Характеристики светового потока
В чем измеряется освещенность
Приобретая лампочки, покупатели часто не знают или не задумываются над ответом на вопрос, в чем измеряется свет, а между тем таких показателей довольно много:
- Светоотдача;
- Сила света;
- Интенсивность;
- Яркость.
Все это физические свойства светового потока, которые могут быть измерены специальными приборами, их следует учитывать в обязательном порядке при планировании освещения помещения (осуществляя расчет необходимого количества приборов освещения в каждой комнате или кабинете), ведь это влияет на здоровье глаз и нервной системы.
Светоотдача
Световая отдача является самым важным параметром. Она отражает соотношение светового потока, который излучается лампочкой или другим прибором, к потребляемой им мощности. Соответственно, его единицами измерения являются люмены на ватт (лм/Вт). Данный параметр позволяет оценить экономическую эффективность способа освещения.
Световая отдача различных приборов
Чем выше световая отдача, тем более эффективно расходуется энергия, а значит, оптимизируются расходы на коммунальные услуги, что приобретает особую актуальность в условиях постоянного роста тарифов. По этой причине высокой популярностью пользуются энергосберегающие лампы, которые обеспечивают одно из самых высоких соотношений лм/Вт.
Сила света
Характеристикой излучения является не только световая отдача, но и сила, с которой его энергия перемещается из одной точки пространства в другую в течение определенного временного промежутка. Необходимо учитывать, что сила света может изменять направление движения в зависимости от условий, задаваемых прибором, формирующим поток.
Яркость и насыщенность света
Измерить данный параметр можно в канделах.
Важно! Выбирая лампу, на описываемый параметр следует также обращать внимание, только зависимость не настолько прямая, как в случае со световой отдачей. Уровень силы следует подбирать, исходя из нормативного значения, которое должна иметь единица яркости светящейся поверхности. Данный показатель можно найти в различных стандартах, а также строительных нормах и правилах
Данный показатель можно найти в различных стандартах, а также строительных нормах и правилах
Он изменяется в зависимости от назначения помещения, его конфигурации и так далее
Данный показатель можно найти в различных стандартах, а также строительных нормах и правилах. Он изменяется в зависимости от назначения помещения, его конфигурации и так далее.
Интенсивность освещения
Данная характеристика часто называется освещенностью или насыщенностью. Она представляет собой соотношение светового потока к площади объекта, на который он падает. Данная единица яркости светящейся поверхности измеряется в люксах.
Яркость
Сила света, деленная на единицу площади, называется яркостью. Измеряется она в канделах на квадратный метр. Источник распространяет излучение, которое освещает определенную площадь. Чем выше такая площадь, тем, соответственно, больше яркость света. Данный параметр также характеризует эффективность источника освещения, а ее измерение требуется, чтобы посчитать необходимое количество световых приборов в помещении и, соответственно, спроектировать их расположение и проводку.
Свет высокой яркости
Таким образом, у светового потока есть несколько параметров, и не всегда понятно, на какие из них обращать внимание в процессе приобретения приборов освещения. Рядовому потребителю сложно разобраться, что такое световая отдача, чем отличается насыщенность от яркости и так далее. Более того, единицы измерения, которые указаны на коробках, тоже являются малоинформативными для непосвященного человека: лм/Вт, кд, кд/кв.м, все это похоже на иероглифы, из которых не понятно, сколько лампочек и с какими характеристиками необходимо приобрести
Поэтому, чтобы рассчитать количество приборов освещения, рекомендуется либо воспользоваться услугами профессионалов, либо специальным калькулятором, который можно найти в сети Интернет
Более того, единицы измерения, которые указаны на коробках, тоже являются малоинформативными для непосвященного человека: лм/Вт, кд, кд/кв.м, все это похоже на иероглифы, из которых не понятно, сколько лампочек и с какими характеристиками необходимо приобрести. Поэтому, чтобы рассчитать количество приборов освещения, рекомендуется либо воспользоваться услугами профессионалов, либо специальным калькулятором, который можно найти в сети Интернет.
