Valovoima

Tämä artikkeli kertoo fysiikan suureesta. Valotuksesta valokuvauksessa on eri artikkeli.
Valon ja ultravioletin aallonpituusalueilla säteilevä UV-LED tuottaa valoa 2–2,2 kandelan intensiteetillä.

Valovoima on fysiikassa perussuure (tunnus Iv [1]), joka kuvaa pistemäisen valon lähteen lähettämän valon määrää avaruuskulmaa kohti.[2] Valolla tarkoitetaan säteiden, tai vastaavasti hiukkasista puhuttaessa fotoneiden, määrää, joita valonlähde lähettää. Suure ilmaisee siten sähkömagneettisen säteilyn silmälle näkyvän osan eli valon intensiteettiä. Suureen alkuperäistä määritelmää on kuitenkin laajennettu koskemaan koko sähkömagneettisien säteilyn spektriä, mikä muuttaa suureen saamia arvoja. Näkyvän valon mittauksista käytetään nimitystä fotometriset mittaukset ja koko sähkömagneettisen spektrin mittauksista käytetään nimitystä radiometriset mittaukset.[3]

Määritelmässä esiintyvän avaruuskulman yksikkö on steradiaani (sr). Steradiaani on avaruuskulma, jossa 1 metrin säteisen pallon pinnalla oleva 1 m2 suuruinen ympyräkalotti näkyy pallon keskipisteestä. Pistemäinen valonlähde pallohuoneen keskipisteessä lähettää jokaiseen suuntaan yhtä paljon säteitä koko ajan. Katossa oleville kahdelle eri 1 m2 suuruisille alueille osuu yhtä paljon säteitä eli niiden valovoima on sama. Jos tarkastellaan pienempää 0,5 m2 aluetta, osuu siihen puolet vähemmän valonsäteitä, mutta valovoima on siitä huolimatta sama. Valonsäteet leviävät eri suuntiin tasaisesti ja yhtä tiheästi, joten osumakohdan pinta-ala ei vaikuta valovoimaan. Asiaa voisi verrata sateeseen, jossa pisaroita osuu maahan joka puolelle yhtä tiheästi. Riippumatta siitä, kuinka suureen astiaan vettä sateessa kerätään, kertyy astian pohjalle yhtä paksulti vettä samassa ajassa. Siten sateen pisaroiden osumakohtien tiheyttä voidaan verrata valonlähteen valovoimaan.

SI-järjestelmän perusyksikkö

Valovoiman SI-yksikkö on kandela, joka lyhennetään cd. Yksi kandela vastaa suurin piirtein yhden kynttilän lähettämää valon määrää yhden steradiaanin avaruuskulmaan. Tätä käytettiin alun perin valovoiman yksikön määritelmänä, mutta se on myöhemmin korvattu tarkemmilla määritelmillä. Tällä hetkellä yksi kandela vastaa monokromaattisen valonlähteen lähettämän, taajuudeltaan 5,40·1014 Hz, valon säteilytysvoimakkuutta 1/683 W/m2 yhden metrin etäisyydellä säteilylähteestä. Sama asia tarkoittaa, että säteilyintensiteetti on 1/683 W/sr.[2]

Tästä määritelmästä käy ilmi, kuinka SI-järjestelmän perussuure määritellään johdannaissuureiden säteilytysvoimakkuuden tai säteilyintensiteetin avulla. Tämä lienee vain käytännön tarpeista nousevaa tarve, koska mittaustekniikka on kehittynyt mittaamaan tarkasti säteilyn energioita ja tehoa, jota säteilytysvoimakkuuden määrittämisessä käytetään.

