1.2. Elektromagnetlainete skaala
Elektromagnetlainetel võivad olla väga erinevad omadused ja seepärast on neil ka erinevad nimed. Suurt osa elektromagnetlaineid kutsutakse kiirgusteks.
Ühe osa neist lainetest on inimene tekitanud ja pannud need ennast teenima. Näiteks raadiolained kannavad edasi infot, lambivalgus lubab inimestel pimeda ajal näha, infrapunakiirgus ehk infravalgus aitab teleka puldiga tööle panna. Aga ka vahelduvvool juhtmes tekitab enda ümber elektromagnetlaineid.
Teine osa lainetest aga tekkib niisama, ilma inimese osaluseta. Näiteks Päikeselt tulev ultraviolettkiirgus ehk ultravalgus päevitab meid kenasti pruuniks, radioaktiivne kiirgus, mis tekib radioaktiivsete ainete lagunemisel ohustab meie tervist, jaaniusside salapärane kuma rõõmustab meid suveööl.
Kogu meid ümbritsev ruum on täidetud elektromagnetlainetega. Kõikidest elektromagnetlainetest näeb inimese silm ainult seda osa, mida nimetatakse valguseks ja mille sagedus jääb vahemikku 1014 s-1 ... 1015s-1.
Teistel elusolendeil võivad tekitada nägemisaistingu aga tesitsuguste sagedustega elektromagnetlained. Näiteks maod tajuvad hästi infravalgust, aga mesilased ultravalgust.
Elektromagnetlaineid tajub inimene lisaks nägemisele ka soojusena. Seda tunnet tekitavad elektromagnetlained, mille sagedus jääb vahemikku 1012 s-1 ... 1015 s-1.
Kõik elektromagnetlained levivad vaakumis ühesuguse kiirusega c 3 . 108 m/s. Tähis c tuleb ladina keelsest terminist celeritas, mis tähendab kiirust. Laine üleminekul ühest keskkonnast teise võib laine kiirus muutuda. See kutsub esile ka lainepikkuse muutumise, kuid laine sagedus sealjuures ei muutu kunagi.
Kui panna kõik elektromagnetlained üksteise kõrvale ritta sageduse muutumise järjekorras, siis saame nn elektromagnetlainete skaala. Samahästi võib laineid reastada lainepikkuste järgi.
Elektromagnetlained
Nimetus
|
Liik
|
Lainepikkus
|
Allikad
| Raadiolained |
Ülipikad lained (VLF)
Pikad lained (LF)
Kesklained (MF)
Lühilained (HF)
Ultralühilained
meeterlained (VHF)
detsimeeterlained (UHF)
sentimeeterlained (SHF)
millimeeterlained (EHF))
|
∞ ……….10 km
10 km … 1 km
1 k m ……100 m
100 m ...... 10 m
10 m ...... ..1 m
1 m ....... ..0,1 m
10 cm ... .. 1 cm
1cm …….1mm
|
Muutuv elektrivool,
generaatorite võnkeringid,
| Optiline kiirgus |
Infravalgus (IR)
|
1 mm …. 760 nm
|
Soojad kehad
|
|
Valgus
|
760 nm …380 nm
|
Valgusallikad
|
|
Ultravalgus (UV)
|
380 nm …10 nm
|
Kuumad kehad
| Röntgenikiirgus |
X - kiired
|
10 nm …0,01 nm
|
Kiired elektronid, aatomid
| Gammakiirgus |
γ – kiired
|
0,01 nm
|
Aatomituumad
|
Raadiolained tekivad antennis, kui sinna tulevad elektromagnetvõnkumised vastavast generaatorist. Antenn on seade, mis on loodud elektromagnetlainete kiirgamiseks ja vastuvõtmiseks.
Opiline kiirgus tekib aatomite valentselektronide siirdeil madalamatele energiatasemetele (ultravalgus, valgus, infravalgus), kuid ka molekulides olevate aatomite võnkumisel või pöörlemisel (infravalgus).
