Akvarisztikával kapcsolatos anyagok gyűjtőhelye

Oldalak

2013. március 30., szombat

Fénytan


A FÉNY - ALAPFOGALMAK


A fény az emberi szem számára érzékelhető elektromágneses sugárzás. amely a szemben fényérzetet kelt, és ez által látható. Alapmeghatározásai:

-    elektromágneses hullám
-    frekvenciája meghatározható
-    energia (energia által keletkezik és megszűnésekor energiává alakul)

A sugárzást csoportosíthatjuk a frekvencia (hullámhossz) és a láthatóság alapján.

A frekvencia alapján a következő sugárzásokat különböztetjük meg:
- Monokromatikus sugárzás, amelyet egyetlenegy frekvencia jellemez, vagy amelynek olyan kicsi a frekvencia-, ill. a hullámhossz-tartománya (sávja), hogy egyetlenegy frekvenciával jellemezhető.
- Összetett sugárzás az, ha a sugárzás egyidejűleg több hullámhosszon történik.


A láthatóság alapján a következő sugárzásokat különböztetjük meg:
Láthatatlan sugárzás az olyan elektromágneses sugárzás, amely közvetlenül nem képes látásérzetet kelteni, ilyen sugárzás
- az infravörös sugárzás, amely 1mm-nél kisebb hullámhosszúságú monokromatikus sugarakból tevődik össze (a látható sugárzásénál nagyobb a hullámhossza);
- az ultraibolya sugárzás, amelynek hullámhossza kb. 1 -  400 nm (a látható sugárzásénál kisebb a hullámhossza).
Látható sugárzás az olyan elektromágneses sugárzás, amely közvetlenül képes látásérzetet kelteni.
Csak azon elektromágneses sugárzások keltenek a szemben fényérzetet, melyek hullámhossza a 380 nm és 780 nm közé esik. A tartomány frekvenciahatárai: 750 ezer GHz – 375 ezer GHz.
Általánosságban azt mondhatjuk, hogy a látható fény szemünk számára az infravörös tartománytól az ultravioláig tart.
A fény a látható sugárzás érzékelés szerinti megfelelője. A szem által érzékelt, feldolgozott, vagy a szem szerint súlyozott elektromágneses hullámzás.
(A sugárzott energia elemi részecskéje (kvantuma) a foton, amely a h Plank-állandó és az elektromágneses sugárzás f frekvenciájának szorzata.)

Sugárzások csoportosítása



A különböző hullámhosszúságú látható sugarakra szemünk érzékenysége más és más. Tehát nemcsak attól függően érzékeli a fényforrás által kibocsátott fénysűrűséget, mekkora kisugárzott teljesítménye, hanem attól függően is, hogy milyen a színösszetétele (hullámhossza). A látható tartományba eső, különböző hullmhosszúságú fény a szemünkbe jutva látáskor különböző színérzetet kelt. Az egyes színekhez az alábbi hullámhossztartományok tartoznak:



hullámhossztartományok




A fehér fényben a látható tartományba eső valamennyi hullámhosszúságú fény megtalálható. Azonos fizikai sugárteljesítmény mellett az 550nm hullámhosszú (zöld) fényt sokkal világosabbnak érzékelünk, mint a 400 nm (kék) vagy 700 nm (piros) hullámhosszat.


A szem spektrális érzékenysége


A fotometria szűkebb értelemben a 400 nm.-.700 nm hullámhossz spektrumba eső, a szemmel látható vizuális fénynek a fényérzeten alapuló fénytechnikai hatását, mérési módszerét, alapfogalmait tárgyalja.


Fénytani alapfogalmak

Térszög:
A térszög, a síkszög térbeli megfelelője. A térszög nagyságát egy tetszőlegesen megválasztott gömb tetszőlegesen kijelölt felületrészének és a gömbsugár négyzetének a hányadosa adja. A térszög azt méri, hogy az adott pontból nézve milyen nagynak tűnik egy objektum. A fényforrást pontszerűnek elképzelve a sugárzás térbeli irányultságát a térszöggel lehet jellemezni.
Jelölése: Ω (Omega)
Mértékegysége: szteradián
Jele: sr

 
 Az r sugarú gömb felülete: 4r²π, így a teljes gömbi tér: 4r²π/r²= 4π sr.
1 szteradián = 1 m sugarú gömb 1m² felülete által kijelölt térrész térszöge.