Единица измерения светового потока
Для измерения светового потока используются люмены, значение для конкретной лампочки наносится на заводскую упаковку.
1 люмен – это световой луч, выдаваемый источником, обладающим мощностью 1 кандела, внутри угла 1 стерадиан (ср). Если использовать цифры, то получается, что 1 лм излучает источник с мощностью 1/683 Вт при длине волны 555 Нм.
Стерадиан – это угол, вырезающий в сфере площадь с определенным радиусом (р). Это значит, что 1 кд излучает 4р лм.
Существуют производные единицы измерения для светотехники:
- микролюмен – 10-6 лм;
- милилюмен – 10-3 лм;
- килолюмен – 103 лм;
- мегалюмен – 106 лм и др.
Калькулятор люмены в канделы и канделы в люмены
См. также: Оценка максимума эффективности белого света
Лю́мен (обозначение: лм, lm) — единица измерения светового потока в СИ.
Количество люмен указывает, сколько света испускает лампа во всех направлениях. Чем больше число люмен, тем больше света.
Один люмен равен световому потоку, испускаемому точечным изотропным источником, c силой света, равной одной канделе, в телесный угол величиной в один стерадиан (1 лм = 1 кд × ср). Полный световой поток, создаваемый изотропным источником, с силой света одна кандела, равен 4π люменам.
Канде́ла (обозначение: кд, cd) — единица измерения силы света в СИ (от латинского candela, свеча).
Количество кандел указывает, сколько света испускает лампа в одном направлении, в котором она светит наиболее интенсивно.
Одна кандела — сила света в данном направлении от источника монохроматического излучения с частотой 540*1012 Гц, (555 нм, зеленый цвет) имеющего интенсивность излучения в этом направлении равную 1 / 683 Вт в телесном угле равном одному стерадиану.
Калькулятор для перевода люмен в канделы
Пересчет ведется по формуле: Fv=I*2π(1-cos(α)), где Fv — световой поток Iv — сила света α — угол половинной яркости Для расчета введите угол и силу света (световой поток). Учтите, результаты расчета зависят от оптических параметров светодиода и дают ориентировочный результат!
| Канделы в люмен | Люмен в канделы | ||
| Сила света, мкд | Угол половинной яркости | Cветовой поток, млм | Угол половинной яркости |
| Световой поток, млм: | Сила света, мкд: |
Световой поток типовых источников света
Приведены сравнительные параметры некоторых источников света, значения приблизительные, только для сравнительной оценки.
| Тип источника света | Световой поток (люмен) | Сила света (кандел) | лм/ватт |
| Лампа накаливания 40 Вт | 415 | 35 | 10 |
| Лампа накаливания 100 Вт | 1550 | 1300 | 15 |
| Люминесцентная лампа 40 Вт | 2500 | 2200 | 60 |
| Газоразрядная лампа 35 Вт (ксенон с учетом оптики фары) | 3000 | 15000 | 90 |
| Светодиод Cree XLamp XP-L 6 Вт | 1226 | 550 | 200 |
Мощность излучения, взаимосвязь энергии света (Ватты) и светового потока (люмен)
Важным параметром для оценки энергоэффективности светодиодного излучателя считается соотношение между излучаемой мощностью и мощностью, выделяемой в виде тепла.
Излучаемый светодиодом свет, как известно, обладает определенной энергией и энергия света зависит от длины волны. Однако сила света не пропорциональна энергии светового излучения, а зависит от чувствительности человеческого глаза. Иначе говоря, сила света — это мощность светового излучения, которое доступно для восприятия человеческим глазом. Чтобы пересчитать излучаемую энергию (Ватты) в световой поток (люмены), нужно знать длину волны излучения и кривую чувствительности человеческого глаза. Нетрудно догадаться, что для монохромного излучения эта задача решается легко, а для светодиода белого цвета, необходимо еще знать спектр его излучения и выполнить довольно сложное интегрирование.
