Глава седьмая

ОСВЕЩЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЙ

7.1. Основные понятия светотехники. Световой поток, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности, коэффициент отражения света.

Для нормальной жизнедеятельности человека, особенно в условиях производства, важную роль играет качество освещения. Плохо освещенные опасные зоны, слепящие источники света, резкие тени от предметов и оборудования ухудшают ориентацию работающих, вследствие чего не исключена возможность травмирования. Недостаточное или неправильное освещение рабочих мест и всей рабочей зоны вызывает преждевременное утомление человека, может быть причиной не только снижения производительности труда, но и несчастного случая. Неправильно выбранные при проектировании электрического освещения осветительные приборы, а также нарушения требований главы «Электрическое освещение» Правил технической эксплуатации электроустановок могут быть причиной пожара, взрыва и других аварий на производстве.

Освещение производственных помещений и рабочих мест может быть естественным 1 , искусственным и совмещенным.

1 Расчет естественного освещения в основном сводится к определению площади световых проемов (окон) в помещении согласно указаниям СНиП II 4-79 «Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования».

Естественный (солнечный) свет оказывает положительное воздействие на зрение и в целом на организм человека. Поэтому все помещения в соответствии с Санитарными нормами проектирования промышленных предприятий СН 245-71, как правило, должны иметь естественное освещение.

Искусственное освещение осуществляется с помощью электрических источников света - ламп накаливания, люминесцентных или иных газоразрядных ламп.

Основными величинами, характеризующими видимый свет, являются световой поток источника света, сила света, освещенность, яркость светящейся поверхности, коэффициент отражения света.

Световой поток Φ - это мощность световой энергии, оцениваемая по световому ощущению, воспринимаемому зрительным органом человека. Единицей измерения светового потока является люмен (лм). Об этой единице можно судить из примера, что световой поток лампы накаливания мощностью (потребляемой из электросети) 25 Вт при напряжении 220 В составляет около 200 лм.

Сила света характеризует его интенсивность в различных точках освещаемого пространства. Сила света равна отношению светового потока к телесному углу ω, в пределах которого световой поток распределен равномерно: I=Φ/ω. За единицу силы света принята кандела (кд), определяемая эталонным источником света. Таким образом, люмен есть световой поток, испускаемый точечным источником света в телесном (пространственном) угле в один стерадиан (ст) при силе света в 1 кд.

Освещенность (Е) - поверхностная плотность падающего на данную поверхность светового потока, измеряется в люксах (лк), т. е. E=Φ/S; 1 лк равен 1 лм/м 2 .

Яркость L - световая величина, непосредственно воспринимаемая глазом, она определяется значением силы света, излучаемого с единицы площади поверхности в заданном направлении под углом α, где L = Iρ/S, ρ- коэффициент отражения поверхности, ρ = Φ отр /Φ пад, т. е. равен отношению светового потока, отраженного от поверхности, к падающему на нее световому потоку.

>>Освещенность

• Вспомните свои ощущения, когда вы входили в темное помещение. Становится как-то не по себе, ведь ничего не видно вокруг... Ho сто­ит включить фонарик - и близко расположенные предметы ста­новятся хорошо заметными. Te же, что находятся где-то дальше, можно едва различить по контурам. В таких случаях говорят, что предметы по-разному освещены. Выясним, что такое освещенность и от чего она зависит.

1. Определяем освещенность

От любого источника света распространяется световой поток. Чем больший световой поток упадет на поверхность того или иного тела, тем лучше его видно.

• Физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на еди­ницу освещенной поверхности, называется освещенностью.

Освещенность обозначается символом E и определяется по формуле:

где Ф - световой поток; S - площадь поверхности, на которую падает све­товой поток.

В СИ за единицу освещенности принят люкс (лк) (от латин. Iux - свет).

Один люкс - это освещенность такой поверхности, на один квадрат­ный метр которой падает световой поток, равный одному люмену:

Приводим некоторые значения поверхности (вблизи земли).

Освещенность Е:

Солнечными лучами в полдень (на средних широтах) - 100 000 лк;
солнечными лучами на открытом месте в пасмурный день - 1000 лк;
солнечными лучами в светлой комнате (вблизи окна) - 100 лк;
на улице при искусственном освещении - до 4 лк;
от полной луны - 0,2 лк;
от звездного неба в безлунную ночь - 0,0003 лк.

