книги / Изобретенческая реальность принципы достижения технических преимуществ в объектах техники с помощью физических явлений, свойств и эффектов

те квантового излучения света активным веществом,то это приводит к генерации света через полупрозрачную отражающую поверхность. Многократное отражение излучаемого света отзеркальных поверхно- стей вынуждает его вновь и вновь проходить через возбуждённое ак- тивное вещество и, таким образом, многократно усиливаться за счёт эффекта резонансного усиления волны. Поэтому лазерный луч полу- чается в высокой степени параллельным и когерентным,то есть неот- личимым от света вынуждающего активное вещество светиться.

Оценка цвета по длине волны, определяемая человеческим зре- нием, носит ориентировочный характер. Длина волны уменьшается в порядке расположения цветов в радуге от красного к фиолетовому цвету, которые плавно перетекают один в другой.

Для разложения сложного излучения, каким является видимый свет, в спектр (с лат. «видение») волн различной длины используют призму или дифракционную решётку. Красный цвет соответствует длине волны около 700 нм,оранжевый —около 630 нм,жёлтый —око- ло 590 нм, зелёный — около 520 нм, голубой — около 480 нм, синий — около 440 нм, фиолетовый — около 420 нм,тёмно-фиолетовый — око- ло 400 нм.

За пределами спектра человек ничего не видит, но существование электромагнитных волн обнаруживается. Волны, имеющие большую длину, чем красный свет, названы инфракрасными (открыты В. Гер- шелем, 1800 г.). Волны, имеющие длину меньшую, чем фиолетовый свет, названы ультрафиолетовыми (открыты В. Волластоном, 1801 г.).

«Икс-лучи» (до несколько десятков нм и более короткие) ультра- фиолетового диапазона обнаружены В. Рентгеном (1895 г.) при ис- следовании катодных лучей. Они обладают сильной проникающей способностью (жёсткостью излучения) через вещество (так как слабо ими поглощаются) и способностью вызывать химические процессы (вызывать фосфоресценцию, почернение фотобумаги), ионизировать газы. Непрозрачные для света материалы оказываются прозрачными для таких лучей (пластинка свинца задерживает рентгеновские лучи сильнее, чем пластинка из алюминия той же толщины, стекла содер- жащие свинцовые соединения прозрачны для света, но задержива- ют рентгеновские лучи). Это свойство используется как техническое преимущество при обнаружениидефектовлитья,дефектов внутриде- талей машин, при изучении структуры кристаллов. Особое значение свойства лучей приобрели в медицине, в частности для определения характера изменений внутри организма,атак же для лечения некото- рых болезней (относится к лучевой терапии).

В устройстве рентгеновской трубки (рисунок на стр. 231) рентге- новскиелучивозникаюттам,гдепучокускоренныхэлектроновтормо- зится (останавливается), ударяясь о специальную преграду — антика-

230

тод,который изготавливается изтугоплавких металлов и охлаждается от сильного перегрева проточной водой.

В современных рентгеновских трубках мишенью является охлаж- даемый водой анод.

Разогнанный электрон окружён магнитным полем и представляет собой электрический ток. При его торможении происходит измене- ниемагнитногополя,котороевызываетизлучениеэлектромагнитной волны в виде рентгеновских лучей.

Световым лучом в оптике называют геометрическую линию, ука- зывающую лишь направление распространения света, а не бесконеч- но узкий световой пучок.

Угол отражения светового луча равен углу падения (j = –j 1 или sin j/sin j 1= –1). Отражённый и падающий лучи могут меняться ме- стами благодаря свойству обратимости направления световых лучей. Закон отражения является частным случаем закона преломления при относительном показателе преломления равным –1. При попадании светанаполированнуюповерхностьпроводника(серебро,алюминий) в ионных узлах возникают колебания электронов (переменный ток), электромагнитное поле которых противодействует этому воздей- ствию, что приводит к полному отражению света.

Показатель преломления или отношение синусов углов падения

ипреломления луча света относительно перпендикуляра к поверх- ности раздела сред величина постоянная, не зависит от угла падения

иопределяется лишь оптическими свойствами граничащих сред (из- меняется скорость распространения электромагнитной волны — све- та). Показатель преломления, когда свет падает из вакуума в любую среду,называетсяабсолютнымпоказателемпреломленияданнойсре- ды. Относительный показатель преломления при переходе из первой среды во вторую равен отношению абсолютных показателей прелом-

ления второй и первой сред (n = n2/n1). Падающий и преломленный лучи (так же как и отражённый и падающий лучи) могут меняться ме- стами, благодаря свойству обратимости направления световых лучей,

231

и, отразившись точно назад, луч проходит всю систему отражающих и преломляющих сред в обратном направлении и возвращается к сво- ему источнику (1/ n = n1 / n2).

В изобретении а. с. 415516 на «Способ измерения температуры во вращающихся и труднодоступных местах объектов» о темпера- туре измеряемого места судят по показателю преломления света, пропущенного через облучённое и получившее отжиг алмазное зер- но. Облучённое зерно становится меньше по плотности (и больше по объёму). После применения такое алмазное зерно частично вос- станавливает свою плотность в результате отжига при измерении температуры, а его показатель преломления становится соответ- ствующим температуре данного места объекта. Облучённое алмаз- ное зерно, получившее отжиг в результате применения, становится оптическим термометром.

Свет, распространяющийся в среде оптически плотной, при паде- нии на границу раздела со средой оптически менее плотной, начиная с некоторого угла падения,весь отражается от границы этого раздела.

Явление названо полным внутренним отражением.

Полное внутреннее отражение наблюдается на границе воздушных пузырьков в воде (они блестят), на границе стекла с воздухом (пре- дельный угол падения — 35 0 ÷ 40 0), а также алмаза с воздухом, гли- церина с воздухом. Это явление применяется в устройствах стеклян- ных поворотных призм (перископы) и оборачивающих призм (вместо системы зеркал), а также в оптических волноводах и оптическом во- локне (волоконная оптика). Рисунки поворотной и оборачивающей призм, оптического волокна показаны ниже.

232

Цветные лучи, преломляемые призмой, отклоняются на различ- ные углы (открытие Ньютона). Свет различного цвета характеризует- ся разными показателями преломления в данном веществе призмы (дисперсией — с лат. «разброс»),то есть, показатель преломления (на- правленногопропускания)веществазависитотдлинысветовойволны (от его цвета). Показатель преломления фиолетовых лучей наиболь- ший, за ним следуют синие лучи, голубые, зелёные, жёлтые, оранже- вые и красные, имеющие наименьший показатель преломления.

Белый естественный свет,как сложный светразлагаемый призмой, представляет собой совокупность или единое целое множества моно- хроматических цветов (или одноцветных, с одной длиной волны).

Разложение белого света в спектр может быть заменено на сме- шение цветов спектра для получения белого или другого цвета света. В цветном телевидении применяются три основных цвета (красный, зелёный и синий), при смешивании которых получают все остальные цветаиоттенки(аддитивныйцвет).Дляполучениябелогоиспользуют два цвета, которые дополняют друг друга до белого: оранжевый и го- лубой, жёлто-зелёный и фиолетовый, красный и голубовато-зелёный, жёлтый и синий. При вычитании цветов получают субтрактивный цвет.

Смешение красок даёт совершенно иные результаты, чем смеше- ние цветов света. Частицы красок и их слои избирательно рассеивают белый свет.

Например, если в краске замешаны частицы красного и зелёного цветов, то свет рассеиваемый красными частицами поглощает зелё- ный цвет, из-за чего свет почти не выходит, и краска кажется тёмной.

Чёрными кажутся тела, полностью поглощающие видимый свет, например, сажа или отверстие в модели абсолютно чёрного тела (представляющего собой замкнутую сферическую закопчённую по- лость с одним малым отверстием).

Хлорофилл —зелёное вещество влистьях растений,придающее им зелёный цвет. Спиртовой раствор хлорофилла на просвет красный, а при отражении — зелёный. Цветные тела при освещении цветным светом меняют оттенки от яркого днём до тусклого и чёрного при ис- кусственном или вечернем освещении.

Многие живые существа на Земле приобрели защитную окраску (с помощью мимикрии).Маскировка на местности при дневном осве- щении, в котором преобладает жёлто-зелёная часть спектра и к кото- рой особо чувствительно зрение человека, позволяет скрывать тела отражающие длины волн тех же значений, что и окружающий их фон. Если замаскированные тела наблюдать через цветные фильтры (фио- летовый или синий) или фотографировать, то они выпадают из окру- жающего фона (демаскируются).

233

Свет Солнца рассеянный атмосферой превращается в голубой цвет неба. При восходе и закате Солнце приобретает красноватый от- тенок или становится совершенно красным,тогда прямой светотнего проходит через максимальную толщу воздуха содержащего частицы пыли и влаги.

Спектры светящихся тел рисуют процессы, происходящие в ато- мах и молекулах составляющих вещество тел. Спектральный аппарат (спектроскоп или спектрограф) позволяет наблюдать различные типы спектров веществ. Сплошные спектры получают от свечения твёрдых и жидких тел, линейчатые или полосатые спектры — от све- чения газов или паров малой плотности.