 Fényáram (fényteljesítmény)
A fényáram a fényforrásból időegység alatt kisugárzott összes látható fény energiája – ez a fényforrások legfontosabb világítástechnikai jellemzője. Másként megfogalmazva a fényáram a sugárzott fizikai teljesítmény és a láthatósági tényező szorzatának az egész színképtartományban összegzett értéke.
Az emberi szem spektrális (a fény hullámhosszától függő) érzékenysége miatt a fényteljesítmény mértékegységét nem watt-ban, hanem lumenben fejezik ki.
A pontszerű fényforrás minden irányban sugárzott fényáramának mennyisége az összfényáram (Total Luminous Flux).

Jelölése: Φ (Phi)
Mértékegysége: Lumen
Jele: lm
 
Minden egyéb világítástechnikai mértéket a fényáramhoz viszonyítanak. Ennek ellenére a fényáram nem fotometriai alapegység, hanem a fényerősségből származtatott egység, amelyet így határoztak meg az SI nemzetközi mértékrendszerben:
1 lumen fényáramot létesít az 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás az 1 méter sugarú gömb 1m2 felületén.

1 lumen mennyiségű fényáram a minden irányban 1 candela (cd) fényerősséggel egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe kibocsátott teljesítménye.
1 lumen = 1 cd · sr


Így a teljes 4π térszögben minden irányban 1 cd fényerősségű fényforrás fényárama = 4π lm, vagyis 12,56 lumen.

 Eszerint az I = 1 cd erősségű pontszerű fényforrás az 1 m sugarú gömb 4π m2 felületen át a térbe
Φ = 4π lm fényáramot sugároz, vagyis Φ = 4πI.
A fényáram és a fényerősség között a következő összefüggés áll fenn
Φ = IΩ.

A szem maximális érzékenységének megfelelő 550 nm hullámhosszúságú fénysugárzás 1 watt teljesítmény esetén 680 lumen fényáramot létesít.


Néhány fényforrás fényárama:

Fényforrás A fényforrás névleges fényárama (lm)
Izzólámpa 230 V, 60 W 710
Izzólámpa 230 V, 100 W 1400
Izzólámpa 230 V, 1000 W 20000
Halogén izzólámpa 12 V, 100W 2350
Fénycső 18W, F33 1150
Nátriumlámpa LU250/T/40 27500






Fényerősség

A fényforrás a tér minden irányába sugározza ki fényáramát. Az adott irányú térszögbe kisugárzott fényáramnak és a térszögnek a hányadosa, azaz a fényáramnak a térszög szerinti sűrűsége a fényerősség.
A fényerősség a fénymérés alapegysége (SI-ben).


Jelölése: I
Mértékegysége: Candela (lm/sr)
Jele: cd
Meghatározó egyenlete: I = Φ / Ω

Évtizedeken keresztül a gyertya fényéhez viszonyították a fényforrások fényességét. Az etalonként használt gyertyafény egy bizonyos meghatározott méretű és zsiradék-összetételű gyertya fényét jelentette. Természetesen a pontos előírások ellenére sem volt könnyű tökéletesen azonos fényerejű gyertyákat előállítani. A fényerősség mértékegysége is a gyertya latin nevéből, a candelából származik. A XX. század második felében már a fényerősség egzaktabb definícióját is megfogalmazták.

A szakirodalomban a mai napig kétféle hivatalos definícióval találkozunk, ami abból adódik, hogy az Általános Súly- és Mértékügyi Konferencia (GPCM) először 1967-ben, majd 1979-ben is definiálta a fényerősséget:

GPCM 1967 SI meghatározás:
A kandela a feketetest sugárzó 1/600000 m² felületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén (2042 K), 101 325 Newton / m² nyomás alatt. (A megadott nyomásérték megfelel a normál légköri nyomásnak, a 60 cd/cm² terület meghatározás célja pedig, hogy a kandela fényerőssége ne térjen el a régi kandela mennyiségtől.)
CGPM 1979 SI meghatározás:
A kandela azon 540×1012 hertz frekvenciájú (~555 nm) monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrás fényerőssége adott irányban, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt / szteradián.