2. Выясняем, от чего зависит освещенность

Наверное, все вы видели шпионские фильмы. Представьте: какой-нибудь герой при свете слабого карманного фонарика вниматель­но просматривает документы в поисках необходимых «секретных данных». Вообще, чтобы читать, не напрягая глаз, нужна освещенность не меньше 30 лк (рис. 3.9), а это немало. И как наш герой добивается такой освещенности?

Во-первых, он подносит фонарик как мож­но ближе к документу, который просматривает. Значит, освещенность зависит от расстояния от до освещаемого предмета.

Во-вторых, он располагает фонарик пер­пендикулярно к поверхности документа, а это значит, что освещенность зависит от угла, под которым свет падает на поверхность.

Рис. 3.10. В случае увеличения расстояния до источника света площадь освещенной поверхности увеличивается

И в конце концов, для лучшего освещения он просто может взять более мощный фонарик, так как очевидно, что с увеличением силы света источника увеличивается освещенность.

Выясним, как изменяется освещенность в случае увеличения расстояния от точечного источника света до освещаемой поверхности. Пусть, например, световой поток от точечного источника падает на экран, расположенный на определенном расстоянии от источника. Если увеличить расстояние вдвое, можно заметить, что один и тот же световой поток будет освещать в 4 раза Ф большую площадь. Поскольку , то освещенность в этом случае уменьшится в 4 раза. Если увеличить расстояние в 3 раза, освещенность уменьшится в 9 - З 2 раз. Т. е. освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от точечного источника света до поверхности (рис. 3 10).

Если пучок света падает перпендикулярно к поверхности, то световой поток распределяется на минимальной площади. В случае увеличения угла падения света увеличивается площадь, на которую падает световой поток, поэтому ос­вещенность уменьшается (рис. 3.11). Мы уже говорили, что в случае увеличе­ния силы света источника освещенность увеличивается. Экспериментально ус­тановлено, что освещенность прямопропорциональна силе света источника.

(Освещенность уменьшается, если в воздухе есть частички пыли, тума­на, дыма, так как они отражают и рассеивают определенную часть световой энергии .)

Если поверхность расположена перпендикулярно к направлению распро­странения света от точечного источника и свет распространяется в чистом воздухе, то освещенность можно определить по формуле:

где I - сила света источника, R - расстояние от источника света до поверх­ности.

Рис. 3.11 В случае увеличения угла падения параллельных лучей на поверхность (а 1 < а 2 < а 3) освещенность этой поверхности уменьшается, поскольку падающий световой поток распределя­ется по все большей площади поверхности

3. Учимся решать задачи

Стол освещен лампой, расположенной на высоте 1,2 м прямо над сто­лом. Определите освещенность стола непосредственно под лампой, если пол­ный световой поток лампы составляет 750 лм. Лампу считайте точечным источником света.

• Подводим итоги

Физическая величина, численно равная световому потоку Ф, пада­ющему на единицу освещаемой поверхности S, называется освещенностью .В СИ за единицу освещенности принят люкс (лк).

Освещенность поверхности E зависит: а) от расстояния R до освещаемой поверхности б) от угла, под которым свет падает на поверхность (чем меньше угол падения, тем больше освещенность); в) от силы света I источника (E - I) ; г) прозрачности среды, в которой распространяется свет, проходя от источника до поверхности.

• Контрольные вопросы

1. Что называют освещенностью? В каких единицах она измеряется?
2. Можно ли читать, не напрягая глаз, в светлой комнате? на улице при искусственном освещении? при полной луне?

3. Как можно уве­личить освещенность определенной поверхности?

4. Расстояние от точечного источника света до поверхности увеличили в 2 раза. Как при этом изменилась освещенность поверхности?

5. Зависит ли ос­вещенность поверхности от силы света источника, который освещает эту поверхность? Если зависит, то как?

• Упражнения

1. Почему освещенность горизонтальных поверхностей в полдень больше, чем утром и вечером?

2. Известно, что освещенность от нескольких источников равняется сумме освещенностей от каждого из этих источников отдельно. Приведите примеры применения этого правила на практике.

3. После изучения темы «Освещенность» семиклассники решили уве­личить освещенность своего рабочего места:

Петя заменил лампочку в своей настольной лампе на лампочку большей мощности;
- Наташа поставила еще одну настольную лампу;
- Антон поднял люстру, которая висела над его столом, выше;
- Юрий расположил настольную лампу таким образом, что свет начал падать практически перпендикулярно к столу.

Какие из учеников поступили правильно? Обоснуйте ответ.

4. В ясный полдень освещенность поверхности Земли прямыми сол­нечными лучами составляет 100 000 лк. Определите световой по­ток, падающий на участок площадью 100 см 2 .