Газы состоят из атомов и, следовательно, линейчатые спектры ис- пускаются светящимися атома или молекулами. Каждому атому (хи- мическому элементу) соответствует определённые присущие только ему спектральные линии. Это позволило определять состав химиче- ских соединений с помощью спектрального анализа.Наличие опреде- лённых спектральных линий указывает на присутствие в изучаемом веществе соответствующего им элемента, а интенсивность этих ли- ний — на количество (концентрацию) этого элемента.

С помощью спектральных установок на заводах выполняются бы- стрые (в течение 1 мин.) анализы состава поступающих материалов (входной контроль). Свет, проходя через вещество (в виде раствора), теряет некоторые участки спектра или они оказываются ослабленны- ми. Потерянные или ослабленные длины волн (или цвета) поглоща- ются данным веществом. Полученный спектр называют спектром по- глощения, он зависит от поглощающего вещества. У разных веществ области поглощения получаются в разных местах спектра и имеют разную ширину и интенсивность.

Характерными спектрами поглощения обладают пары металлов, состоящих из отдельных атомов.

Линии спектра поглощения атомов точно соответствует их ли- ниям испускания (закон Кирхгофа). Сплошной спектр Солнца имеет значительное число чёрных линий (линий поглощения) поучивших название фраунгоферовых линий (по имени И. Фраунгофера,открыв- шего их).Эти линии являются линиями поглощения паров различных металлов, которые составляют атмосферу вокруг Солнца. Поэтому спектр Солнца фактически спектр поглощения этих паров. Пользуясь законом Кирхгофа, то есть сравнивая положения линий поглощения с линиями испускания различных элементов, позволило установить состав атмосферы вокруг Солнца и открыть ранее неизвестный эле- мент — гелий (с греч. «солнце»). Этот способ применим для анализа состава других небесных тел окруженных атмосферой из паров эле- ментов, испускающих сплошной спектр.

234

Излучающая способность нагретых тел пропорциональна их по- глощательной способности при той же температуре. Раскалённое тело испускает только те длины волн, которые оно способно погло- тить при той же температуре (общий закон Кирхгофа). Излучающая

ипоглощающая способности относятся к одной итой жетемпературе,

иони зависят от температуры. Излучение раскалённых тел зависит от их температуры, с повышением температуры количество излуча- емой энергии увеличивается, что замечается по наиболее быстрому нарастанию интенсивности видимых лучей. Наибольшим испускани- ем при данной температуре обладаеттело,которое имеет максималь- ный коэффициент поглощения (равный 1 для всех длин волн). Таким телом является чёрное или абсолютно чёрное тело. Чёрное тело из- лучает в любой области спектра больше энергии, чем всякое другого тело, имеющее ту же температуру. Распределение энергии в спектре различных раскалённых тел близко по своему характеру. Максимум энергии зависиттолько оттемпературы излучающего тела (в том чис- ле излучающего чёрного тела,например,угля) и отражается в спектре перемещением этого максимума из инфракрасной области в область более коротких волн (в ультрафиолетовую область).

Эта связь пригодна для определения температуры светящихся (раскалённых)тел,на ней основана оптическая пирометрия,позволя- ющая определятьтемпературу расплавленного металла в плавильных печах,температуру расплавленной магмы.

Максимум излучения Солнца лежит в жёлто-зелёной части спек- тра, чему соответствует температура 5800K — эффективная темпера- тура поверхности Солнца.

Чувствительность зрения человека к свету различной длины вол- ны (или действие световой энергии на воспринимающие элементы глаза) различна при одной и той же мощности потока лучистой энер- гии. Максимально ощущение к зелёному цвету, а в стороны красного

ифиолетового цветов спектра оно быстро уменьшается (ощущение зелёного примерно в 100 раз больше, чем красного или фиолетового).

Измерение (фотометрия — основа теории светового поля, разра-

ботанной А. Гершуном) лучистой энергии основано на применении инструментальных методов — на применении фотоэлементов, тер- моэлементов, фотоматериалов.

Потоком лучистой энергии называется количество лучистой энер- гии, протекающей через площадку за единицу времени (измеряется в ваттах).

Точечный источник света — это источник, посылающий световой поток во все стороны равномерно (или одинаковую мощность во все стороны в телесном угле 4π стерадиан или пространственного ра- диана полного излучения — Fсферы/r 2), размеры которого весьма малы

235

по сравнению с расстоянием до места наблюдения (r). Прообразами точечных источников (светящих шариков или мелких монет) являют- ся звёзды, удалённые от Земли на огромных расстояниях, не смотря на то, они превосходят её размеры многократно.

