FOTOMETRICKÉ VELIČINY F-Pn-P069-Fotometrie FOTOMETRICKÉ VELIČINY

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 1. Motivace Chceme změřit: Svítivost zdroje (vzájemné porovnávání zdrojů světla) Popsat „transport“ světla (množství energie vyslané zdrojem) Míru osvětlení (kde je málo nebo hodně světla) Problém:  Oko není detektor energie - různé vlnové délky vnímá různě  Např. nejlépe vnímáme žlutozelené světlo ( = 555 nm),  Naopak při osvětlení UV zářením dopadá do oka hodně energie a není vidět nic

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 2. Radiometrické a fotometrické veličiny Používají se dvě sady jednotek: Radiometrické – založené na tom, kolik energie se přenese zářením (fyzikálně objektivní, ale neříkají moc o tom, jestli bude dost světla na přečtení knížky) Fotometrické – založené na tom, jak to záření působí na lidský zrak (poznáme z toho, jestli je místnost dost osvětlená, ale nejsou „spravedlivé“ k energii, kterou záření přenáší)

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 3. Spektrální citlivost lidského oka V() /nm 1 400 555 700 Tyčinky Čípky Lidské oko nevnímá elektromagnetické záření různých vlnových délek se stejnou účinností. Jednak je jeho citlivost omezena na velmi úzký interval vlnových délek 400–700 nm, a ani tyto vlnové délky nejsou okem vnímány všechny stejně. Závislost citlivosti lidského oka na vlnové délce světla vystihuje tzv. poměrná světelná účinnost monochromatického záření V().

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 3. Spektrální citlivost lidského oka V() /nm 1 400 555 700 Tyčinky Čípky Čípky se podílejí na vzniku zrakového vjemu při vyšších ozářeních sítnice lidského oka (tzv. denní vidění ), tyčinky jsou citlivější a přebírají jejich úlohu při nízkých hodnotách ozáření (noční vidění).  POZN: Vlnová délka pro maximum čípkové citlivosti je takřka totožná s vlnovou délkou dominantní monochromatické složky ve slunečním záření. Což lze považovat za důsledek evoluce lidského oka.

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 3. Spektrální citlivost lidského oka V() /nm 1 400 555 700 Tyčinky Čípky POZN: Za šera, kdy tyčinky přebírají světločivou funkci od čípků, je k dispozici (pomineme-li umělá svítidla) především sluneční světlo rozptýlené v zemské atmosféře. Je však dobře známo, že se právě světlo kratších vlnových délek rozptyluje nejvíce (viz např. modrá barva oblohy za dne). Proto můžeme na modrý posuv spektrální citlivosti tyčinek nahlížet též jako na zákonitou evoluční adaptaci.

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4. „Konečně“ fotometrické veličiny Pro bodový zdroj zavádíme následující fotometrické veličiny: Na straně zdroje  Svítivost I - vyjadřuje vlastnost zdroje    světla  Světelný tok  - vztahuje se k přenosu    světla prostorem Na straně ozařovaného tělesa  Osvětlení E0 - určuje účinky světla při jeho    dopadu na povrch tělesa

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.1 SVĚTELNÝ TOK Kolik energie se vyzáří celkem (do všech směrů kam svítíme)? Je-li ES světelná energie, která projde danou plochou v okolí zdroje za dobu , světelný tok  definujeme vztahem: [] = lm Jednotkou není Watt, jak by se předpokládalo, ale tzv. lumen POZN: V lumenech se vyjadřuje např. výkon projektorů (typická velikost 2200 lumenů)

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.2 SVÍTIVOST ZDROJE Kolik z vyzářeného připadá na prostorový úhel? (vyzáření určitého množství energie do úzkého paprsku má jiné důsledky než když stejnou energii vyzáříme do celého prostoru) Vyzařuje-li bodový všesměrový zdroj světelný tok  do prostorového úhlu o velikosti , pak veličina   se nazývá svítivost zdroje. [I] = cd Jednotkou svítivost je tzv. kandela