| Цвет излучения | Формула пересчета светового потока в энергию излучения | Опт. мощность при Fv = 100 люмен, Вт | Сила света при P = 1 Вт, лм |
| зеленый 555 нм | Р = Fv/683 Вт/лм | 0.15 | 683 |
| красный 650 нм | Р= Fv/68,3 Вт/лм | 1.46 | 68.3 |
| красный 625 нм | Р= Fv/222 Вт/лм | 0.45 | 222 |
| синий 465 нм | Р= Fv/68,3 Вт/лм | 1.46 | 68.3 |
| белый | Р= Fv/243 Вт/лм | 0.41 | 243 |
Можно оценить, что белый светодиод мощностью 1 Вт с эффективностью 100 лм/Вт излучает в виде света 0,4 Вт и 0,6 Вт рассеивает в виде тепла, а лампа накаливания из потребляемых 100 Вт излучает в видимой области спектра только 6 Вт (0,06 Вт на 1 Вт).
Энергия, потребляемая источником света от сети питания, не полностью преобразуется в излучение. Особенно это актуально для светодиодных ламп. Кроме потерь энергии в самом светодиоде, мощность теряется в преобразователе питания, часть света задерживается оптикой — отражателями, рассеивателями, линзами. При использовании светодиода с эффективностью 100 lm/Вт, эффективность лампы редко достигает 80 lm/Вт, а для наиболее распространённых изделий бывает 60-70 lm/Вт. В итоге, современные лампы массового производства примерно в 10 раз эффективнее лампы накаливания.
Как правильно выбирать светильник
Мы разобрались с понятием светового потока, что это мощность лампы в Лм. Когда встает задача по правильному выбору светильника, подразумевается безопасность для органов зрения. Здесь нужно рассматривать приборы, свечение которых будет оказывать минимальную нагрузку на глаза, при этом все будет хорошо видно.
В документах с санитарными нормами прописывается не сам световой поток ламп, а количество выделяемого свечения на м². Технически это значение называется освещенностью, измеряется в Люксах: 1 Лк = 1 Лм/м².
Взаимосвязь между Люменами и ЛюксамиИсточник om-ek.ru
Ниже представлены примеры санитарных норм по типам помещения (ГОСТ 55710 от 2013 года, СП 52.13330.2011, СНиП 23-05-95):
| Тип помещения | Освещенность | Тип помещения | Освещенность |
| Коридор и лестница | 50-150 Лк | Бассейн, сауна | 100 Лк |
| Столовая | 200 Лк | Мастерская | 750 Лк |
| Гардероб, санузел | 50-75 Лк | Подсобка, кладовка | 300 Лк |
| Библиотека, зона для чтения | 300-500 Лк | Бильярдная, тренажерная | 150 Лк |
| Кабинет | 300 Лк | Детская | 200 Лк |
| Гостиная, спальня | 150 Лк | Кухня | 150-200 Лк |
Ориентируясь на нормы из ГОСТа 55710-2013 стоит отдельно отметить два понятия: зона зрительной работы и окружение. Первое – это рабочая поверхность, на которую смотрит человек. Второе – пространство вокруг зрительной зоны в пределах 0,5 м. В этой зоне периферии яркость освещения может быть ниже, но в соответствии с указанными в документе нормами. Например, в мастерской вокруг верстака нужно организовать не меньше 500 Лк, а в кабинете более 200 Лк. В случае с местами, где требуется 150 Лк и меньше зона окружения должна быть освещена аналогично.
Зона зрительной работыИсточник uss-electro.ru
Современные технологии измерения светового потока
Для измерения светового потока используются специализированные приборы, такие как интегральные сферы и фотометры. Они могут измерять световой поток в люменах и преобразовывать его в другие фотометрические единицы, а также анализировать спектральное распределение света. Это позволяет исследователям и инженерам точно анализировать и контролировать световые источники.
Люмен, как единица измерения светового потока, играет ключевую роль в нашем понимании и управлении светом. Это основной инструмент, позволяющий научным исследованиям и индустрии освещения развиваться и совершенствоваться, удовлетворяя потребности общества в энергоэффективном и качественном освещении.