Силой света называют отношение светового потока к величине те- лесного угла. Чем меньше телесный угол, тем больше сила света (как, например, в прожекторах с параболическим зеркалом).

Освещённостьнекоторой площадки называютотношение светово- го потока к величине этой площадки. Чем меньше площадь освеще- ния,тем лучше оно освещено.

Произведение силы света на величину телесного угла равно све- товому потоку. При телесном угле равным нулю, световой поток об- ращается в нуль, то есть получить очень тонкий пучок параллельных лучей физически невозможно. Углы, под которыми до нас доходят лучи удалённых звёзд, чрезвычайно малы, поэтому такие лучи не от- личаются от параллельных и могут считаться строго направленными. Пучки с острой направленностью (малой расходимостью) получают с помощью лазеров. Строго параллельный узкий пучок света — это геометрическое понятие, применяемое в оптике.

Освещённость площадки равна силе света, делённой на квадрат расстояния от точечного источника до неё (или обратно пропорцио- нальна квадрату расстояния — закон обратных квадратов И. Кепле- ра). Если размеры источника света сравнимы с расстоянием до осве- щённой площадки, то освещённость убывает медленней или вообще не меняется. Закон обратных квадратов выполняется, если размеры источника света меньше 0,1 расстояния до освещённой поверхности.

За единицу силы света принята сила света эталонного источника (испускающего монохроматическое излучение с частотой 540 . 10 12 Гц, энергетической силой в заданном направлении 1/683 ватт/стерадиан названа канделой — с лат. «свеча»).

Сила света «свечи» равна 1, для лампы накаливания она ˃ 100, для люминесцентной лампы ˃ 120.

За единицу светового потока принятлюмен (световой потокточеч- ного источника света величиной 1 канделу в телесном угле в 1 стера- диан). Полный световой поток = 4 π люмен.

За единицу освещённости принята освещённость 1 м 2 площадки, на которую падает световой поток в 1 люмен, названная люкс. Один люкс освещённости равен освещённости поверхности сферы радиуса 1 м полученной с помощьюточечного источника света в 1 канделу по- мещённого в её центр. Освещённость, например, экрана кинотеатра составляет 80 ÷ 120 люкс.

Яркостьисточник света,как отношение силы света излучаемой по- верхностью источника к площади её проекции на плоскость, перпен-

236

дикулярной оси наблюдения,измеряется в канделах на м 2 (естьтак же единица измерения «стильб» в системе СГС — 1 кандела/см 2, которая неприменяется).Например,яркостьночногобезлунногонебавясную погоду равна 2 . 10–4 кд/м 2. Яркость экрана кинотеатра 5 ÷ 10 кд/м 2.

Яркость источников света свыше 1,6 . 10 5 кд/м 2 вызывает болезнен- ные ощущения.

Рациональное освещение жилых, рабочих и общественных мест рассматривается светотехникой.

Для концентрации светового потока используют параболические отражательные поверхности —зеркальные параболоиды,в фокусе ко- торых размещаетсяточечный источник света.Лучи отражённые отта- кой поверхности имеет направление практически параллельное оси параболоида. Пучки лучей с незначительной расходимостью получа- ют с помощью лазеров.

Мы видим предметы благодаря тому, что они различным об- разом отражают, преломляют и поглощают падающий на них свет. Мы видим источник света, а не сам свет. Прозрачное тело,

имеющее показатель преломления такой же, что жидкость, в которую он помещён, становиться невидимым, так как световые лучи прохо- дят через него и жидкость, не меняя направления и интенсивности. Поглощение света характеризуется потерями светового потока (глав- ным образом на нагревание поглощающей поверхности, например, чёрной).

Сумма коэффициентов поглощения,отражения и пропускания (за- висящие от длины волны или цвета) равна единице. При отражении

ипропускании различают направленное (то есть, зеркальное, без из- менения телесного угла светового потока) и диффузное (то есть, рас- сеянное, с увеличением телесного угла светового потока) отражение

ипропускание. Диффузно отражающая поверхность у матовой бума- ги, диффузно пропускающим материалом является молочное стекло. Матовое стекло — это диффузно отражающая и пропускающая среда. Диффузно отражательная способность поверхности измеряют в аль- бедо (с лат. «белый»). Альбедо или коэффициент диффузного отра- жения это отношение светового потока рассеянного поверхностью

кпотоку, падающему на эту поверхность. Для снега альбедо < 0,9, для древесного угля < 0,04.

Поверхности при освещении представляютсобой протяжённые ис- точники света с большой поверхностью излучения. Яркость освещён- ной диффузно отражающей поверхности пропорциональна освещён- ности и тем больше, чем больше её альбедо.

