Энергетикалық және фотометриялық шамалар

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 8 бет
Таңдаулыға:

Қазақстан Республикасың Білім және Ғылым министрлігі

Семей қаласының Шәкәрім атындағы Мемлекеттік университеті

Аграрлық факультет

Физика пәнінен

СӨЖ

Тақырыбы: Фотометриялық шамалар

Орындаған:Амренова М. А

Тобы: БЛ-409

Тексерген: Рахимбердина А. Т

Семей 2015

Жоспар:

1. Фотометриялық шамалар

2. Қорытынды

3. Пайдаланылған әдебиеттер

Энергетикалық және фотометриялық шамалар

Жарық толқыны энергия тасымалдайды. Әртүрлі оптикалық зерттеулерді жүргізгенде жарық энергиясын және онымен байланысты шамаларды өлшеу қажет болады. Оптикалық аумаққа жататын электромагниттік толқындардың тасымалдайтын энергиясын өлшеулермен шұғылданатын оптика бөлімі фотометрия деп аталады.

Ескеретін нәрсе, жарық өте сирек жағдайларда ғана шамамен бір толқын ұзындықтан тұратын, монохроматты толқын болады. Көбінесе толқын ұзындықтары әртүрлі көрінетін де, көрінбейтін де аймаққа жататын толқындар қабаттасып тұрады. Қатты қыздырылған денелер шығаратын ақ жарықта толқын ұзындықтары әртүрлі толқындар болады. Сондықтан осындай жарықты толық энергетикалық сипаттау үшін энергияның толқын ұзындықтар бойынша үлестірілуі көрсетілуі керек. Бұдан басқа жарық өлшеулері үшін көбінесе іріктей қабылдағыштар (селективные приемники) қолданылады. Сонда осындай өлшеулер үшін осы қабылдағыштар толқын ұзындығы әртүрлі жарықты қалай қабылдайтындығын білу аса маңызды. Осы тұрғыдан алғанда энергияны жай қабылдау емес, жарық энергиясын қабылдау қызығушылық туғызады: демек, энергетикалық шамадан жарықтың қабылдануын сипаттайтын шамаларға қалай ауысуға болатындығын тағайындау қажет болады.

Көп жағдайда жарықтың энергетикалық сипаттамаларының өзі емес, бұлармен байланысқан субъективті сезімдерді анықтау қажет. Мысалы, жұмыс істеу үшін жазу үстелінің ең қолайлы жарықталуын анықтау қажет болсын. Жарықтың энергетикалық сипаттамалары көмегімен мұны анықтай алмаймыз, өйткені үстелге бағытталатын сәуленің бірдей қуаты жарықтың спектрлік құрамы әртүрлі болған жағдайда тіпті әртүрлі жарықталу сезімін тудырады. Осындай мәселелерді шешу үшін энергетикалық шамалардан өзгеше, фотометриялық деп аталатын басқа шамаларды қолдануға тура келеді. Энергетикалық және фотометриялық шамалар өзара байланыста.

Энергетикалық шамалар. Электромагниттік толқындардың энергетикалық жағын сипаттайтын шамалар энергияны, энергия ағынын және т. б. өлшеу үшін қолданылатын жалпы энергетикалық бірліктермен өлшенеді. Жарықтың қолданылу салаларында сәуле интенсивтігінің объективтік энергетикалық сипаттамасы ғана емес, бақылаушы көзіне оның әсер ету өлшемі де маңызды. Мәселен, 800 К-ге дейін қыздырылған дене инфрақызыл сәулелерді қарқынды шығарады, бірақ осы сәулелер көрінбейді және көздің қабылдаған бұлардың интенсивтігі нөлге тең болады.

Сондықтан қос өлшеу бірліктерін: энергетикалық (объективті энергетикалық сипаттамалар бойынша бағаланатын) және фотометриялық (көзге әсер етуі бойынша бағаланатын) бірліктерді енгізуге тура келеді.

Энергетикалық шамаларды анықтау сәуле қуатына негізделген. Егер сәуле түріндегі энергия уақыт ішінде шығарылатын болса, онда сәуле қуаты:

, (1)

Бұл қуат барлық мүмкін толқын ұзындықтар бойынша үлестіріледі.