Значения освещенности и единицы измерения
Световой поток (Ф) – Мощность лучистой энергии, оцениваемая на основе создаваемого ею светового потока. Единицей измерения является люмен (лм) с размерностью кандела X стерадиан. Интенсивность свечения (I или J) – это отношение светового потока к телесному углу, в котором он излучается. Единицей измерения является кандела (кд). Сила света – одна из основных единиц системы СИ. Телесный угол (ω ) – Часть пространства, заключенная в коническую поверхность. Она измеряется отношением площади, вырезанной ею из сферы любого радиуса, к квадрату последнего. Единицей измерения является стерадиан (см). Освещенность (E ) – это отношение светового потока к площади, на которую он распространяется. Единица измерения освещенности – люкс (лк), она измеряется в люменах на квадратный метр. Освещенность поверхности не зависит от ее свойств и направления, в котором на нее смотрят. Яркость (L) – это отношение силы света в данном направлении к площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению. Единица яркости, кандела на квадратный метр (кд/м2 ), не имеет собственного названия. Яркость определяет визуальное впечатление, которое, однако, не пропорционально ей. Яркость (М) – это отношение светового потока к площади излучаемой им поверхности. Единица измерения люмен на квадратный метр (лм/м 2 ) не имеет собственного названия.Даны определения тех же величин в математической форме:
(1-1)
Те же выражения в недифференциальной форме дают средние значения величин в определенных областях или углах.До введения системы СИ использовались символы: F вместо F, B вместо L, R вместо M. Единица силы света называлась свечой, единица яркости – азотом.Единицы измерения не изменились, т.е. кандела = свеча, кандела на квадратный метр = азот.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТОВОГО ПОТОКА ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
В общем случае поток излучателя распределен в пространстве случайным образом, а распределение света характеризуется фотометрическим телом: геометрическим положением концов векторов, исходящих из светового центра излучателя, длина которых пропорциональна интенсивности света в соответствующем направлении. Сечение фотометрического тела через плоскость меридиана дает меридианную кривую силы света, которая графически изображается следующим образом где α – угол между направлением интенсивности света и вертикалью. Круговое симметричное распределение света (фотометрическое тело имеет ось симметрии) исчерпывающе характеризуется единственной меридианной кривой, обычно называемой кривой силы света. Во многих случаях (чаще всего в светильниках с трубчатыми лампами) фотометрическое тело имеет две плоскости симметрии, так что можно выделить поперечную и продольную (на практике это слово опускается) кривые силы света. В самом общем случае (без осей или плоскостей симметрии) распределение света характеризуется множеством меридиональных кривых силы света, диаграмм изокандел и т.д. Кривые силы света чаще всего строятся и наиболее наглядны в полярных координатах. Для прожекторов они даны в прямоугольных координатах, что также более выгодно для расчетов – большая точность
В некоторых теоретических случаях распределение интенсивности света может быть выражено аналитически, и многие фактические кривые интенсивности света довольно близки к кривым, описываемым простыми уравнениями, что важно для расчетов и анализа. Часто формула (1-2) Для m = 0 это соответствует равномерному распределению света в диффузной сфере, для m = 1 – косинусоидальному распределению света в диффузном диске (любая вогнутая диффузная поверхность с плоским световым выходом эквивалентна такому диску)
Для диффузной полусферы с несветящейся горизонтальной экваториальной плоскостью (1 — 3) та же формула дает кривую поперечной силы света диффузной полусферы. Также полезна следующая формула (1-4) хотя практически с достаточной точностью его можно заменить выражением (1-4а) Наконец, для диффузного вертикального цилиндра с неосвещенными концами (1-5)
СВЕТОВОЙ ПОТОК И СИЛА СВЕТА
Элементарный телесный угол, образованный вращением угла dα вокруг вертикальной оси, с которой он образует угол α (1-6) Конечный телесный угол круговой области, ограниченной направлениями и (1-7) световой поток, содержащийся в этой области, (1-8)
Проще говоря, световой поток можно определить как количество света, излучаемого светильником или одной лампой.
