Освітленість та яскравість | Одиниці виміру освітленості

Сьогодні буде велика історія про освітленість і яскравість. Теорія і практичні числа. Спочатку, ми поговоримо про датчики світла, на основі яких і розроблюються прилади. Це невеличкий вступ. Потім ми заглиблюємось і досить докладно, в одиниці вимірювання світла. 

Світлові датчики - це основа для всіх видів електронних автоматичних пристроїв - від дитячих іграшок до систем безпеки. Це і автоматичне включення вуличного освітлення, і аналогічні і прості в реалізації системи, які можуть бути встановлені у вашому будинку, що зручно і вигідно з точки зору безпеки. Також світлові датчики є частиною цілої групи вимірювальних пристроїв, прямо чи опосередковано.

Правда життя полягає в тому, що для різних завдань, життєвих обставин, виробничих процесів нам потрібна суворо дозована кількість світла. Не більше і не менше, але достатньо.
Занадто багато тепла від сонця може спалити нашу шкіру, і якщо "смажитись" без контролю, особливо якщо шкіра чутлива, то це може навіть спричинити рак шкіри.
Однак занадто мало сонця в нашому житті також може призвести до проблем зі здоров’ям. Тому наявність САМЕ ДОСТАТНЬОЇ КІЛЬКОСТІ світла має важливе значення.
Ось тут світлові датчики і виходять на сцену. Без цифрового значення рівня освітлення ми насправді сліпі. В переносному сенсі.

За визначенням датчик освітленості — це фотоелектричний прилад, який вимірює кількість світла (або інтенсивність освітлення) у заданій області простору. Важливо дотримуватись нормативів, тобто методики вимірювання, щоб отримати коректне значення.

Світловий сенсор перетворює світло, тобто потік фотонів у електричний сигнал.

Принцип дії датчиків світла заснований на фотоелектричному ефекті, який полягає в тому, що електромагнітне випромінювання (а світло це його різновид – піддіапазон на шкалі частот, як і рентгенівське випромінювання, інфрачервоне, ультрафіолетове) може збуджувати електрони в речовині при "бомбардуванні" фотонами.
На контактах датчика виникає різниця потенціалів, тобто при підключенні до схеми, проходить електричний струм, сила якого вимірюється, величина посилюється і передається на цифровий перетворювач.

Чим більша освітленість, тим вища сила струму.

Але ж струм не може збільшуватися нескінченно? Точніше треба переформулювати питання так. "Чи є максимальна межа освітленості, з якою ми стикаємося в нашому житті?"
Про це можна судити по верхній межі люксометрів, які представлені на ринку України.

• прості та недорогі – до 100 К Люкс;
• середній діапазон – до 200 К Люкс;
• найвища межа – до 400 К Люкс.

Але максимум він на те і максимум, що його рідко коли можна досягнути, хоча покупці часто купують не "впритул", а із запасом. Хоча тих же 400 000 Люкс досягти майже неможливо.
Неможливо у звичайних, мирних умовах. "А до чого тут мирні умови? І що означає “звичайні” ? Якось Ви дивно висловлюєтесь !" А це натяк на те, що ніколи і нікому не бажаємо дослідити на собі "ядерні" рекорди яскравості. Тому що тоді, щойно наведені, здавалося б справляючі враження, цифри здадуться "квіточками"...

Одиниці виміру освітленості

Кандели, Люмени, Люкси - як вони пов'язані ?

Однак ми трохи забігли вперед, оскільки вказали одиниці виміру освітленості, але не сказали, що вони означають. А одиниць цих декілька. І цей розділ буде пізнавально-освітнім, грунтовним, місцями з повтореннями, але тільки для того, щоб один раз і на все життя (звучить якось пафосно!) запам'ятати про одиниці виміру освітленості, щоб мозок розсортував, записав би все прочитане по невідомих схованках своїх нейронних ланцюжків.

З канделою вам швидше за все не доведеться мати справу.
З люменами ви відразу ж зіткнетеся, як тільки купуватиме собі наприклад світлодіодну лампу або розжарювання, де сила світлового потоку в Люменах вказується в технічних характеристиках і наводиться найчастіше зверху на упаковці.

Люкси, як ми вже зазначили у попередньому розділі, це ключовий і, по суті, єдиний параметр для всіляких вимірювачів освітленості.

Люкс і люмен пов'язані простою формулою: 1 лк дорівнює 1 лм/м²
Заглибимося в перелічені три одиниці виміру освітленості:

• Вважається, що Кандела це яскравість променя в одному напрямку.
• Тоді як люмен це світло, яке розповсюджується у всіх напрямках.
• А ось Люкс (Lux) – кількість люменів на одиницю площі, тобто світловий потік 1 люмен, що падає на площу 1 кв.м.

Як бачимо, з канделою ми ніяк, ні в побуті, ні в промисловості, справи не матимемо.
Хто працює із променем? Ну хіба що діти з іграшковим вогненним мечем!
Жарт.
А ось люмени та люкси зовсім інша справа. Вони об'ємні. Вони заливають світлом наприклад кімнату чи заводський цех.
То навіщо тоді потрібна кандела? Вона прабабуся... Гаразд, пояснимо на аналогії.
Еталон кілограма було зроблено ще наприкінці ХІХ століття. І на той момент його точності вистачало, щоб зробити копії, розіслати в інші місця зберігання і достовірність маси еталона з метрологічного погляду влаштовувала всіх. Рівень розвитку науки та технологій був таким (читай – невисоким).
Але оскільки за десятиліття, навіть століття, в яких би ідеальних умовах не зберігався еталон маси, все одно він змінює своє еталонне значення (усихає напевно!), тож у 2019 році фізичний еталон перестав відігравати свою роль. А одиницю маси визначили як:

Кілограм - ця величина встановлюється фіксацією чисельного значення постійної Планка h, яка рівна точно 6,62607015*10⁻³⁴.

А кандела тут до чого?
А при тому, що коли ви вибираєте ваги або вже щось зважуєте, вас не цікавить, скільки там одиниць цієї "таємничої планки" в конкретній вазі. Ви просто берете і вимірюваєте. Отримуєте грами, кілограми. І всі задоволені. Без дратівливих наукових пояснень.
Так само навіть найдосвідченішим фахівцям-практикам з вимірювання освітленості навряд чи колись у житті знадобиться визначення кандели:

Кандела (коротко – кд) позначається прийняттям фіксованого числового значення сили світла монохроматичного випромінювання частоти 540×10¹² світловою віддачею K_cd , яка складає 683 лм*Вт^-1

Отак і зі світлом. Математично-фізичні розрахунки залишимо їх розробникам. А ви просто берете та вимірюєте освітленість і отримуєте результат у люксах. Тому що наведене визначення кандели зрозуміють одиниці. А якщо й зрозуміють, то усвідомити масштаб цифр дуже складно. І не потрібно.
А навіщо взагалі так складно – планки якісь, монохроматичні частоти? Тому що вони незмінні. Як атомний годинник. Хоча, кажуть і що і постійна Планка не така вже постійна насправді і атомний годинник має похибку 1 секунду за 3,5 млрд. років. Але для скромних масштабів людського життя це справжні дрібнички. Не будемо лізти в цифри з багатьма нулями і фізичну термінологію, що вводить в тугу, а пояснимо якомога доступніше.

Як же все-таки “пізнати” цю канделу?! І потім підібратися до похідних одиниць освітленості - люменів та люксів.

Оскільки все дружне світлове тріо величин– і кандела, і люмен і люкс, пов'язані пов'язані один з одним!
Все-таки нехай стандарт кілограма, виготовлений з платини та іридію, вже застарів, але до його хоча б теоретично можна фізично доторкнутися. Але ж канделу не помацаєш. Тоді як хоча б наблизитися до розуміння кандели? Щоб по простому, по зрозумілому. По кроково. І справа навіть не в самій канделі, а щоб потім перейти до формул і залежностей, пов'язаних з канделою, похідною від неї – Люменів та Люксів.
Ну добре, давайте повільно рухатись вперед. Бо попереду ще багатенько цікавинок ! Уявіть, що кандела це ідеальний промінь світла.
Хоча вже саме це поняття "промінь світла", якщо в нього вдуматися, вже містить протиріччя! Будь-яке джерело, якщо його не помістити в трубу, це не промінь, а нескінченна сукупність променів. Де ви знайдете "чистий" промінь? На це ми зараз заплющимо очі, оскільки питання йде більше у сферу філології і словникового запасу. Але це важливо для подальшого розуміння.
І ще, крім терміну “промінь”, звернемо увагу на прикметник “ідеальний”.

1. Ідеальний промінь НЕ ПОВИНЕН РОЗСІЮВАТИСЯ з відстанню.
2. Ідеальний промінь поширюється лише по одній лінії, а не у всі боки.

Хороший приклад у цій частині – лазерна рулетка. У межах її зони дії (а це в середньому від 30 до 100 метрів, у всякому разі для будівництва, а для роботи в польових умовах, на місцевості, відстані можуть бути на порядок більше: 1000 і 1500 метрів!), тоненький червоненький промінчик, з певною похибкою звичайно, і задовольняє цим умовам.
Не розсіюється і “б'є” строго по одній лінії. А ось промінь світла від ліхтарика вночі, розходиться у вигляді конуса.

Тому що так спроектовано відбивач (рефлектор). Щоб підсвічувати зону площею в кілька сантиметрів, дециметрів або навіть метрів на великому віддаленні. Тобто ця світлова фігура вже не плоска, а просторова. Гостра вершина конуса виходить з ліхтарика, а кругла, що розширюється – "падає" на об'єкт, який ми підсвічуємо.
Це все уявити не складно. І не просто уявити, а навіть побачити хоча б раз у житті для тих, хто ходив із ліхтариком. Або хоча б їздив на авто вночі з увімкненими фарами. Там не гострі "точкові" промені, а світлові конуси. І вони спрямовані на обмежену область простору.

До речі, ліхтарик це чудовий приклад зв'язку люменів та люкс. Сила світла ліхтарика вимірюється в люменах (вона незмінна ! І залежить від матеріалів світлодіода або лампи розжарювання, напруги батарейки та інших конструктивних особливостей освітлювача), а ось сила світла на плоскій широкій, круглій частині конуса (області простору, куди падає світло, вже вимірюється в люксах, і залежить від площі (див. формулу вище: 1 лк дорівнює 1 лм/м², тобто Люкс=Люмен/Площа).
Отже, чим далі, тим менше освітленість в люксах. Тому що чисельник (Люмени) постійний, а знаменник (Площа) збільшується, тим самим зменшуючи підсумкове значення в Люксах. Ось чому ми вище акцентували увагу на строгому дотриманні методики вимірювань у частині відстані. Тому що зі збільшенням відстані від джерела до точки вимірювання світло розсіюється, відповідно зростає площа і значення в Люксах стає менше.

Ну це зрозуміло, але вибачте, виходить, що для свічки (кандели), яка світить тільки в одному напрямку і її ідеальний промінь не розсивається, і показник її в люменах незмінний, то і показник у люксах буде незмінний і не залежатиме від відстані, тому що промінь не розсіюється і площа постійна, на відміну від прикладу з ліхтариком ?

Саме так! У реальному житті такого не буває, але кандела це пам'ятник визнаний стандарт.
Продовжуємо рухатись далі до зв'язку одиниць виміру.
Уявімо, що ця умовна свічка (кандела) знаходиться в середині сфери (кулі).

І припустимо, що ця свічка світить не у вигляді променя, а поширює світло у всіх напрямах. Власне ж так і відбувається?
Щось на кшталт того, як поширювалася матерія і навіть створювався простір у момент Великого вибуху, розлітаючись на всі боки 14 млрд. років тому, внаслідок чого і виник наш Всесвіт. Хоча так воно було чи ні, ніхто не знає. Літописів цієї грандіозної події нема.
Або знову ж таки інший космічний приклад – наше Сонце, як і інші зірки, всередині яких уже мільярди років вирують термоядерні реактори. Сонце світить рівномірно на всі боки. 
Ми вже розуміємо на прикладі променя ліхтаря, що розширюється, що таке просторовий кут. Це конус.
А тепер спробуємо уявити собі кут, що утворюється, якщо світло поширюється з середини кулі у всі СТОРОНИ, а не в одну, як у ліхтарику.
Це вже не "кут", у нашому повсякденному розумінні! Тому ми й взяли його в лапки. І уявити його собі як “кут” вже непросто. Так само не просто уявити, як може існувати світ чотирьох, п'яти вимірів. Адже ми живемо в тривимірному світі (довжина, ширина, висота). А ось тарган, що тікає від тапка по підлозі, повертаючи, то вліво то вправо, живе у двомірному. Жарт.

