν 2 d Ω d S ( 2 . 1 ) ,

где элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 2 . 2 ) .

Световой поток вычислим как интеграл от выражения ( 2 . 1 ) при использовании ( 2 . 2 ) :

Φ = B 0 d S ∫ 0 π 2 sin ν cos 2 ν d ν ∫ 0 π 2 d φ = 2 π B 0 d S ∫ 0 π 2 d ( — cos ν ) cos 2 ν = 2 3 πB 0 dS = = 2 3 B 0 π 2 r 2 .

Какой фотоприбор наиболее точно оценит силу света

Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие излучения. Восприятие глазом излучения видимого диапазона определяется не только мощностью воспринимаемого излучения, но также зависит от его спектрального состава (так как глаз – селективный приемник излучения). Световые характеристики описывают, как энергию излучения воспринимает зрительная система глаза с учетом спектрального состава света.

2.2.1. Световые величины

Световые величины обозначаются аналогично энергетическим величинам, но без индекса.

– световой поток – сила света – освещенность – светимость – яркость

У световых величин нет никакой спектральной плотности, так как глаз не может провести спектральный анализ.

Если в энергетических величинах исходная единица – это поток, то в световых величинах исходная единица – это сила света (так сложилось исторически). Сила света определяется аналогично энергетической силе света:

– сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре затвердевания платины () площадью .

Абсолютно черное тело – это тело, которое полностью поглощает падающую на него энергию. Модель абсолютно черного тела представляет собой полое тело, внутренняя поверхность которого выкрашена в черный цвет. Через небольшое отверстие поток излучения поступает внутрь тела, где в результате многократного отражения полностью поглощается (рис.2.2.1).

Рис.2.2.1. Абсолютно черное тело.

– это поток, который излучается источником с силой света в телесном угле :
.

– освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в .

За единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает с световой поток, равный .

За единицу яркости принята яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света с .

2.2.2. Связь световых и энергетических величин

Связь световых и энергетических величин связь устанавливается через зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально. Функция видности – это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного спектрального состава. – величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим одинаковое зрительное ощущение, причем воздействие потока излучения с длиной волны условно принимается за единицу. Функция видности глаза максимальна в области желто-зеленого цвета (550–570 нм) и спадает до нуля для красных и фиолетовых лучей (рис.2.2.2).

2.2.2. Функция видности глаза.

Определить некую световую величину (поток, сила света, яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей ей энергетической величины можно по общей формуле:

где – функция видности глаза, 680 – экспериментально установленный коэффициент (поток излучения мощностью с длиной волны соответствует светового потока).

Например, сила света:
(2.2.5)
яркость:
(2.2.6)

Другие единицы измерения световых величин:

сила света

яркость

освещенность

Сопоставление энергетических и световых единиц:

Энергетические		Световые
Наименование и обозначение	Единицы измерения	Наименование и обозначение	Единицы измерения
поток излучения	световой поток
энергетическая сила света	сила света
энергетическая освещенность	освещенность
энергетическая светимость	светимость
энергетическая яркость	яркость

2.2.3. Практические световые величины и их примеры

Световая экспозиция

Световая экспозиция – это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время (освещенность, накопленная за время от до ):

,

(2.2.7)

Если освещенность постоянна, то экспозиция определяется выражением:

Блеск

Для протяженного источника характеристика, воспринимаемая глазом – яркость. Для точечного источника характеристика, воспринимаемая глазом – блеск (чем больше блеск, тем больше кажется яркость). Блеск – это величина, применяемая при визуальном наблюдении точечного источника света.

Блеск – это освещенность, создаваемая точечным источником в плоскости зрачка наблюдателя, .

Видимый блеск небесных тел оценивается в звездных величинах . Шкала звездных величин устанавливается следующим экспериментальным соотношением:

Чем меньше звездная величина, тем больше блеск. Например:
– блеск, создаваемый звездой первой величины,
– блеск, создаваемый звездой второй величины.

Яркость некоторых источников , :
– поверхность солнца,
– поверхность луны,
– ясное небо,
– нить лампы накаливания,
– ясное безлунное ночное небо,
– наименьшая различимая глазом яркость.

Освещенность, :
– освещенность, создаваемая солнцем на поверхности Земли (летом, днем, при безоблачном небе),
– освещенность рабочего места,
– освещенность от полной луны,
– порог блеска (примерно 8-ая звездная величина).

Решение задач на определение световых величин рассматривается в практическом занятии «Энергетика световых волн», пункт «1.2. Расчет световых величин».

Похожие публикации:

1. Наушники с амбушюрами или без какие лучше
2. В чем различие магнитомягких и магнитотвердых ферромагнетиков
3. E7 на мультиварке редмонд что это
4. Как починить заварочный чайник