Особенности понятия «кандела»
Чуть выше мы уже упоминали этот термин. Также мы объяснили, почему одним и тем же словом называют совершенно разные понятия физики, связанные с мощностью электромагнитного излучения. Итак, единица измерения силы света называется «кандела». Но чему она равна? Одна кандела – это сила света в известном направлении от источника, который испускает строго монохроматическое излучение с частотой 5,4*10 14 , причем энергетическая сила источника в этом направлении равна 1/683 Ватт в единицу телесного угла. Перевести частоту в длину волны читатель вполне может сам, формула очень легкая. Подскажем: результат лежит в видимой области.
Единица измерения силы света носит название «кандела» неспроста. Те, кто знает английский язык, помнят, что candle – это свеча. Раньше многие области человеческой деятельности измерялись в естественных параметрах, например, лошадиных силах, миллиметрах ртутного столба. Так что неудивительно, что единица измерения силы света – это кандела, одна свеча. Только свеча это весьма своеобразная: со строго заданной длиной волны, и производящая конкретное число фотонов в секунду.
Вопрос, в чем измеряется световой поток, стал иметь значение для пользователей осветительных приборов только тогда, когда появились виды ламп, яркость которых не равнялась потребляемой мощности, измеряемой в ваттах.
Разберемся, как связано понятие яркости с понятием освещенности, а также как можно представить распределение потока света по помещению и правильно выбрать подходящий осветительный прибор.
Световой поток (Ф)
Данный физический параметр определяется как мощность видимого излучения источника или световая энергия, которая излучается светильником за единицу времени.
В то же время, световая энергия представляет собой энергию, распространяющуюся по всем направлениям и вызывающую зрительные ощущения. У каждого человека на одни и те же источники излучения разные зрительные ощущения, поэтому для расчётов берутся усреднённые показатели.
В физике для расчёта используется формула:
Ф = W/t, где:
- W – энергия, излучаемая источником, измеряется в ваттах,
- t – время работы прибора в секундах.
Также это величина, которая характеризует количество света, излучаемое осветительным прибором во всех направлениях.
Таким образом, вторая формула расчёта имеет вид:
Ф = I · w, где:
- I – сила света, измеряется в канделах,
- w – телесный угол, рассчитывается в стерадианах.
2.2. Световые величины
Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической
точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие
излучения. Восприятие глазом 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.
|
У световых величин нет никакой спектральной плотности,
так как глаз не может провести спектральный анализ.
Сила света:
Если в энергетических величинах исходная единица – это
, то в световых величинах
исходная единица – это сила света (так сложилось исторически). Сила света
определяется аналогично :
| (2.2.1) |
– сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре
затвердевания платины ()
площадью .
Абсолютно черное тело
Рис.2.2.1. Абсолютно черное тело.
Поток излучения:
,
(2.2.2)
– это поток, который излучается источником с силой света
в телесном угле :.
Освещенность:
,
(2.2.3)
– освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно
падает поток в .
Светимость:
За единицу светимости принимают светимость такой поверхности,
которая излучает с
световой поток, равный .
Яркость:
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 . 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:
| (2.2.4) |
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
(, накопленная
за время от
до ):
| (2.2.7) |
Если освещенность постоянна, то экспозиция определяется
выражением:
(2.2.8)
Блеск
Для протяженного источника характеристика, воспринимаемая
глазом – . Для 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:
(2.2.9)
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”.
Итоги: как сделать выбор
Выбор электрической лампочки для бытовых нужд не представляет сложности, если покупатель представляет себе, в каком осветительном приборе она будет использоваться, и какой уровень светоотдачи должна обеспечивать. Высокая светоотдача светодиодных ламп позволяют заменить любой из ранее существовавших источников света, значительно экономя при этом на потреблении электроэнергии.
Исключения составляют дизайнерские «лампы Эдисона», которые невозможно имитировать с использованием светодиодов, хотя, некоторые попытки к этому предпринимаются. Тонкую вольфрамовую нить заменяют филаментными светящимися стержнями.
