Яркость это в физике кратко

Обновлено: 05.07.2024

Я́ркость источника света [1] — световой поток, посылаемый в данном направлении, деленный на малый (элементарный) телесный угол вблизи этого направления и на проекцию площади источника на плоскость, перпендикулярную оси наблюдения. Иначе говоря — это отношение силы света, излучаемого поверхностью, к площади её

В определении, данном выше, подразумевается, если рассматривать его как общее, что источник имеет малый размер, точнее малый угловой размер. В случае, когда речь идет о существенно протяженной светящейся поверхности, каждый ее элемент рассматривается как отдельный источник. В общем случае, таким образом, яркость разных точек поверхности может быть разной. И тогда, если говорят о яркости источника в целом, подразумевается усредненная величина. Источник может не иметь определенной излучающей поверхности (светящийся газ, область рассеивающей свет среды, источник сложной структуры — например туманность в астрономии, когда нас интересует его яркость в целом), тогда под поверхностью источника можно иметь в виду условно выбранную ограничивающую его поверхность или просто убрать слово "поверхность" из определения.

Вообще говоря яркость источника зависит от направления наблюдения, хотя во многих случаях излучающие или диффузно рассеивающие свет поверхности более или менее точно подчиняются [3]

$<\displaystyle d^<2> I Я́ркость L, световая величина, равная отношению светового потока \Phi >$
к фактору геометрическому " width="" height="" />
:

$<\displaystyle L=<\frac <d^<2> \Phi ><d\Omega dA\cos \theta >>>$
.

Здесь " width="" height="" />
— телесный угол, " width="" height="" />
— площадь участка, испускающего или принимающего излучение, " width="" height="" />
— угол между перпендикуляром к этому участку и направлением излучения. Из общего определения яркости следуют два практически наиболее интересных частных определения:

1) Яркость, излучаемая поверхностью " width="" height="" />
под углом " width="" height="" />
к нормали этой поверхности, равняется отношению силы света " width="" height="" />
, излучаемого в данном направлении, к площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению [4]

$<\displaystyle L=<\frac <dI> >>$

$<\displaystyle E> 2) Яркость — отношение освещённости$
в точке плоскости, перпендикулярной направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключён поток, создающий эту освещённость:

$<\displaystyle L=<\frac <dE> <d\Omega \cos \theta >>>$

Яркость измеряется в кд м −2 . Из всех световых величин яркости наиболее непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещённости изображений предметов на сетчатке пропорциональны яркостям этих предметов. В системе энергетических фотометрических величин аналогичная яркость величина называется энергетической яркость и измеряется в вт ср −1 м −2 .

Рис. 1. Яркость светимости небесных тел

II Я́ркость (в астрономии)

характеристика излучательной или отражательной способности поверхности небесных тел. Яркость слабых небесных источников выражают звёздной величиной площадки размером в 1 квадратную секунду, 1 квадратную минуту или 1 квадратный градус, то есть сравнивают освещённость от этой площадки с освещённостью, даваемой звездой с известной звёздной величиной. Так, яркость ночного безлунного неба в ясную погоду, равная 2×10 −8 стильб, характеризуется звёздной величиной 22,4 с 1 квадратной секунды или звёздной величиной 4,61 с 1 квадратного градуса. Яркость средней туманности равна 19—20 звёздной величины с 1 квадратной секунды. Яркость Венеры — около 3 звёздных величин с 1 квадратной секунды. Яркость площадки в 1 квадратную секунду, по которой распределён свет звезды нулевой звёздной величины, равна 9,25 стильб. Яркость центра солнечного диска равна 150 000 стильб, а полной Луны 0,25 стильб. Поверхность, у которой яркость не зависит от угла наклона площадки к лучу зрения, называется ортотропной; испускаемый такой поверхностью поток с единицы площади подчиняется См. также

Светотехнические величины: световой поток, сила света, освещенность, светимость, яркость

Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по производимому ею световому ощущению. Энергия излучения определяется количеством квантов, которые излучаются излучателем в пространство. Энергию излучения (лучистую энергию) измеряют в джоулях. Количество энергии, излучающейся в единицу времени называется потоком излучения или лучистым потоком. Измеряется поток излучения в ваттах. Световой поток обозначается Фе.

где: Qе - энергия излучения.

Поток излучения характеризуется распределением энергии во времени и в пространстве.

В большинстве случаев, когда говорят о распределении потока излучения во времени, не учитывают квантового характера возникновения излучения, а понимают под этим функцию, дающую изменение во времени мгновенных значений потока излучения Ф(t). Это допустимо, поскольку число фотонов, излучаемых источником в единицу времени, очень велико.

По спектральному распределению потока излучения источники разбивают на три класса: с линейчатым, полосатым и сплошным спектрами. Поток излучения источника с линейчатым спектром состоит из монохроматических потоков отдельных линий:

где: Фλ — монохроматический поток излучения; Фе - поток излучения.

У источников с полосатым спектром, излучение происходит в пределах достаточно широких участков спектра - полос, отделенных одна от другой темными промежутками. Для характеристики спектрального распределения потока излучения со сплошным и полосатым спектрами пользуются величиной, которая называется спектральной плотностью потока излучения

где: λ — длина волны.

Спектральная плотность потока излучения - это характеристика распределения лучистого потока по спектру и равняется отношению элементарного потока ΔФeλ соответствующего бесконечно малому участку, к ширине этого участка:

Спектральная плотность потока излучения измеряется в ваттах на нанометр.

В светотехнике, где основным приемником излучения является глаз человека, для оценки эффективного действия потока излучения, вводится понятие светового потока. Световой поток - это поток излучения, оценивающийся его действием на глаз, относительная спектральная чувствительность которого определяется усредненной кривой спектральной эффективности, утвержденной МКО.

В светотехнике используется и такое определение светового потока: световой поток - это мощность световой энергии. Единица светового потока - люмен (лм). 1лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кандела.

Таблица 1. Типичные световые величины источников света:

Типы ламп	Электрическая энергия, Вт	Световой поток, лм	Световая отдача лм/вт
Лампа накаливания	100 Вт	1360 лм	13,6 лм/Вт
Люминесцентная лампа	58 Вт	5400 лм	93 лм/Вт
Натриевая лампа высокого давления	100 Вт	10000 лм	100 лм/Вт
Натриевая лампа низкого давления	180 Вт	33000 лм	183 лм/Вт
Ртутная лампа высокого давления	1000 Вт	58000 лм	58 лм/Вт
Металлогалогенная лампа	2000 Вт	190000 лм	95 лм/Вт

Световой поток Ф, падая на тело, распределяется на три составные части: отраженную телом Ф ρ , поглощенную Ф α и пропущенную Ф τ . При светотехнических расчетах используют коэффициенты: отражения ρ = Ф ρ /Ф; поглощения α =Ф α /Ф; пропускания τ =Ф τ /Ф.

Таблица 2. Световые характеристики некоторых материалов и поверхностей

Материалы или поверхности	Коэффициенты			Характер отражения и пропускания
Материалы или поверхности	отражения ρ	поглащения α	пропускания τ	Характер отражения и пропускания
Мел	0,85	0,15	-	Диффузное
Эмаль силикатная	0,8	0,2	-	Диффузное
Алюминий зеркальный	0,85	0,15	-	Направленное
Зеркало стеклянное	0,8	0,2	-	Направленное
Стекло матированное	0,1	0,5	0,4	Направленно-рассеянное
Стекло молочное органическое	0,22	0,15	0,63	Направленно-рассеянное
Стекло опаловое силикатное	0,3	0,1	0,6	Диффузное
Стекло молочное силикатное	0,45	0,15	0,4	Диффузное

Распределение излучения реального источника в окружающем пространстве не равномерно. Поэтому световой поток не будет исчерпывающей характеристикой источника, если одновременно не определяется распределение излучения по разным направлениям окружающего пространства.

Для характеристики распределения светового потока пользуются понятием пространственной плотности светового потока в разных направлениях окружающего пространства. Пространственную плотность светового потока, определяющуюся отношением светового потока к телесному углу с вершиной в точке размещения источника, в пределах которого равномерно распределен этот поток, называют силой света:

где: Ф — световой поток; ω — телесный угол.

Единицей силы света является кандела. 1 кд.

Это сила света, испускаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела, площадью 1:600000 м2 при температуре затвердевания платины.
Единица силы света — кандела, кд является одной из основных величин в системе СИ и соответствует световому потоку 1 лм, равномерно распределенному внутри телесного угла 1 стерадиан (ср.). Телесный угол — часть пространства, заключенная внутри конической поверхности. Телесный угол ω измеряется отношением площади, вырезаемой им из сферы произвольного радиуса, к квадрату последнего.

Освещенность - это количество света или светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Она обозначается буквой Е и измеряется в люксах (лк).

Единица освещенности люкс, лк имеет размерность люмен на квадратный метр (лм/м2).

Освещенность можно определить как плотность светового потока на освещаемой поверхности:

Освещенность не зависит от направления распространения светового потока на поверхность.

Приведем несколько общепринятых показателей освещенности:

Лето, день под безоблачным небом - 100 000 люкс

Уличное освещение - 5-30 люкс

Полная луна в ясную ночь - 0,25 люкс

4. Отношение между силой света (I) и освещенностью (Е).

Закон обратных квадратов

Освещенность в определенной точке на поверхности, перпендикулярной к направлению распространения света, определяется как отношение силы света к квадрату расстояния от этой точки до источника света. Если данное расстояние мы примем за d, то это отношение можно выразить следующей формулой:

Для примера: если источник света излучает свет силой 1200 кд в направлении, перпендикулярном к поверхности, на расстоянии 3-х метров от этой поверхности, то освещенность (Ер) в точке, где свет достигает поверхности, будет 1200/32 = 133 лк. Если поверхность находится на расстоянии 6м от источника света, освещенность будет 1200/62= 33 лк. Это отношение называется "закон обратных квадратов" .

Освещенность в определенной точке на поверхности, не перпендикулярной направлению распространения света, равняется силе света в направлении точки измерения, разделенной на квадрат расстояния между источником света и точкой на плоскости умноженной на косинус угла γ ( γ - угол, образованный направлением падения света и перпендикуляром к этой плоскости).

Это закон косинуса (рисунок 1.).

Рис. 1. К закону косинуса

5. Горизонтальная освещенность

Для расчета горизонтальной освещенности целесообразно изменить последнюю формулу, заменив расстояние d между источником света и точкой измерения на высоту h от источника света к поверхности.

Здесь dW-заполненный излучением телесный угол, dA-площадь участка, испускающего или принимающего излучение, q - угол между перпендикуляром к этому участку и направлением излучения. Из общего определения яркости следует два практически наиболее интересных частных определения: 1) Яркость - отношение силы света dI элемента поверхности к площади его проекции, перпендикулярной рассматриваемому направлению: L = dI/dAcosq. 2) Яркость - отношение освещённости dE в точке плоскости, перпендикулярной направлению на источник, к элементарному телесному углу, в котором заключён поток, создающий эту освещённость:

Яркость измеряется в кд . м -2 . Из всех световых величин яркость наиболее непосредственно связана со зрительными ощущениями, так как освещённости изображений предметов на сетчатке глаза пропорциональны яркости этих предметов. В системе энергетических фотометрических величин аналогичная яркости величина называется энергетической яркостью и измеряется в Вт•ср -1 •м -2 .

Знаете ли Вы, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.

Мы окружены

Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.

От света к цвету и обратно

Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.

Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.

Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.

Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).

Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.

Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения

Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.

Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения

Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).

Цветовой тон (hue)

– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.

Яркость (Brightness)

Светлость (Lightness)

– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.

– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.

Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).

Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.

Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop

Цвет объектов

Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.

Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.

— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.

— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.

— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.

Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).

Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра

Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.

Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра

Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.

Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра

Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.

В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.

Читайте также: