Promieniowanie

Promieniowanie (radiacja) jest zjawiskiem wysyłania lub

przenoszenia energii za pomocą fal

elektromagnetycznych

Źródłem promieniowania mogą być:

- naturalne zjawiska zachodzące w przyrodzie
- zjawiska sztuczne, wymuszone przez człowieka.
Najpopularniejszym źródłem promieniowania jest ciało rozgrzane

do określonej temperatury.

Mówimy wtedy o

promieniowaniu temperaturowym

Promieniowanie może mieć genezę inną niż temperaturowa.

Wówczas nazwane będzie ono luminescencją. Może być

następstwem przejścia atomu lub cząsteczki z wyższego stanu

energetycznego do niższego. Bardzo często źródłem takiego

promieniowania jest wyładowanie w gazie, w parach metali. Jeśli

źródłem promieniowania jest rekombinacja nośników (dziur i

elektronów) w złączu półprzewodnikowym, to mówimy o

promieniowaniu elektroluminescencyjnym

Promieniowanie, jako zjawisko, można interpretować w ujęciu zarówno

falowej jak i korpuskularnej teorii światła. W technice świetlnej
przyjęło się opierać opis ilościowy zjawisk i wielkości świetlnych oraz
cechy jakościowe oświetlenia na teorii falowej — na promieniowaniu
elektromagnetycznym.

Prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych jest w danym

środowisku stała i wynosi w próżni

Cechą charakterystyczną promieniowania jest określona długość fali

(częstotliwość drgań fotonów) niosącej energię lub określony
zakres długości fal, jeżeli dane promieniowanie niesie energię nie
na jednej długości fali, lecz w pewnym zakresie. Związek między
długością fali



, jej prędkością rozchodzenia się c i częstotliwością

drgań f określa znana zależność

 = c/f

W zależności od tego, jak promieniowanie

wykorzystuje przedział długości fal, dokonuje się
kolejnego podziału promieniowania

.

-

Promieniowanie monochromatyczne

do

przenoszenia energii wykorzystuje jedną długość fal

-

Promieniowanie heterochromatyczne

energia

promieniowania przenoszona jest na kilku
długościach fali

-

Promieniowanie ciągłe

przenoszenie energii jest

na wszystkich długościach fal

.

Promieniowanie, szczególnie światło, niesie

energię a więc posiada:

-

cechy ilościowe

-

cechy jakościowe

.

Do cech ilościowych zalicza się mierzalne,

wartościowane właściwości, m.in.

ilość energii

promienistej, moc promieniowania

, i one

właśnie decydują o intensywności zjawisk.

A cechy jakościowe, chociażby takie jak

widmo

promieniowania

, decydują o wierności odbioru

barwy oświetlanych obiektów.

Heterochromatyczne, prążkowe
widmo promieniowania

Monochromatyczne
promieniowanie

Widmem promieniowania nazywa się obraz rozłożonego na składniki
monochromatyczne promieniowania elektromagnetycznego. Z pojęciem
widma należy zatem kojarzyć obraz wizualny, który dla światła może być
uzyskany w wyniku wprowadzenia na drodze między źródłem światła a
ekranem, elementu rozszczepiającego, np. pryzmatu lub siatki
dyfrakcyjnej . Widmo informuje o zakresie fal, które biorą udział w
promieniowaniu, nie określając cech ilościowych poszczególnej długości
fali.

Rozkład widmowy promieniowania
żarowego źródła światła

Rozkład widmowy jest to zależność określonej cechy ilościowej
(najczęściej mocy) od długości fali. Jest to najczęściej wykres P =f(

) lub Φ

= f() który, oprócz zakresu długości fali objętych danym rodzajem

promieniowania, pokazuje w wartościach względnych lub bezwzględnych,
ile mocy przypada na poszczególne długości fali

Promieniowanie elektromagnetyczne podział ze względu na specyfikę
oddziaływania

Promieniowania ważne z punktu widzenia techniki
świetlnej

PARAMETRY CHARAKTERYZUJĄCE

PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

- Ilość energii promienistej Q

-ilość energii wysłanej przez źródło

promieniowania:

-Moc promienista P

- jest to moc przenoszona lub dostarczona przez

promieniowanie, tożsamym pojęciem jest strumień energetyczny Φ

e

.

Moc promienista (strumień energetyczny) obliczona może być jako
suma (całka) widmowych gęstości mocy Φ

e

(.) tworzących rozkład

widmowy promieniowania:

gdzie: Φ

e

() oznacza rozkład widmowy gęstości mocy

promienistej.

Moc promienistą można również wyrazić poprzez związek energii

promienistej i czasu, a mianowicie jako

Sprawność źródła promieniowania

jest to iloraz mocy

wypromieniowanej przez to źródło i mocy przez nie pobranej:

Natężenie promieniowania

charakteryzuje gęstość kątową strumienia

energetycznego w określonym kierunku przestrzeni:

Odnosząc strumień energetyczny Φ

e

(moc) do jednostki powierzchni

promieniującej dS, wprowadza się pojęcie

gęstości

powierzchniowej strumienia energetycznego M

e

Wielkość tę można również określić dla konkretnej długości fali
promieniowania i wówczas dysponuje się

monochromatyczną gęstością

powierzchniową mocy M

e



Natężenie promieniowania I

e

odniesione do powierzchni promieniującej, a

dokładniej do jej pozornej wielkości S', określa tzw.

luminancję

energetyczną L

e

Jeżeli strumień energetyczny Φ

e

odniesiony zostanie do jednostki

powierzchni dA, na którą pada, wówczas można mówić o

natężeniu

napromienienia E

e

Pojęcia luminancji energetycznej i natężenia napromienienia mogą się

odnosić do bardzo wąskiego przedziału d

 długości fal. W takim

przypadku

monochromatyczną luminancję energetyczną L

e

,



i

monochromatyczne natężenie napromienienia E

e



określają

wyrażenia:

Wzorcem promieniowania, opisanym matematyczną funkcją, jest promieniowanie ciała

czarnego rozgrzanego do określonej temperatury. Rozkład widmowy egzytancji

promienistej tego wzorcowego promieniowania opisuje prawo Plancka .

Egzytancja promienista M

e

wyraża moc promienistą odniesioną do jednostki

powierzchni promieniującej, tak więc można łatwo tę funkcję wyrazić w postaci

mocy promienistej, mnożąc wyrażenie przez rzeczywistą wielkość powierzchni

promieniującej.

Jeśli zróżniczkuje się wyrażenie względem długości fali



i przyrówna do zera, otrzyma

się zależność nazywaną prawem Wiena, określającą związek między długością fali,

dla której występuje maksimum egzytancji promienistej, a temperaturą:

Jeśli obliczoną z zależności długość fali 

ma)s

wstawi się do równania Plancka, to otrzyma

się maksymalną względną egzytancję promienistą M

e

Xmax

w temperaturze T

Kształt funkcji opisującej promieniowanie
ciała czarnego

Temperatura, przy której egzytancja osiągnie maksimum dla określonej
długości fali

Krzywe monochromatycznej
egzytancji promieniowania ciała
czarnego, dla różnych wartości
temperatury, na tle zakresu
widzialnego promieniowania

Zmiana położenia maksimum egzytancji promienistej (mocy) rozkładu

widmowego promieniowania ciała czarnego w funkcji temperatury
skutkuje tym, że światło promieniowane przez ciało czarne, rozgrzane do
temperatury o różnej wartości, będzie miało różną barwę, czyli wraz ze
wzrostem temperatury maksimum przesuwa się w stronę fal krótszych.
Jeżeli uwzględnimy ten fakt oraz cechy widma światła białego i
odpowiadających mu długości fal to dojdziemy do wniosku, że im wyższa
temperatura ciała czarnego, tym więcej w promieniowaniu jest barwy
niebieskiej, i odwrotnie, we względnie niższej temperaturze ciała
czarnego będzie większa zawartość barw ciepłych, czerwonych. Tak więc,
ciało czarne, a dokładniej jego temperatura, służy jako odniesieniowy
model barwy światła. W otaczającej nas rzeczywistości dostrzega się
wiele źródeł światła, których promieniowanie uznawane jest za białe,
jednak nawet gołym okiem dostrzega się istotną różnicę w odcieniu bieli i
aby ją wartościować, trzeba wprowadzić parametr mierzalny, techniczny.
Ta potrzeba legła u podstaw wprowadzenie pojęcia temperatury
barwowej.

Temperatura barwowa T

c

[K]

danego źródła światła jest to temperatura

ciała czarnego, które promieniuje światło o barwie identycznej z barwą
tego źródła.

Temperaturą rozkładu T

r

danego

promieniowania
nazywa się taką temperaturę ciała czarnego, przy

której rzędne rozkładu widmowego tego
promieniowania są proporcjonalne ściśle lub w
przybliżeniu do rzędnych promieniowania ciała
czarnego w tej temperaturze.

Temperaturą równoluminancyjną T

L

[K]

danego
promieniowania nazywa się taką temperaturę
promieniowania ciała czarnego, które dla
określonej długości fali (bardzo często dla 655
nm)
charakteryzuje się identyczna wartością
widmowej
egzytancji energetycznej co rozpatrywane
promieniowanie .

Względna skuteczność świetlna promieniowania

monochromatycznego V



(dla długości fali () jest to stosunek mocy

promienistej Φ

e

(

max

) na długości fali 

max

do mocy promienistej Φ

e

() na

długości fali , które w określonych warunkach fotometrycznych

wywołują wrażenia świetlne o tej samej intensywności. Wartość długości
fali 

max

została tak dobrana, że największa wartość tego stosunku wynosi

1

Strumień świetlny Φ

jest to wielkość fotometryczna wywiedziona od

strumienia energetycznego (mocy promienistej), na podstawie oceny
promieniowania za pomocą odbiornika, którego względna czułość
widmowa odpowiada czułości widmowej oka przystosowanego do
jasności.

Skuteczność świetlna promieniowania K

jest to stosunek strumienia

świetlnego Φ do odpowiadającego mu strumienia energetycznego Φ

e

(mocy promienistej):

Sprawność optyczna promieniowania O

jest to iloraz mocy

promienistej z zakresu widzialnego oraz całkowitej mocy promienistej
danego promieniowania (źródła światła):

Ilość światła Q

jest to suma (całka) iloczynów chwilowych wartości

strumieni świetlnych Φ(t) oraz czasu ich trwania dt:

Skutecznością świetlną źródła światła



nazywa się iloraz strumienia

świetlnego wypromieniowanego ze źródła oraz mocy do niego
dostarczonej

Światłością

w danym kierunku I(C, y) punktowego źródła światła

lub elementu powierzchni niepunktowego źródła światła nazywa
się iloraz elementarnego strumienia świetlnego dΦ
wypromieniowanego we wnętrze nieskończenie małego stożka
obejmującego dany kierunek, oraz kąta bryłowego d

 tego stożka:

Natężenie oświetlenia E

w danym punkcie powierzchni jest to iloraz

elementarnego strumienia świetlnego dΦ padającego na powierzchnię dS,
stanowiącą elementarne otoczenie danego punktu, oraz jej wartości.
definicja równoważna:

Natężenie oświetlenia E

w danym punkcie powierzchni jest to suma działania

wiązek świetlnych o luminancji L(C,y), które z obszaru pól - przestrzeni widzianej z
danego punktu oświetlają ten punkt powierzchni.

Cylindrycznym natężeniem oświetlenia E

Z

w danym punkcie nazywa

się średnie pionowe natężenie oświetlenia obliczone w tym punkcie dla
chwilowych położeń pionowych płaszczyzn w trakcie ich pełnego obrotu
wokół pionowej osi przechodzącej przez dany punkt

Półcylindrycznym natężeniem oświetlenia E

HZ

w danym punkcie

nazywa się średnie pionowe natężenie oświetlenia obliczone (zmierzone) w
tym punkcie dla chwilowych położeń pionowych płaszczyzn w trakcie ich
półobrotu wokół pionowej osi przechodzącej przez dany punkt

Interpretacja graficzna

Sferycznym natężeniem oświetlenia E

O

w danym punkcie nazywa się

średnie natężenie oświetlenia dla wszystkich chwilowych położeń
płaszczyzn zawierających dany punkt

Luminancja

danego punktu P powierzchni, w danym kierunku (C, y)

jest to iloraz elementarnej światłości I(C, y), jaką cechuje się
nieskończenie małe otoczenie ds punktu P w tym kierunku, oraz pola
pozornej powierzchni dS' tego otoczenia, widzianego z tego kierunku

Kontrast

(w subiektywnym znaczeniu) jest to różnica w wyglądzie dwóch

części pola widzenia oglądanych równocześnie lub kolejno.

Egzytancja M

w danym punkcie powierzchni promieniującej jest

iloraz elementarnego
strumienia świetlnego wypromieniowanego z elementarnego pola dA
otaczającego dany punkt oraz powierzchni tego pola:

Naświetlenie H

jest to gęstość powierzchniowa ilości światła dQ

padającego na elementarną powierzchnię dA.
definicja równoważna:

Naświetlenie H

jest to suma po czasie iloczynów chwilowych

wartości natężenia oświetlenia E(t) w danym punkcie oraz czasu
trwania dt.