Але не так важливо представляти сам цей кут візуально! Важливіше просто знати, що цей тілесний кут, так званий, тобто фактично сфера, заповнена світлом, має розмір 4 π ср (ср-стерадіан)

Так от, якщо 1 кандела як ми сказали, це одиничний промінь, то якщо помножити цей промінь на тілесний кут × 4π ср = 4π кд * ср, то результат множення буде рівний ≈12.57 лм.

Ось ми і знайшли зв'язок між канделами та люменами. Заодно й довідалися, з якою яскравістю світить ця гіпотечна і така, що раптово стала справжньою, кандела. З такою яскравістю, скажімо прямо, дуже і дуже мізерною і блідою, і світить середньостатистична свічка.
Ну а про наступний крок від люменів до люксів ми вже говорили. Нагадаємо ще раз – потрібно величину в люменах поділити на площу, куди це світловий потік падає.
Щоб ясніше зрозуміти взаємозв'язки між одиницями вимірювання освітленості, наведемо ще один приклад.
Уявімо світильник, який створює світловий потік в 1 Кд. Отже, на всі боки поширюються промені інтенсивністю 12,5 Люменів (як ми порахували вище).
Якщо ми закриємо світильник наполовину, він слабше світити від цього ж не стане! Оскільки світло, що виходить з нього, визначається його технологічними особливостями. Тому він, як і раніше, випромінюватиме 1 Кд. Але світловий потік у люменах зменшиться вдвічі і складе 6,25 лм. Бо світло заповнюватиме не всю сферу, а лише її половину.
Взагалі і 6,25 та 12,5 Лм це дуже мало світла. Газету при них точно не прочитаєш. Якщо подивитися на характеристики світлодіодних лампочок і стельових світильників, то там побачимо 1000 лм і більше.
Оскільки наша розповідь все-таки більше націлена на практичний вимір освітленості, то, звичайно, найбільший інтерес викликають саме  люкси.
Ну ось уявимо наприклад виробничий цех та декілька робочих столів. Кожен стіл нехай матиме певну площу. На столах розміщені інструменти, витратні матеріали. Так ось для того, щоб зберегти очі, з одного боку і можна було якісно виконувати роботу, чітко бачити навіть дрібну детальку на стільниці, з іншого, потрібно знати ЯКИЙ РІВЕНЬ ОСВІТНЕННЯ У ЛЮКСАХ падає на поверхню столу.

Окрім здоров'я очей та якості роботи, є і третій, важливий, що в останні роки грає дуже важливу роль – це вартість електроенергії.
Будемо говорити відверто, кожен працівник може б і хотів би, щоб світло заливало все в окрузі, поза його робочим місцем, а не фокусувалося тільки в робочій зоні.
Але тут вже вступають у справу собівартість продуктів/послуг та інтереси господарів виробництва, оскільки їм доведеться всю цю світлову радість персоналу оплачувати з власної кишені.

Тож тут треба жонглювати, забезпечуючи яркісно-фінансовий баланс інтересів усіх сторін.

А ось для того, щоб досягти цієї мети (достатнього, але не надмірного освітлення) столу, вже доведеться:

• по-перше, підбирати джерела світла на потрібну кількість люменів;
• по-друге, розташовувати їх на потрібній відстані.

Ось тут і знадобляться люксомери! Вимірюючи на поверхні столів, у різних точках, освітленість, можна дотриматися всіх мінімальних нормативів з охорони праці.
Під мінімальними розуміється, щоб не було скарг із боку персоналу. Люди мають право на безпечні умови праці. А додаткове висвітлення (у сенсі не надмірне, необхідне для проведення робіт без браку), ми вже говорили – це перевитрата електроенергії.