Megvilágítás

A megvilágítás a felületre beeső fényáramnak és a felületnek a hányadosa, azaz a fényáramnak a felületen eloszló sűrűsége.
A megvilágítási erősség a felületet érő fény mértéke. Megadja, hogy egy adott felület mennyire van kivilágítva, vagyis mekkora fényáram jut 1m² felületegységre lumenben. A gyakorlati felhasználás szempontjából talán ez a legfontosabb világítástechnikai fogalom.



Jelölése: E
Mértékegysége: Lux (lumen/m²)
Jele: lx
Meghatározó egyenlete: E = Φ / A (ahol A a felületet jelöli)


1 m sugarú gömb közepén lévő pontszerű fényforrás, amely 1 candela fényerősséggel sugároz, 1 lumen fényáramot kelt 1 sr térszögbe, 1 lux megvilágítási erősségű a gömb 1m²-es felületén.

 A megvilágítás erőssége a fényerősséggel egyenesen, a fényforrástól való távolság négyzetével fordítottan arányos. Ez utóbbi érthető, hiszen ugyanakkora térszöghöz kétszer akkora távolságban négyszer akkora felület tartozik. Vagyis a megvilágítás a negyedére csökken.




Jellemző környezeti megvilágítási értékek:

Fényforrás A megvilágítás (lx)
A szem érzékenységi küszöbe 0,0000001
Felhős éjszakai égbolt 0,00005
Csillagos éjszaka 0,0001
Negyed hold 0,02
Telihold 0,05-0,2
Szürkület 4-10
Utcai világítás 1-10
Gyertyafény 10-15
A szem korrekt színlátása 50
Napkelte, napnyugta 500
Áruházak eladótere 500-800
Otthoni és irodai megvilágítás 100-1000
Napfény erősen felhős időben 20000
Napfény enyhén felhős időben 70000
Felhőtlen napsütés 100000-1000000





 Fénysűrűség

A fénysűrűség a világító felület vizsgált irányú vetülete felületegységének fényerőssége. Fogalmazhatunk úgy is, hogy a fénysűrűség a megvilágított felületnek a szem által világosságként érzékelt látszólagos fényessége.


Jelölése: L
Mértékegysége: candela / m²
Jele: cd / m²



Színhőmérséklet

A színhőmérséklet a látható fény egy jellegzetessége. Egy fényforrás színhőmérsékletét az általa okozott színérzet és egy hipotetikus feketetest-sugárzó által létrehozott színérzet alapján határozzák meg. Izzólámpák esetében, lévén, hogy a fény izzásból származik, a színhőmérséklet jól egybe esik az izzószál hőmérsékletével. A nem hőmérsékleti sugárzás elvén működő fényforrások, mint például a fénycsövek esetében közvetlen fizikai jelentése nincsen. Ezért ilyenkor inkább „korrelált színhőmérsékletről” beszélünk. Elterjedt jelölése: CCT (Correlated Color Temperature)
A különböző színhőmérsékletek befolyásolják az ember hőérzetét és koncentrálóképességét. Tradicionális okokból a színhőmérséklet fordított hőmérsékleti asszociációkat okoz. A kékebb árnyalatok, bár magasabb színhőmérsékletűek, alacsonyabb hőmérséklet érzetét keltik. Hasonlóképp a vörösebb árnyalatok melegebbnek tűnnek. Ennek oka, hogy vörössel az izzást, és tüzet hozzák összefüggésbe, míg a kékkel inkább a jeget, vagy a vizet.
Ezért hideg munkahelyeknél az alacsonyabb színhőmérsékletű (melegfehér), míg meleg munkahelyeken inkább a magasabb színhőmérsékletű (hidegfehér) árnyalatokat alkalmazzák. További hatása, hogy a melegebb árnyalatok pihentetőbben hatnak, míg munkahelyeken a hidegebb fehér árnyalatokat használják, ugyanis segítik a koncentrációt.