Сәуле қуатының спектрлік тығыздығы

, (2)

мұндағы -толқын ұзындықтарының ( ) аралығына келетін қуат:

(3)

Сәуле материалдық денелердің беттерінен шығарылады. Ауданы дене бетінің элементі элементар сәуле шығарғыш болады (1-сурет) . -дене беті элементінің ауданы, -энергия ағыны тығыздығы, -элементар жарық көзі шығаратын сәуле қуаты.

Сәуленің энергетикалық күші. Элементар сәуле көзі шығаратын сәуленің энергетикалық күші деп денелік бұрыш элементіне келетін сәуле қуатының -ға қатынасын айтады:

(4)

Сәуленің спектрлік тығыздығы үшін бұл формула мына түрге келеді

(5)

мұндағы -толқын ұзындықтарлың ( ) аралығына келетін сәуленің энергетикалық күшінің спектрлік тығыздығы .

жалпы алғанда сәуленің шығарылу бағытына тәуелді болады, яғни элементар сәуле шығарғышқа қатысты денелік бұрыш элементінің бағдарлануына тәуелді. Егер дене бетінің элементі элементар сәуле шығарғыш болса, онда бетке түсірілген нормаль мен денелік бұрыш элементі бағдарланған бағыт арасындағы бұрыштан, және де нормальды ось етіп айналысты сипаттайтын аксиалдық бұрыштан тәуелді болады. Нормаль беттен сәуле шығарылатын жаққа бағытталған. Бұдан басқа, сірә, бет элементінің ауданына да пропорционал болады.

Барлық бағыттар бойынша біркелкі шығаратын нүктелік сәуле көзінің энергетикалық күші (2-сурет) мынаған тең:

(6)

(6) өрнегінен нүктелік көздің энергетикалық күшін оның толық қуатымен байланыстыратын мына қатынас келіп шығады:

(7)

Энергетикалық жарықтылық (яркость) . Сәуле беттің элементінен бет элементіне нормаль мен сәуленің таралу бағыты арасындағы бұрышпен сипатталатын барлық мүмкін бағыттар бойынша шығарылады (3-сурет) . Сәуленің таралу бағытына перпендикуляр бетке -ның проекциясы

(8)

бет элементінің нүктесіндегі беттің энергетикалық жарықтылығы деп осы бет элементінен сәуленің энергетикалық күшінің ауданға қатынасын айтады

(9)

Спектрлік тығыздық үшін бұл формула мына түрде жазылады

( 10)

Энергетикалық жарықтылық сәуле шығарылу бағытына тәуелді, жалпы ол беттің әртүрлі нүктелері үшін әртүрлі болады.

Энергетикалық жарқырау (светимость) . Бет элементінен барлық бағыттар бойынша шығарылған сәуле қуатының элемент бетіне қатынасы, энергетикалық жарқырау деп аталады

(11)

мұнда интегралдау элементінен сәуле шығарылатын жағына қарай барлық бағыт қамтылатын денелік бұрыш бойынша жүргізіледі.

Энергетикалық жарқыраудың спектрлік тығыздығы мына формула бойынша анықталады

, (12)

Егер энергетикалық жарқыраудың спектрлік тығыздығы бағытқа тәуелді болмаса (яғни ), онда (11) -дағы интегралды есептеуге болады. Сфералық координаталар жүйесінің осін бет элементіне нормаль бойынша бағыттап және аксиал бұрышты белгілеп, (11) -ны мына түрде жазамыз

(13)

Интегралдауды орындап мына нәтижені табамыз

(14)

(14) -дан теңдігі шығады мына түрде жазылады

(15)

мұндағы ; (16)

-беттің энергетикалық жарқырауы және энергетикалық жарықтылығы.

Энергетикалық жарықталу (освещенность) . Барлық алдыңғы шамалар сәуле шығару процесін сипаттады. Енді сәуленің бет элементіне түсуін қарастырамыз. Бұл құбылыс энергетикалық жарықталу деп аталатын шамамен сипатталады. Ол бет элементіне түсетін сәуле қуатының элемент ауданына қатынасына тең

(17)

Есептеулерде бетке нормаль бетінен сәуле түсетін жаққа қарай бағытталған деп саналады (4-сурет) .

Энергетикалық жарықталудың спектрлік тығыздығы

. (18)

Фотометриялық шамалар. Бұлар энергетикалық шамаларға ұқсас, бірақ негізгі шама ретінде жарық күші алынады. Жарық күшінің бірлігі-кандела қара сәуле шығарғыш көмегімен анықталады; қара сәуле шығарғыш платинаның қату температурасы жағдайында істейтін негізгі эталон ретінде қабылданған.

