Световой поток и освещенность. Законы освещенности.

Разнообразные действия света.Чувствительность на­шего зрительного аппарата к свету чрезвычайно велика. По современным измерениям для получения светового ощу­щения достаточно, чтобы на глаз при благоприятных обстоя­тельствах попадало около 10^-17 Дж световой энергии в се­кунду, т. е. мощность, достаточная для ощутимого светового раздражения, равна 10^-17 Вт.

Глаз принадлежит к числу самых чувствительных аппа­ратов, способных регистрировать присутствие света. Дей­ствие света на глаз сводится к некоторому химическому про­цессу, возникающему в чувствительной оболочке глаза и вызывающему раздражение зрительного нерва и соответст­вующих центров головного мозга. Химическое действие света, сходное с действиями на чувствительные элементы гла­за, можно наблюдать при выцветании на свету различных красок («выгорание тканей»). Химические превращения наб­людаются при поглощении света сравнительно немногочис­ленными светочувствительными материалами. Но в большей или меньшей степени свет поглощается любым телом, что можно обнаружить по нагреванию тела.

Нагревание тел при поглощении света есть самый общий и наиболее легко осуществляемый процесс, который может быть использован для обнаружения и измерения световой энергии. Нагревание солнечным светом — простейший при­мер такого процесса. В тех южных областях, где много сол­нечных дней (например, Средняя Азия), тепло, полученное при поглощении солнечной энергии, может быть использова­но для приведения в действие промышленных установок. Энергия, доставляемая солнечным светом в южных ши­ротах в ясный день, составляет более тысячи джоулей в секунду на каждый квадратный метр поверхности, так что плоский железный бак, поставленный на крыше дома, может снабжать его обитателей в течение лета горячей во­дой. Концентрируя солнечные лучи с помощью большого зеркала (рис. 152) на поверхности какого-нибудь приемника 2, можно обеспечить его нагревание до высокой тем­пературы.

Действие света может обнаруживаться и в некоторых электрических явлениях. Освещение металлической поверхности может вызвать вырывание из нее электронов (фотоэффект). С по­мощью определенных устройств можно без труда наблю­дать электрический ток, возникающий под действием света. На рис. 153 представлена схема одного из таких устройств, называемого фотоэлементом. Если бы можно было покрыть крышу небольшого дома ве­ществом, используемым в та­ком фотоэлементе, то в ясный солнечный день удалось бы за счет световой энергии полу­чать электрический ток мощ­ностью несколько киловатт.

Наконец, важно отметить, что наблюдается и непосредственное механическое действие света. Оно проявляется в давлении света на поверхность тела, отражающего или поглощающего свет. Придавая этому телу вид легкого подвижного крылышка, удалось обнаружить поворот этого крылышка под действием падающего на него света. Этот замечательный опыт был впервые произ­веден П. Н. Лебедевым в Москве (1900 г.). Подсчет показы­вает, что в ясный день свет Солнца, падающий на зеркаль­ную поверхность размером 1 м², действует на нее с силой всего лишь около 4 мкН.

В настоящее время разработаны новые источники коге­рентного излучения очень высокой интенсивности — лазеры, с которыми при концентрации энергии на малую поверх­ность можно получить световое давление 10⁶ атм. Таким образом, свет может производить весьма разнообраз­ные действия; все они свидетельствуют о наличии энергии в световом излучении, превращение которой и обнаружи­вается во всех описанных явлениях.

Из перечисленных примеров видно, сколь разнообраз­ны могут быть действия света. Однако роль света как не­посредственного источника энергии сравнительно невелика: двигатели, основанные на нагревании под действием света, играют очень малую роль, а двигатели, построенные на ос­нове фотоэффекта,— еще дело будущего, хотя опыты и по­казывают, что возможно изготовление фотоэлементов (с ис­пользованием полупроводников германия и кремния), спо­собных превращать до 15% падающей на них энергии света непосредственно в энергию электрического тока (солнеч­ные батареи). Правда, вся энергия, которую мы используем на Земле, практически имеет своим первоисточником световую энер­гию или энергию излучения Солнца, но использование ее происходит путем сложных превращений через посредство топлива, накапливающегося под действием солнечного из­лучения в растениях и сжигаемого в тепловых машинах, а также через посредство водяных и ветряных двигателей и т. д. В большинстве же применений света главную роль играет не количество приносимой им энергии, а его специ­альные особенности. Для выяснения природы световых явлений надо обратиться к опыту.