5. Определите освещенность от электрической лампочки мощностью 60 Вт, расположенной на расстоянии 2 м. Довольно ли этой осве­щенности для чтения книги?

6. Две лампочки, поставленные рядом, освещают экран. Расстояние от лампочек до экрана I м. Одну лампочку выключили. На сколько нужно приблизить экран, чтобы его освещенность не изменилась?

• Экспериментальное задание

Для измерения силы света используют приборы, которые называются фото метрами. Изготовьте простейший аналог фотометра. Для этого возьмите белый лист (экран) и поставьте на нем жирное пятно (например, маслом). Закре­пите лист вертикально и осветите его с двух сторон разными источниками све­та (S 1 , S 2) (см. рисунок). (Свет от источников должен падать перпендикулярно к поверхности листа.) Медленно передвигая один из источников, сделайте так, чтобы пятно стало практически невидимым. Это произойдет, когда освещен­ность пятна с одной и другой стороны будет одинаковой. Т. е. E 1 = E 2 .

Поскольку . Измерьте расстояние от первого источника до экрана (R 1) и расстояние от второго источника до экрана (R 2).

Сравните, во сколько раз сила света первого источника отличается от силы света второго источника: .

• Физика и техника в Украина

Научно-производственный комплекс «Фотоприбор» (г. Черкассы) Сфера деятельности предприятия - разработка и производство приборов точной механики, оптоэлектроники и оптомеханики разно­образного назначения, медицинской и криминалистической техники , бытовых товаров, офисных часов представительного класса. HBK «Фо­топрибор» разрабатывает и выпускает перископические прицелы для разнообразных артиллерийских установок, гирокомпасы, гироскопы, оптико-электронную аппаратуру для вертолетов, бронетехники, а так­же широкий спектр оптического оборудование и приборов различного назначения.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.

Содержание урока конспект урока и опорный каркас презентация урока интерактивные технологии акселеративные методы обучения Практика тесты, тестирование онлайн задачи и упражнения домашние задания практикумы и тренинги вопросы для дискуссий в классе Иллюстрации видео- и аудиоматериалы фотографии, картинки графики, таблицы, схемы комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты Дополнения рефераты шпаргалки фишки для любознательных статьи (МАН) литература основная и дополнительная словарь терминов Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике замена устаревших знаний новыми Только для учителей календарные планы учебные программы методические рекомендации

Вопросы госэкзамена по дисциплине «Электрическое освещение»

Сами по себе энергия и поток излучения не могут свидетельствовать о большем или меньшем восприятии человеком этого излучения. Действительно, если излучения находятся в инфракрасной или ультрафиолетовой области, то какой бы мощностью они не обладали, для глаза человека они останутся невидимыми. Если излучения одинаковой мощности принадлежат видимой области спектра, человек будет воспринимать их по-разному: в большей мере при длинах волн около 555 нм (жёлтые и зелёные излучения) и значительно слабее на границах видимого диапазона (красные и фиолетовые). Следовательно, для оценки восприятия излучений человеком необходимо учитывать не только энергию излучения, но и относительную спектральную чувствительность глаза, которая является функцией длины волны излучения.

Световой поток Ф – мощность потока излучения, оцениваемая по световому ощущению, которое она вызывает у селективного приемника - стандартного фотометрического наблюдателя, криваяотносительной спектральной чувствительности глаза которогостандартизована МКО. Иначе говоря, световой поток‑ это эффективно преобразованный глазом поток излучения.

За единицу светового потока в соответствии с международным соглашением принят люмен (лм).

Постоянного переводного коэффициента из Ватт (лучистый поток) в люмены (световой поток) не существует. Точнее, такой коэффициент существует, но он различен для разных длин волн.

Cила света I – это пространственная плотность светового потока в заданном направлении:

I a = dФ/dw,

гдеФ ‑ световой поток, лм;

w ‑ телесный (пространственный) угол с вершиной в точке расположения источника света, в пределах которого равномерно распределен этот световой поток, ср.

За единицу телесного угла – стерадиан (ср) – принимается угол, который, имея вершину в центре сферы, вырезает на ее поверхности сферический участок, по площади равный квадрату радиуса.

Телесный угол сферы равен 4π..

Единицей силы света в соответствии с решением, принятым 13-й Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 г., служит кандела [кд]. Кандела – основная единица в системе Си наравне с метром, килограммом, секундой, ампером и др.

Освещенность Е – это поверхностная плотность падающего светового потока. Освещенность элемента поверхности в заданной точке определяется отношением светового потока dФ , падающего на рассматриваемый элемент поверхности, к площади dS 2 (индексом 2 принято обозначать освещаемую поверхность) этого элемента поверхности: Е = dФ/dS 2 .

Единицей освещенности служит люкс (лк). Люкс равен освещенности поверхности площадью в 1м 2 , по которой равномерно распределен световой поток в 1 лм:

Освещенность элемента поверхности, создаваемая точечным источником, пропорциональна силе света и косинусу угла падения света на освещаемую поверхность, и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света до этой поверхности.

Яркость L a ‑ это поверхностная плотность силы света в заданном направлении, т.е. отношение силы света в заданном направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению.

Единицей яркости служит кандела на квадратный метр (кд/м 2).

Уровень ощущения света человеком зависит от яркости светящегося объекта.

Свет, падающий на поверхность нашей планеты Земля от Солнца, является источником жизни для всех ее живых организмов. Солнечные лучи, распространяясь со скоростью 300000 км/ч., оказывают следующие воздействия на окружающую среду:

• участие в фотосинтезе;
• видимый свет;
• тепло;
• обеззараживание;
• облучение.

Исходя из этого естественный свет — это лучистая энергия в виде электромагнитных волн, обладающих разными свойствами в зависимости от их общего показателя, которым является длина. Длина излучений измеряется в нанометрах (0,000000001 м) и варьируется для инфракрасных волн от 700 до 10000 нм., видимых человеческому глазу 400-750 нм., ультрафиолетовых — 10-370 нм. и рентгеновских 0,00001-10 нм.

Для человеческого глаза наиболее оптимальной считается длина видимых электромагнитных колебаний от 500 до 600 нм., хуже воспринимаются красные и фиолетовые лучи, а инфракрасные и ультрафиолетовые ощущаются только по нагреву и загару кожного покрова.

С развитием науки и техники человечество научилось создавать искусственные источники всех разновидностей электромагнитных волн, используемых в разных отраслях промышленности и сельского хозяйства и других сферах деятельности. Рассмотрим основные светотехнические понятия, раскрывающие все характеристики источников света.

Что такое световой поток?

Световой поток — это мощность видимого излучения источника электромагнитных волн, которое ощущает человеческий глаз. Обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм).

Поток лучей света, отдаляясь от источника, в пространстве распространяется неравномерно, теряя свою плотность. Эту пространственную лучистую плотность светового потока характеризует такое понятие как сила света I (измеряется в канделах – кд.), которое определяется из отношения светового потока Ф к телесному углу ω.

I =Ф/ω.

Чтобы разобраться, как эти величины взаимосвязаны друг с другом обратимся к рисунку.

Если взять точечный источник света 0, который будет светить в пространстве, то будет находиться внутри освещенного шара. Теперь представим, что световой поток Ф будет распространяться на выбранный участок сферы площадью S, в результате образуется конус, стороной которого будет являться радиус шара. Этот пространственный угол, являющийся вершиной конуса, и является телесным и определяется, как отношение площади S к квадрату радиуса сферы.

Единицей телесного угла является стерадиан (ср), который образует на поверхности светящегося шара площадь, равную по значению квадрату его радиуса.

Освещенность

Освещенность характеризует то, как количественно изменяется плотность светового потока источника света в пространстве, лучи которого падают на любые поверхности, удаленные на разные расстояния от места излучения. Определяется отношением светового потока Ф к освещаемой поверхности S:

Снова обратимся к рисунку!

Итак, возьмем также точечный источник света А, сила света I α светового потока которого направлена на участок площадью S какой-либо поверхности. Расстояние между источником света А и площадью равно l. В итоге образуется конус с наклоном, с углом α между направлением силы света I α и стороной конуса и пространственным углом ω. Тогда:

ω=S*cosα/l 2 и вычисляем Ф= I α *S*cosα/l 2 .

Определяем освещенность элемента по следующему выражению:

Е= I α *cosα/l 2 .

Таким образом, освещенность определяется силой света расстоянием до освещаемой поверхности, т.е. чем дальше находится предмет от источника видимого излучения, тем меньше на него попадает света!

Единица освещенности называется люксом и обозначается как (лк).