Насыщенными без белесоватости, чистыми и глубокими являют- ся цвета спектра. Цвета покрытий на предметах менее насыщенные

ибывают белесоватыми. Причины этого в соотношении коэффици-

237

ентов поглощения, отражения и пропускания покрытий, их структур- ного и поверхностного строения. Многократные отражения преобла- дающего цвета повышает его насыщенность. Бархатные ткани дают насыщенные цвета благодаря многочисленным складкам и углубле- ниям.

Свет — это излучение, вызывающее в человеческой сетчатке гла- за ощущение яркости. Зрение человека максимально чувствитель- но к жёлто-зелёному участку спектра естественного света. Световое ощущение определяется освещенностью сетчатки или световым по- током,падающим на единицу её поверхности.При увеличении осве- щенной поверхности сетчатки световое раздражение каждого из её элементов не усиливается. Глаз человека субъективный, но чрезвы- чайно гибкий орган. Освещенность изображения на сетчатке остает- ся неизменной при удалении источника (так, например, удалённые на разное расстояние источники света видятся нам одинаково ярки- ми). Световой поток (то есть, освещённость сетчатки) в определён- ных пределах (10 ÷ 15 раз) может меняться благодаря способности зрачка расширяться и сужаться в зависимости от величины яркости освещения. Точечный источник света (например, звезда, рассма- триваемая под углом зрения менее 1 минуты) представляет собой изображение, которое падает на один светочувствительный элемент сетчатки, поэтому световое ощущение определяется суммарной ве- личиной его светового потока, а не освещённостью сетчатки.

На свойстве зрения человека, очень хорошо устанавливать равен- ство яркостей двух смежных поверхностей, основаны визуальные методы оценки световых величин. Не существует прибора более чув- ствительно интегрированного, чем глаз человека, но визуальная фо- тометрия применяется ограничено.

Подходами к измерению различных параметров света пригодного для восприятия человеческим зрением занят раздел прикладной фи- зики названный фотометрией.

Приборы, измеряющие параметры света, поступающие в глаз (на сетчатку) человека, называются фотометрами.

Во всех фотометрах для визуальных измерений роль зрения че- ловека сводится к установлению равенства яркостей двух смежных площадок, освещаемых сравниваемыми источниками. Установление различий имеет определённые трудности. Оба сравниваемых поля должны освещаться собственным источником под одним и тем же углом, а глаз наблюдателя должен рассматривать оба поля под одина- ковыми углами зрения.

В приборе «фотометрическая скамья» яркость двух полей сравне- ния одинакова, следовательно, силы света двух источников будет об- ратно пропорциональны квадратам расстояний от соответствующих

238

источников до экрана фотометра (основной закон оптики или закон обратных квадратов расстояний И. Кеплера).

Устройство одного из простейших фотометров представляет собой взаимно перпендикулярные трубы с призмой внутри (рисунок ниже).

Свет от сравниваемых источни- ков слева и справа падает на белые грани призмы и поступает в глаз на- блюдателя.

Применяются также средства из- меняющие яркость поля сравнения (что относится к способам осла- бления светового потока от одного

из источников) заключающиеся в том, что на пути потока вводится поглощающее тело, изменяющее яркость поля сравнения, например, поляризаторсанализатором,которыеполяризуютиослабляютпрохо- дящий световой поток соответственно своей взаимной ориентации.

Такое устройство (рисунок справа) представлено в виде двух клиньев из серо- го (поглощающего свет материала) стекла скользящих друг относительно друга.

Передвигаяих,изменяетсятолщинапо- глощающегослояитемсамым,изменяется степень поглощения светового потока, что легко проградуировать. Такой ослабитель света покажет, насколько меняется погло- щение при смещении клина на определен- ное расстояние.

Методы измерения в физической (электрической) фотометрии основаны на фотоэлектрическом эффекте.

Вфотометрах основным воспринимающим свет устройством яв- ляется фотоэлемент или фотоприёмник. Под действием света фото- элемент (содержащего полупроводниковый материал) вырабатывает электрический ток тем больший, чем больше освещенность фотоэле- мента, конечно, при условии, что вся поверхность фотоэлемента рав- номерно освещена.

Измерение освещенности с помощью такого фотометра сводится

кизмерению тока, протекающего через гальванометр, соединенного с фотоэлементом (фотодиодом).

Фотометры, приспособленные для непосредственного измерения освещенности, называются люксметрами.

Вфотографии и кинематографе световые величины измеряют- ся специальными люксметрами называемые фотоэкспонометрами, предназначенные для определения освещенности фотографируемого

239