Ultravalgust kirjeldab UV indeks, mis näitab ultravalguse intensiivsust ja mille mõõtühikuks on 1 mW/m2 . Kui UV-indeksi väärtus on 1, siis on intensiivsus
25 mW/m2, väärtusele 2 vastab 50 mW/m2, väärtusele 3 vastab 75 mW/m2 jne. Indeksi suuremate väärtuste korral on ohud suuremad kui väiksemate puhul. Ultravalgust indeksiga alla 2 võib pidada inimesele ohutuks, väärtustel 3-5 on mõistlik esmakordsel päevitamisel piirduda 30-60 minutiga. Kui indeksi väärtus on üle 5, tuleb päevitamise ja päikese käes töötamisega olla ettevaatlik.
Nähtav valgus sisaldab erineva värvusega piirkondi. Toome need ära lainepikkuste järgi.
Värvus
|
Lainepikkus, nm
|
Punane
|
760…..630
|
Oranž
|
630…..600
|
Kollane
|
600…..570
|
Roheline
|
570…..520
|
Helesinine
|
520…..470
|
Sinine
|
470…..420
|
Violetne
|
420…..380
|
Kõiki värvilisi valgusi saab kokku segada kolmest põhivärvusest: punane (= 700 nm), roheline ( = 546,1 nm) ja sinine (435,8 nm). Põhivärvustest on võimalik saada ka valget valgust, kui liita punast, rohelis ja sinist valgust nii, et nende intensiivsuste suhe oleks 1 : 4,6 : 0,06.
Röntgenikiirgus tekib aatomi sisekatete elektronide siiretel madalamatele enrgiatasemetele või kiirete elektronide järsul pidurdumisel metallides.
Gammakiirgus tekib aatomituumade radioaktiivsel lagunemisel, täpsemalt ergastatud tütartuumade siiretel madalamatele energianivoodele..
Peab lisama, et erinevate lainepiirkondade vahel puuduvad täpsed piirid. Jaotuse aluseks on eelkõige laineallikad, kusjuures erinevate laineallikate poolt tekitatud lainete sagedused kattuvad. Kuid kehtib kindel seaduspära: mida väiksemad on laineallika mõõtmed, seda lühem on kiirguva laine pikkus.
Elektromagnetlaineid kasutab inimene väga paljudes eluvaldkondades. Järgnev loetelu näitab valdkondade kaupa seadameid või meetodeid, kus kasutatakse elektromagnetlaineid.
Loodusteadused (bioloogia, füüsika, geoloogia, geograafia, keemia) : mikroskoobid, pikksilmad, spektroskoopia, refraktomeetria, interferomeetira, difraktomeetria, polarimeetria, röntgendifraktsioon, luminestsentsanalüüs, georadarid.
Astronoomia: raadioteleskoobid, optilised teleskoobid, röntgenteleskoobid, gammateleskoobid, spektroskoopia.
Meditsiin: röntgendiagnostika, kiiritusravi, laserteraapia, laserkirurgia, laserskalpellid, endoskoopia, infrapunasaun, IP steriliseerimine, UV desinfitseerimine.
Kultuur, kunst, sport: fotoaparaat, filmikaamera, TV kaamera, CD ja DVD mängijad, LCD teler, valgustusseadmed, värvusmuusika, luminestsentsvärvid, UV “must valgus”, holograafia, fotofiniš, laserpüssid, kaugusmõõdikud.
Tehnika: raadioja TV levi, mobiilside, telefonside, internet, GPS1, radarid, päikesepatareid, mikrolaineahjud, kaugjuhtimispuldid, liikumisandurid, laserprinterid, skännerid, arvutihiired, digilauad, laserloodid, pointerid, kaugusmõõdikud, valeraha kontroll, vöötkoodide lugemine, pagasikontroll, termograafia, röntgendefektoskoopia, laserlõikus ja -puurimine, laserkeevitus ja -jootmine, püromeetria, sahharimeetria, gaasianalüsaatorid, elektronoptilised muundurid, kunstteemantite valmistamine mikrolainete abil, laserkülmutus, lasersüüteküünlad autodele, laserablatsioon, infrapunakuivatus.
Sõjandus: lasersihikud, pimestavad laserrelvad, öönägemisseadmed, metalliotsijad, ründelaserid.