A fehér fény mint tudjuk, különböző színű fények keveréke. A különféle fényforrások fényei nem azonos arányban tartalmazzák a fehér fény összetevőit, tehát színük is különbözik egymástól. Az emberi szem bizonyos határok között alkalmazkodik az adott fény színéhez, így a kisebb mértékű eltéréseket mi nem érzékeljük. A fényforrások valós színe az adott fényforrás által kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlásával írható le. Ez a jelleggörbe megmutatja, hogy az adott fényforrás mennyi energiát sugároz ki a különböző színű komponensekből. Az ábrán néhány fényforrás jelleggörbéje látható. A kisugárzott energia nagyságát a görbe alatti terület adja meg.







A látható tartományban kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlására jellemző szám a színhőmérséklet. Egysége: Kelvin, K (A színhőmérséklet jele 1972 előtt kelvin (K) volt. A színhőmérsékletet régebben miredben adták meg, mired = 1 000 000 / K.
Egy ideális termikus fényforrás által kisugárzott fény színhőmérséklete megegyezik annak kelvinben kifejezett hőmérsékletével. A nem ideális termikus sugárzók (például izzószál) és a nem termikus sugárzók (például fénycső) színhőmérséklete megegyezik annak az ideális termikus sugárzónak hőmérsékletével, amellyel azonos színű fényt sugároz ki. Az izzólámpák színhőmérséklete csak kevéssé tér el az izzószál hőmérsékletétől. A termikus sugárzók közös tulajdonsága, hogy az általuk kisugárzott energia hullámhossz szerinti eloszlását leíró jelleggörbéjük folytonos. Ilyen folytonos jelleggörbék az ábra a., b. és c. görbéi.
A színhőmérséklet emelkedésével a fény vörös összetevői csökkennek, míg kék összetevői növekedek, tehát minél magasabb a fény színhőmérséklete, annál "kékebb", és minél alacsonyabb a fény színhőmérséklete annál "vörösebb" lesz a színe. Az ábra c. görbéjén egy magas színhőmérsékletű fényforrás (10000 K), míg b. görbéjén egy alacsony színhőmérsékletű fényforrás (2800 K) hullámhossz szerinti energiaeloszlása látható. Az a. görbe közepes színhőmérsékletet jelöl. (5600 K)

A lumineszcens sugárzók (például fénycső, kompakt fénycső, Na lámpa, Hg-gőz lámpa, stb.) sávos színképpel sugároznak. Az egyes sávok élesen elkülönülnek egymástól, valamint az átlagos energiaszintből magasan kiemelkednek, tehát az ilyen fényforrások fénye jellegzetesen elszínezi a fotónyersanyagot, így nem (nagyon) alkakmasak fotográfiai használatra. Ilyen fényforrásra mutat példát az ábrán d.-vel jelölt színkép. A színhőmérséklet fogalmát a lumineszcens fényforrásokra is kiterjesztették, de természetesen nem fotográfiai értelemben.

A napfény színhőmérséklete évszaktól, napszaktól függően folyamatosan változik. Derült időben, átlagos napsütés esetén ez kb. 5600 K. Hajnalban vagy naplementekor a színhőmérséklet 2500 K-re is csökkenhet, viszont borult, párás, ködös időben 6-10000 K-re is növekedhet. Nyílt tengeren, ill. magas hegyekben a színhőmérséklet 10-20000 K-t is elérheti.




Néhány színhőmérsékleti adat:
  • Gyertya: 1900 K
  • Háztartási izzólámpa: 2800 K
  • Fotoizzó: 3200 K
  • Reggeli, délutáni alacsony napállás: 4800 K
  • Átlagos napfény, vaku: 5600 K
  • Napos idő, árnyékban: 6000 K
  • Nappal, kissé felhős égbolt: 8000 K
  • Borult, ködös idő: 10000 K


















 források:
http://hu.wikipedia.org/































Nincsenek megjegyzések: