Источники света (версия Миг)

Облако, окутанное лучами Солнца — главного источника тепла и света на Земле

Источник света — светящийся объект, излучающий энергию в световом диапазоне.

• В физике и оптике широко используют идеализированные модели: точечный и непрерывный источник света.

Природа и свойства источников света

Природа возникновения света

Излучение фотона света при переходе атома с зарядом ядра +Ze с третьего энергетического уровня во второй. ---- До 1923 года большинство физиков отказывались верить в то, что электромагнитное излучение обладает квантовыми свойствами. Вместо этого они склонны были объяснять поведение фотонов квантованием материи, как, например, в модели атома водорода, предложенной Бором. Хотя все полуклассические модели были опровергнуты экспериментами, они привели к созданию квантовой механики.

Начиная с 30-х гг. ХХ века широкое распространение получили газоразрядные источники света, в которых используется излучение электрического разряда в разреженных инертных газах или в парах различных металлов, особенно ртути. Они относятся к люминесцентным источникам света (или к источникам света смешанного излучения, т. е. люминесценции и теплового). Флуоресцениция и её частный случай, люминесценция, в зависимости от возбуждающего начала, или от физической природы подразделяются на виды:

• Фотолюминесценция
• Термолюминесценция
• Триболюминесценция
• Хемолюминесценция и биолюминесценция
• Сонолюминесценция
• Радиолюминесценция и катодолюминесценция
• Электролюминесценция и др. виды.

Солнце

Молния

Установлено, что энергия атомов носит дискретный характер и может иметь лишь определённые значения, свой набор величин для каждого атома. Эти установленные возможные значения энергий атомов получили названия энергетических или квантовых уровней. Электроны, находясь на одном из высших энергетических уровней, самопроизвольно переходят на более низшие через промежуток времени порядка 10⁻⁸ секунды. При этом самопроизвольный переход из низшего состояния в любое другое невозможен. Этот уровень называется основным, в то время, как остальные — возбуждёнными. В нормальных условиях все атомы находятся в своих основных энергетических состояниях. Для того, чтобы возбудить атом, ему необходимо сообщить некоторую энергию, причём для каждого атома существует определённая наименьшая порция энергии, переводящая из основного состояния в возбуждённое (так для водорода эта величина равна 10,1 эВ — это расстояние между его первым и вторым энергетическими уровнями).

При переходе из более высоких состояний в более низкие испускается порция энергии — фотон. Согласно формуле Планка испускаемая энергия рассчитывается так:

$E=h \nu_{nm}$,

где h — постоянная Планка, а ν_nm — частота фотона при переходе из уровня n на уровень m (n>m), которую можно рассчитать через энергии этих уровней: $\nu_{nm}=\frac{E_n-E_m}{h}$

Нагретое до определённой температуры вещество начинает излучать свет. Неважно, будь то вольфрамовый волосок в электрической лампочке или Солнце, у которого температура на поверхности составляет тысячи градусов.

С ростом температуры тела излучение дополняется всё более высокими частотами. Таким образом, излучение тела, нагретого до нескольких тысяч градусов, будет представлять сплошной спектр: от инфракрасного до ультрафиолетового.

См. также: Корпускулярно-волновой дуализм, Вынужденное излучение

Интенсивность света

Вектор плотности потока энергии электромагнитного поля

Любой источник света характеризуется своей интенсивностью — средним по времени значением величины вектора Пойнтинга.

Вектор Пойнтинга (также вектор Умова — Пойнтинга) — вектор плотности потока энергии электромагнитного поля, одна из компонент тензора энергии-импульса электромагнитного поля. Вектор Пойнтинга S можно определить через векторное произведение двух векторов: $$\mathbf S = \frac {c}{4 \pi} [ \mathbf E \times \mathbf H]$$(в системе СГС), $$\mathbf S = [ \mathbf E \times \mathbf H]$$(в СИ),

где:

E — вектор напряжённости электрического поля,

H — вектор напряжённости магнитного поля.

При этом термин магнитное поле применяется к двум различным векторным полям, обозначаемым как $\mathbf{H}$ и $\mathbf{B}$.

Интенсивность источника света характеризуется своим средним по времени значением величины вектора Пойнтинга:

$I=|\vec{S}|=|[\vec{E}\times \vec{H}]|$

Откуда, интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды колебаний электомагнитного поля: $I \sim E_0^2 \sim B_0^2$

Через значение напряжённости электрического поля её можно выразить следующим образом:

$I=\frac{\varepsilon_0 c \sqrt{\varepsilon \mu} E_0^2}{2}$,

где $\varepsilon_0$ — диэлектрическая постоянная, $c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}$ — электродинамическая постоянная (скорость света в вакууме), $\sqrt{\varepsilon \mu}$ — коэффициент преломления среды, $\mu$ — магнитная проницаемость вещества, $\varepsilon$ — диэлектрическая проницаемость вещества.

Математическое представление

Термин магнитное поле применяется к двум различным векторным полям, обозначаемым как $\mathbf{H}$ и $\mathbf{B}$. Величина $\mathbf{H}$ называется напряженностью магнитного поля. Термин «магнитное поле» исторически относится к $\mathbf{H}$, в то время как $\mathbf{B}$ называется магнитной индукцией. Магнитная индукция $\mathbf{B}$ является основной характеристикой магнитного поля, так как, во-первых, именно она определяет действующую на заряды силу, а во-вторых, векторы $\mathbf B$ и $\mathbf E$ на самом деле являются компонентами единого тензора электромагнитного поля. Аналогично, в единый тензор объединяются величины $\mathbf H$ и электрическая индукция $\mathbf D$. В свою очередь, разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное является совершенно условным и зависящим от выбора системы отсчёта, поэтому вектора $\mathbf B$ и $\mathbf E$ должны рассматриваться совместно.

Моделирование источников света в виртуальных пространствах

В приложениях компьютерной графики реального времени, например в компьютерных играх, выделяют три основных вида источников света:

• Точечные источники света
• Бесконечно удалённые (направленные) источники света
• Прожекторы

Они лишь приближённо описывают свои аналоги в физическом мире, тем не менее в сочетании с качественными моделями затенения, например затенением по Фонгу они позволяют создавать вполне реалистичные изображения.

Типы источников света

По своей природе источники света подразделяются на искусственные и естественные.

Искусственные источники света

Лазеры

Лазеры дают когерентные световые пучки высоких интенсивностей, исключительной однородности по частоте и острой направленности.

Некоторые характеристики источников света

Источник света		Потребляемая мощность	Световой поток
Группа	Тип	Ватт	lm/W (min)	lm/W (типовое)	lm/W (max)
Пламя	Свеча	ca. 50 (Wärmeleistung)		0,1
	Керосиновая лампа			0,2
Пламя + Ауэровский колпачёк	Мощные лампы	bis 1000 (тепловая мощность)		5,0
Светодиод	Синий	0,05 bis >1	1,0	8,5	16,0
	Красный	0,05 bis >1	5,0	47,5	90,0
	Белый, Entwicklungsziel der EU	0,05 bis >1			200,0
Светодиод + люминофор	Белый (синий + люминофор)	0,05 bis >1	1,0	50,5	150,0
Лампы накаливания	лампа накаливания 230V	5		5,0
	лампа накаливания 230V	25		9,2
	лампа накаливания 230V	40	10,0	10,0	10,3
	лампа накаливания 230V	60	11,5	12,0	12,5
	лампа накаливания 230V	75		12,4
	лампа накаливания 230V	100	13,8	14,5	15,0
	галогенная лампа 230V	100		16,7
	галогенная лампа 230V	500		19,8
	галогенная лампа 230V	1000		24,2
	галогенная Niederspannung	50		20
	галогенная 12 V (KFZ, real 13,8V)	55	27,0	27,5	28,0
Газоразрядные лампы + Люминофор	Компактные люминесцентные лампы	5		45,0
	Компактные люминесцентные лампы	23	40	60	80
	Компактные люминесцентные лампы	26		70
	Компактные люминесцентные лампы	70		75
	Leuchtröhre, auch als Kaltkathode oder CCFL bezeichnet	11	50	55	60
	Leuchtstofflampe mit konventionellem Vorschaltgerät (KVG, 50-Hz-Drossel)	36	60	75	90
	Leuchtstofflampe inkl. konventionellem Vorschaltgerät (KVG, 50-Hz-Drossel)	55	40	50	59
	Leuchtstofflampe mit elektronischem Vorschaltgerät (EVG)	36	80	95	110
	Leuchtstofflampe inkl. elektronischem Vorschaltgerät (EVG)	50	58	68	79
	Induktionslampe (Elektrodenlose Leuchtstoffröhre mit induktiver Speisung)			80
Газоразрядные	Ксеноновые газоразрядные лампы высокого давления в видеопроекторах	100-300	10,0	22,5	35,0
	Ксеноновые газоразрядные лампы (лампы высокого давления для кинопроекторов)	mehrere Kilowatt		47
	Металлогалогенные лампы	35 bis >1000	70	94	106
	Ртутная лампа высокого давления (HID)		50	55	60
	Тлеющий разряд, безлюминесцентные			8
	Ксеноновая дуговая лампа		30	50	150
	Ртутно-ксеноновые дуговые лампы (автомобильные фары)	35	50-80	52-93	106
	Ртутные лампы высокого давления (HQL), некоторые с люминесцентными трубками	50		36
	Ртутные лампы высокого давления (HQL), некоторые с люминесцентными трубками	400		60
	лампы типа галоген-пары металла (HCI, HQI)	250	93	100	104
	Натриевые лампы высокого давления	ab 50		150
	Натриевые лампы низкого давления	ca. 80	150	175	200
	Серная лампа	1400		95
Газоразрядные трубки	Натриевые лампы высокого давления	35 - 1000 W	120	140	150
теоретический световой поток	тепловое излучение, 6600 K				95
	белый, 410–705 nm				240
	зелёный, 550 nm				683

См. также

• Осветительные приборы
• Светильники
• Корпускулярно-волновой дуализм
• Вынужденное излучение
• Электромагнитное излучение
• Оптика
• Свет

Литература

• Иванов А. П., Электрические источники света, ч. 1—2, М.—Л., 1938—48
• Шателен М. А., Русские электротехники второй половины XIX века, М.—Л., 1950

Внешние ссылки

• Энергия электромагнитных волн. Интенсивность света
• Свойства и типы источников света. Суммарное освещение