Бұл эталон 1967 ж. өлшемдер және таразылар бойынша ХIII Бас конференция шешімімен бекітілген. Ол төмен жағы жабық диаметрі ~2 мм және ұзындығы 40 мм керамика түтікшеден тұрады. Бұл түтікше балқыту үшін таза платинамен толтырылған тигельде орналастырылған. Салқындатқан кезде платина қатаяды және оның температурасы орнығады және 2045 К мәнінде сақталады. Басқа жарық көзінен шыққан жарық күші, оның және эталонның жасайтын жарықталуларын салыстырудан анықталады.

Жарық ағыны. Жарық ағыны деп жарық көзінің жарық күшінің, ішінде шығарылған жарық таралатын денелік бұрышқа көбейтіндісін айтады

(19)

Егер жарық күші нүктелік көз барлық бағыттарда жарық шығаратын болса, онда оның сәулесінің толық қуаты болатындығы көрінеді.

Жарық ағынының спектрлік тығыздығы мына формуламен анықталады

(20)

Жарықтылық (яркость) . Ол (9) энергетикалық жарықтылық анықтамасына ұқсас енгізіледі

а) ,

б) (21)

-ның бұрыштарына тәуелділігіне бет қасиеттері себепші болады. Егер бұрыштарға тәуелді болмаса, онда және (1. 74) өрнек мына түрге келеді

, (22)

мұндағы бұрышы бағытындағы жарық күші, -бетке нормаль бойынша жарық күші. (22) тәуелділігі Ламберт заңы деп, ал сәуле шығаруы шартымен сипатталатын беттер- ламберттік деп аталады. Осындай беттерден шығарылған сәуле диффузиялық сипатта болады. Сондықтан бұларды диффузиялық сәуле шығарушылар деп атайды.

Жарықталу (освещенность) . (11) -ға сәйкес жарықталу және жарықталудың спектрлік тығыздығы мына қатынастармен анықталады

, (23) , (24)

Жарық экспозициясы. Бұл шама мына формуламен анықталады

(25)

мұндағы -уақыт аралығы, осы уақыт аралығы ішінде жарық ағыны шығарылады немесе қабылда нады.

Жарық ағыны мен жарық қуаты арасындағы байланыс. Іс жүзінде жарық ағынын қуат бірлігі арқылы өрнектеуге тура келеді. Осы себептен жарық ағыны (люмен) мен қуат (Вт) арасындағы байланысты тағайындау қажет болады. Бірақ, жарықтың физиологиялық әсерінің ерекшелігіне байланысты мұндай байланыс универсал емес. Мәселе мынада: толқын ұзындығы әртүрлі жарықтың энергия ағындары бірдей болғанымен, бұлар әртүрлі көру сезімін тудырады. Сондықтан толқын ұзындығына байланысты 1 лм жарық ағынына әртүрлі қуат сәйкес келеді. Адам көзінің сезгіштігі түсетін сәуленің толқын ұзындығына байланысты елеулі түрде өзгереді. Қалыпты көздер (ақауы жоқ көздер) үшін ең үлкен сезгіштік толқын ұзындығы жағдайында байқалады. Басқа толқын ұзындықтарының (үлкені де, кішісі де) сәулелік энергиясының бірдей мөлшері салыстырмалы аз көру сезімін туғызады. Толқын ұзындықтары 400 нм-ден кіші және 760 нм-ден үлкен жарық, интенсивтігі қандай болғанынан тәуелсіз, көру сезімін тіпті туғызбайды. Осы себептен 400 нм-ден 760 нм-ге дейінгі аралықтағы электромагниттік толқындар шкаласының бөлігі көрінетін жарық деп аталады.

Толқын ұзындықтары әртүрлі жарық бірдей жарық ағыны жағдайында әртүрлі көру сезімін туғызатындықтан, көздің салыстырмалы сезгіштіктері деп аталатын шамалар бірдей көру сезімін беретін монохроматтық қуаттарға кері пропорционал болады, яғни

мұндағы -көздің салыстырмалы сезгіштігі (көру функциясы), -монохроматты жарық ағыны шамасы, -пропорциялық коэффициент, мұны көздің салыстырмалы сезгіштігінің максимум мәніне (шартты түрде 1-ге тең) сүйеніп анықтауға болады. Егер болатын толқын ұзындығын арқылы белгілесек, онда , осыдан болады.