Яркость

При попадании светового потока на поверхность какого-либо предмета, то он частично поглощается, а другая его часть отражается, создавая зрительное восприятие этого предмета на расстоянии. Если два освещенных объекта темного и светлого цвета разместить на одном и том же расстоянии от человеческого глаза, то лучше будет виден светлый объект, то есть он лучше отражает световой поток источника света. Для сравнения, где будет светлее, в комнате со светло-зелеными или темно-коричневыми обоями при одинаковой освещенности? Конечно же, в комнате со светло-зеленым покрытием стен.

Таким образом, под яркостью освещаемой поверхности понимают то количество отраженной силы света относительно глаза наблюдателя, которое будет зависеть от окраски и отражающих свойств этой поверхности.

Яркость обозначается буквой L и равна отношению силы света к площади проекции освещаемой поверхности:

Как видно из формулы, яркость измеряется в кандела на один квадратный метр (кд/м2).

Данная формула справедлива в том случае, если глаз наблюдателя находится под углом 90 градусов к отражающей поверхности, так как тогда угол между падающим и отражающим углом составит 0 градусов, а cos0=1!

Если освещаемая поверхность будет рассматриваться человеческим глазом под некоторым углом а, то он увидит площадь проекции этой поверхности на плоскость, находящуюся под углом 90° по направлению к наблюдающему, тогда яркость будет равна:

Также термин яркость используется и для источников света, имеющих излучающие поверхности различных форм. Так, например, если взять лампу накаливания с колбой в форме шара, то проекция излучения в пространстве будет в виде круга с площадью πD2/4. Для цилиндрических ламп (газоразрядные) проекция представляет собой множество прямоугольников, которые вычисляются как произведение длины и ширины, а в данном случае умножения диаметра колбы на ее длину.

Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических же целей часто важнее знать не полный световой поток, а тот поток, который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку. Так, например, автомобилисту важно получить достаточно большой световой поток в сравнительно узком телесном угле, внутри которого находится небольшой участок шоссе. Для работающего за письменным столом важен тот поток, который освещает стол или даже часть стола, тетрадь или книгу, т. е. поток, приходящийся на некоторую площадь. В соответствии с этим установлены два вспомогательных понятия - сила света и освещенность .

Силой света называют световой поток, рассчитанный на телесный угол, равный стерадиану, т. е. отношение светового потока , заключенного внутри телесного угла , к этому углу:

Освещенность же есть световой поток, рассчитанный на единицу площади, т. е. отношение светового потока , падающего на площадь , к этой площади:

Понятно, что формулы (70.1) и (70.2) определяют среднюю силу света и среднюю освещенность. Они будут тем ближе к истинным, чем равномернее поток или чем меньше и .

Очевидно, что с помощью источника, посылающего определенный световой поток, мы можем осуществить весьма разнообразную силу света и весьма разнообразную освещенность. Действительно, если направить весь поток или большую его часть внутрь малого телесного угла, то в направлении, выделенном этим углом, можно получить очень большую силу света. Так, например, в прожекторах удается сосредоточить большую часть потока, посылаемого электрической дугой, в очень малом телесном угле и получить в соответствующем направлении огромную силу света. В меньшей степени той же цели достигают с помощью автомобильных фар. Если сконцентрировать с помощью отражателей или линз световой поток от какого-либо источника на небольшой площади, то можно достигнуть большой освещенности. Так поступают, например, стремясь сильно осветить препарат, рассматриваемый в микроскоп; аналогичное назначение выполняет рефлектор лампы, обеспечивающий хорошую освещенность рабочего места.

Согласно формуле (70.1) световой поток равен произведению силы света на телесный угол , в котором он распространяется:

Если телесный угол , т. е. лучи строго параллельны, то световой поток также равен нулю. Это означает, что строго параллельный пучок световых лучей не несет никакой энергии, т. е. не имеет физического смысла, - ни в одном реальном опыте не может быть осуществлен строго параллельный пучок. Это - чисто геометрическое понятие. Тем не менее параллельными пучками лучей очень широко пользуются в оптике. Дело в том, что небольшие отступления от параллельности световых лучей, имеющие с энергетической точки зрения принципиальное значение, в вопросах, связанных с прохождением световых лучей через оптические системы, практически не играют никакой роли. Например, углы, под которыми лучи от удаленной звезды попадают в наш глаз или телескоп, настолько малы, что они даже не могут быть измерены существующими методами; практически эти лучи не отличаются от параллельных. Однако эти углы все же не равны нулю, и именно благодаря этому мы и видим звезду. В последнее время световые пучки с очень острой направленностью, т. е. с очень малой расходимостью световых лучей, получают при помощи лазеров (см. § 205). Однако и в этом случае углы между лучами имеют конечное значение.