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.2 SVÍTIVOST ZDROJE Svítivost je v soustavě SI základní fyzikální veličinou. Její jednotkou je kandela (cd), která je v soustavě SI jednotkou základní. Kandela je definována jako: svítivost zdroje monochromatického záření o kmitočtu 540.1012 Hz (vlnové délce 555,2 nm) a zářivosti  1/683 W na steradián. A od 20. 5. 2019 bude definována: fixováním číselné hodnoty světelné účinnosti monochromatického záření o frekvenci 540 THz rovné 683, je-li vyjádřena v jednotkách lm·W–1, což se rovná cd·sr·W–1 nebo cd·sr·kg–1·m–2·s3 (kde kilogram, metr a sekunda jsou definovány ve smyslu h, c, a ΔνCs). POZN: Svítivost jedné kandely si můžeme představit jako svítivost jedné svíčky. (odtud i název jednotky)

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.3 OSVĚTLENÍ Kolik z vyzářeného připadá na plochu? (paprsek světla se se vzdalováním od zdroje rozšiřuje a plocha ve větší vzdálenosti je méně osvětlená než plocha přímo u zdroje) Dopadá-li světelný tok na těleso, je jeho povrch osvětlen. Tuto vlastnost tělesa charakterizuje veličina osvětlení E0 definována vztahem kde  je světelný tok světla dopadajícího rovnoměrně na plochu osvětleného tělesa obsahu S této plochy.

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.3 OSVĚTLENÍ [E0] = lx Jednotkou osvětlení je lux. Plocha má osvětlení jednoho luxu, dopadá-li na ni rovnoměrně světelný tok 1 lm na 1 m2 plochy. Osvětlení za některých situací: ● hranice tmy: 2 nlx (začátek reakce tyčinek) ● osvětlení chodeb: 20-30 lx ● doporučená hodnota pro čtení: 100-200 lx ● doporučená hodnota pro jemné mechanické operace: 500-1000 lx ● přímé sluneční osvětlení v poledne v zimě: 0,01 Mlx ● přímé sluneční osvětlení v poledne v létě: 0,1 Mlx

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.3 OSVĚTLENÍ Osvětlení E0 dané plochy závisí na svítivosti zdroje I, na její vzdálenosti r od světelného zdroje a na úhlu  dopadu světla na tuto plochu:  I r

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.4 ILUSTRACE PRO POUŽITÍ Příklad: 100 W žárovka vytváří světelný tok 1300 lm. Urči její svítivost. Jaké osvětlení vyváří na stole vzdáleném 1,7 m? Řešení:  = 1300 lm r = 1,7 m I = ? E0 = ? Určení svítivosti Žárovka svítí do celého prostoru –>  = 4

FOTOMETRICKÉ VELIČINY 4.4 ILUSTRACE PRO POUŽITÍ Příklad: 100 W žárovka vytváří světelný tok 1300 lm. Urči její svítivost. Jaké osvětlení vyváří na stole vzdáleném 1,7 m? Řešení:  = 1300 lm r = 1,7 m I = ? E0 = ? b) Určení osvětlení Žárovka svítí do celého prostoru –> S = 4.r 2 (povrch koule o poloměru r )

Zdroje a použitá literatura: [1] Photometry (optics). In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001-2012 [cit. 2012-11-11]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Photometry_(optics) [2] REICHL, Jaroslav. Fotometrické veličiny. In: Encyklopedie fyziky [online]. 2012 [cit. 2012-11-11]. Dostupné z: http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/535-fotometricke-veliciny [3] KRYNICKÝ, Martin. Radiometrické a fotometrické veličiny. In: Fyzika SŠ.realisticky.cz: když (se) chcete naučit... [online]. 2010 [cit. 2012-11-12]. Dostupné z: http://www.realisticky.cz/ucebnice/02%20Fyzika%20SŠ/05%20Optika/04%20Elektromagnetické%20záření/06%20Radiometrické%20a%20fotometrické%20veličiny.pdf