2. Fotomeetria
2.1. Valguse kiirus
Nagu räägitud, püüdis esimesena määrata valguse kiirust Galileo Galilei 1600.a. Tulemuseks oli, et valgus levib väga kiiresti, nii kiiresti, et tavalise kellaga seda mõõta ei saa. Valguse kiirust vaakumis tähistatakse tähega c, mis tuleneb ladinakeelsest sõnast celeritas, miseesti keeli on kiirus.
Esimese arvulise hinnangu sai valguse kiirusele O.Roemer 1676.a. Tema kasutas selleks Jupiteri kuu Io planeedi taga olemise aegade ebaühtlust. Seda seletatakse Maa ja Jupiteri vahekauguse muutumisega nende liikumisel. See aga muudab valguse levimise aega Iolt Maale. Tema tulemus oli 2,14 . 108 m/s.
Tunduvalt täpsema tulemuse sai 1879.a. A.Michelson, kes kasutas pöörlevat peeglit.
c2 = l/t ; t = T/8 ; l = 35,426 km
Tema sai tulemuseks 2,99798 .108 m/s.
Hiljem on valguse kiirust palju mõõdetud ja täpsus on kogu aeg kasvanud, alates 1983. a. loetakse valguse kiirust täpseks (ilma veata) suuruseks: c = 2,99792458 . 108 m/s.
See tulemus saadi arvutuste teel valemist v = f . . Selleks määrati laserkiirguse sagedus ja lainepikkus interferentsimeetodil.
Kui mõõta valguse levimiseks kulunud aega vaakumis või õhus (seal erineb valguse kiirus c-st ainult mõne sajandiku protsendi võrra), siis selle abil saab määrata kaugusi.
Valguse kiirus on erinevates keskkondades erinev. Kehtib seaduspärasus, et mida suurem on keskkonna tihedus, seda väiksem on seal valguse kiirus. Näiteks õhus normaaltingimustel on valguse kiirus v =2,9970 . 108 m/s, mis on praktiliselt võrdne valguse kiirusega vaakumis. Seevastu ühes suurema tihedusega läbipaistvas aines, teemandis, on valguse kiirus 1,2403 . 108 m/s.
Tänapäeval on välja töötatud sellised ained, millel on negatiivne murdumisnäitaja ja sellistes ainetes võib valguse kiirus muutuda väga väikeseks, ainult mõne meetrini sekundis ja on õnnestunud ka valguslaine täiesti seisma panna.
Sellest teatasid 2001.a. USA füüsikud /D. Phillips, Physics Review Letters, 29 January, 2001/. Asjahuvilised võiksid täpsemat infot otsida internetist märksõnade "stopping light" või "halting light" järgi.
2.2. Fotomeetrilisi ühikuid
Inimene vajab elamiseks ja töötamiseks valgust. Hämaras on halvem lugeda või kirjutada kui valges. Seepärast peabki auditoorium valge olema. On olemas isegi normid, mis ütlevad kui palju valgust peab miski töö jaoks olema, sest valgustatusest sõltub töö kiirus ja kvaliteet. Näiteks nõukogude ajal pidi õppimiseks laual olema valgustatus vähemalt 75 lx, aga tahvlil 200 lx, nüüd aga vastavalt 300 lx ja 500 lx .
Aga mis see luks on?
See on üks fotomeetriline ühik, mis näitab kui palju valgust pinnaühiku kohta tuleb.
Valguse hulk, aga mis meie lauale jõuab, oleneb lambist, mis valgustis on. Lampe kirjeldatakse tavaliselt nende elektrilise võimsuse abil: näiteks 100 W. Aga kui palju see 100 W lamp valgust annab? Kogu eralduv energia ei ole nähtavas piirkonnas, enamus sellest jääb infravalguse piirkonda. Lisaks oleneb kiiratav valguse hulk ka lainepikkusest ( valguse värvusest): punast valgust kiirgab elektripirn rohkem kui sinist.
Valguse mõõtmise alguseks võib lugeda aastat 1729, mil Pierre Bouguer ehitab esimese fotomeetri ja võtab kasutusele valgustugevuse ühikuna standardküünla.
See oli etalonallikas, mis põledes andis alati ühepalju valgust. Sellel oli kindel konstruktsioon ja materjal,. Millised need olid, pole õnnestunud välja uurida.
Hiljem on olnud erinevaid valgusallika etalone.
Aastal 1879 paneb Prantsuse füüsikaprofessor Jules Violle ette kasutada valgustugevuse etalonina 1 cm2 suurust plaatinapinda plaatina hangumistemperatuuril (2042 K) , nn Violle’i ühik. Kaks aastat hiljem see võetaksegi kasutusele.
Aastal 1884 võttis saksa insener F. von Hefner – Alteneck kasutusele omakonstrueeritud lambi, milles põletati 3metüülbutüületenaati (isopentüülatsetaati). Seda hakati kutsuma Hefneri küünlaks ( 1 H.k. = 0,9 cd). See võeti aastal 1893 kasutusele Keskeuroopa etalonina.
Inglismaa, Prantsusmaa ja USA kehtestavad 1909.a. rahvusvahelise küünla, mille
etaloniks on komplekt süsiniit-hõõglampe.
Aastal 1948 Kehtestub Rahvusvahelise Mõõtude ja Kaalude Komitee otsus aastast 1946,
mille järgi valgustugevuse ühik nimetatakse kandelaks ja määratletakse kui
1/60 mustkiirguri valgustugevusest pinnalt 1 cm2 plaatina tahkusmistemperatuuril.
Mõõtude ja Kaalude 16. Peakonverents kehtestas 1977.a. kandelale uue
Määratluse, kus fikseeriti nii valguse sagedus kui kiirgustugevus. (Andmed E. Risthein. Elektrivalgustuse ajalooline ülevaade. TTÜ, Tallinn, 2008).
Tänapäeval on valgusallika valgustugevuse ühikuks ikka 1 kandela (SI põhiühik) ja tähiseks I. Kuid definitsiooni on täpsustatud: 1 kandela (cd) on valgustugevus, kui allikas kiirgab monokromaatset kiirgust sagedusega 540 . 1012 Hz ja ta kiirgab ruuminurka 1 sr igas sekundis energiat 1/683 J . Selline sagedus vastab rohelisele valgusele ja 1/683 tuleb inimese silma valgustundlikkusest ning soovist mitte väga palju erinevat uut ühikut luua.
Jämedalt võttes on 100 vatise lambi valgustugevus ka 100 kandelat.
Valgus levib allikast aga igas suunas ja ainult osa sellest jõuab meieni. Levivat valgust kirjeldatakse valgusvooga. Valgusvoog L3 on määratud valgusallika valgustugevuse ja selle ruuminurga korrutisega, milles valgus levib:
L = I . .
Valgusvoo ühikuks on 1 luumen (1 lm): see on valgusvoog, mille korral allikas tugevusega 1 cd täidab valgusega ühtlaselt ruuminurga 1sr.
Mingile pinnale langeva valguse hulka kirjeldatakse suurusega, mida varem nimetati valgustatuseks E , tänapäeval – valgustustiheduseks, mis näitab pinnaühikule langeva valgusvoo suurust
E = L / S .
Valgustiheduse ühikuks on 1 luks (lx): valgustustihedus on 1 luks, kui valgusvoog 1 luumen jaotub ühtlaselt 1 m2 suurusel pinnal.
Päikesevalgus suvel keskpäeval on umbes 105 lx; täiskuu 0,2 lx, tähistaevas 0,0003 lx.
Praktika näitab, et valgustatus (valguse hulk) oleneb nii lambi võimsusest (valgustugevusest), lambi kaugusest kui ka valguse pinnale langemise nurgast.
Langegu valgus väikesele pinnale OB kaugelasuvast punktallikast. Sellisel juhul võib kiirtekimpu lugeda paralleelseks. Kimbu laius olgu OA ja langemisnurk . Leiame, kuidas valgustatus oleneb valgusallika valgustugevusest I, kaugusest pinna ja allika vahel r ning valguse langemisnurgast ..
Lähtume seosest E = L /S. Olgu mõttelise pinna OA, mis on risti kiirtega valgustatus E0 = L/OA (siin on OA kiirtekimbu ristlõikepindala). Sel juhul on pinna OB valgustus E = L/OB.
Jooniselt on näha, et E/E0 = OA/OB ja siit saame E = E0cos .
Definitsiooni kohaselt on L = I. Kui on tegemist punktvalgusallikaga, siis = 4 ja pind, millele valgus langeb tegelikult on kera pind (mille väikest osa vaatleme tasandina OA). Sel juhul pinna valgustatus E0 = L/S, kus S = 4r2 (kera pindala). Asendades E0 avaldisse L ja S, saame E0 = I/r2 .
Pinnale OB langevaks valgustatuseks saame 
A
O B
Lisaks valgustihedusele ehk pinnavalgustusele kasutatakse ka sellist mõistet nagu pinna heledus (B), mis näitab millise valgustugevusega valgusallikana võib antud pinna ühikut käsitleda .
B = I / S cos.
Heleduse ühik on 1 nitt (1 nt): 1 nt = 1 cd /1 m2 .
Asi on nagu selge, kuid häda on selles, et need suurused on subjektiivsed , need sest sõltuvad inimsilma tundlikkusest (see kordaja 1/683). Silma tundlikkus (suhteline valgusefektiivsus) V omab väärtusi 0 ja 1 vahel.
Silma tundlikkus, mida nimetatakse suhteliseks valgusefektiivsuseks V, on määratud valgusaistingu tugevusega, mida tekitab ühikuline valgusvoog. Kõver on koostatud katseliselt , paljude inimeste uurimisel ja sellest nähtub, et kõige tundlikum on silm 555 nm juures.
Sellega pole veel kõik hädad murtud, valgusefektiivsus oleneb veel valgustustingimustest. Selline kuju on kõveral päevavalguses. Kui on tegu videvikuga, siis tundlikkuse kõver nihkub lühemate lainepikkuste poole: maksimum satub 510 nm ja 640 nm pikemaid valguslaineid me enam ei näe. Seega videvikus paistavad meile oranžid ja punase toonid hallidena.
Sellest ka ütlemine, et” pimedas on kõik kassid hallid ja kõik naised kallid” (st ka punased kassid paistavad hallidena).
Valguse objektiivseks mõõtmiseks kasutatakse eriseadmeid, mis mõõdavad ühtviisi igasuguse värvusega valgusenergiat. Selliseks riistaks võib olla termosammas, st mitu termoelementi jadamisi ühendatult. Termosambas muutub valgusenergia, olenemata lainepikkusest (ehk värvusest) soojusenergiaks, mida mõõdetakse temperetuuri muutuse abil. Tegelikult on ka siin terve rida probleeme, kuid seda me ei käsitle.
Objektiivsetel mõõtmistel tehakse kindlaks, kuipalju kiirgusenergiat kandub ajaühikus läbi mingi pinna. Vastavat suurust nimetatakse kiirgusvooks R ja seda mõõdetakse ühikutes 1 J/1s = 1 W.
Milline on seos valgusvoo ja kiirgusvoo vahel? Arvata võib, et seos on võrdeline ja nii ongi:
L = K . R , kus K = 683 . V (lm/W).
Kordaja 683 tuleneb inimsilma omadustest ja on leitud eksperimentaalselt paljusid inimesi uurides.
Siit tuleb välja, et rohelises valguses, kus V = 1 , vastab 1 vatilisele kiirgusvoole valgusvoog 1 luumen.
Fotomeetria ühikuid eesti, inglise ja vene keeles
Valgustugevus I (cd)
|
Light intensity
|
Сила света
|
Valgusvoog L (lm), cd.sr
|
Light flux
|
Световой поток
|
Valgustatus, valgustustihedus E (lx), lm/m2
|
Illuminance
|
Освещенность
|
Heledus B (nt), cd/m2
|
Luminance
|
Яркость
|
Suhteline valgusefektiivsus V
|
Luminous efficiency
|
Относительная световая эффективность
|
Valgusefektiivsus K , lm/W
|
Luminous efficacy
|
Видность
|
Kiirgusvoog R, W
|
Radiant flux
|
Лучистый поток
|
|