Lainalaisuuksia

Valovirta

Jos pistemäisen valonlähteen valovoima on jokaisessa suunnassa sama, riippuvat valovoima ja valovirta toisistaan

I v = Φ Ω , {\displaystyle I_{v}={\frac {\Phi }{\Omega }},} [4]

missä Φ {\displaystyle \Phi } on valovirta ja Ω {\displaystyle \Omega } on avaruuskulma. Silloin valonlähteen kaikkien suuntien yhteenlaskettu kokonaisvalovirta Φ k o k {\displaystyle \Phi _{kok}} on

I v = Φ Ω = Φ k o k 4 π , {\displaystyle I_{v}={\frac {\Phi }{\Omega }}={\frac {\Phi _{kok}}{4\pi }},} [4]

josta saadaan

Φ k o k = 4 π I v . {\displaystyle \Phi _{kok}=4\pi I_{v}.} [4]

Mikäli valovoima I v = I v ( Ω ) {\displaystyle I_{v}=I_{v}(\Omega )} riippuu suunnasta, saadaankin

I v ( Ω ) = d Φ d Ω ⇔ d Φ = I v ( Ω )   d Ω ⇒ Φ k o k = ∫ p a l l o I v ( Ω )   d Ω . {\displaystyle I_{v}(\Omega )={\frac {d\Phi }{d\Omega }}\Leftrightarrow d\Phi =I_{v}(\Omega )\ d\Omega \Rightarrow \Phi _{kok}=\int \limits _{pallo}I_{v}(\Omega )\ d\Omega .}

Valaistus ja etäisyyslaki

Jos valovirta Φ {\displaystyle \Phi } valaisee tasaisesti pinnan, jonka pinta-ala on A {\displaystyle A} , saadaan pinnan valaistusvoimakkuudeksi

E = Φ A . {\displaystyle E={\frac {\Phi }{A}}.} [4]

Koska valovirta on Φ = I v Ω {\displaystyle \Phi =I_{v}\Omega } ja avaruuskulma on Ω = A r 2 , {\displaystyle \Omega ={\frac {A}{r^{2}}},} saadaan

E = Φ A = I v Ω Ω r 2 = I v r 2 . {\displaystyle E={\frac {\Phi }{A}}={\frac {I_{v}\Omega }{\Omega r^{2}}}={\frac {I_{v}}{r^{2}}}.} [4]

Tämä on niin sanottu etäisyyden laki, joka ilmaisee, että säteitä vastaan kohtisuoran pinnan valaistus pienenee kääntäen verrannollisena etäisyyden neliöön. Siispä saman valaistuksen saamiseksi eri etäisyydelle, tulee valovoima muuttua suoraan verrannollisena etäisyyden neliöön

I v 1 I v 2 = r 1 2 r 2 2 . {\displaystyle {\frac {I_{v1}}{I_{v2}}}={\frac {r_{1}^{2}}{r_{2}^{2}}}.} [3][4]

Katso myös

  • Luminanssi
  • Valotus

Lähteet

  • Simons, Lennart: Fysiikka korkeakouluja varten. Porvoo: WSOY, 1963.
  • Eskola, Sisko Maria & Ketolainen, Pasi & Stenman, Folke: Fotoni – Aallot. lukion fysiikan oppikirja. Helsinki: Otava, 2005. ISBN 951-1-20104-2.
  • Suomen Standardoimisliitto: SI-opas (myös painettuna, ISBN 952-5420-93-0) (PDF) SFS-oppaat. 04.11.2002. Suomen Standardoimisliitto. Arkistoitu 31.8.2012. Viitattu 18.2.2013.
  • Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI) (pdf) (nro 330) NIST Special Publication. 2008. Washington D.C.: National Institue Of Standards And Technology. Viitattu 15.2.2013. (englanniksi)

Viitteet

  1. ↑ Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 11
  2. ↑ a b Taylor, Barry N. & Thompson, Ambler (toim.): The International System of Units (SI), 2008, s. 22–23
  3. ↑ a b Eskola & Ketolainen & Stenman: Aallot, s. 88
  4. ↑ a b c d e f Simons, Lennart:Fysiikka korkeakouluja varten, s. 328–331

Aiheesta muualla

  • Lampputieto: Kandela (Arkistoitu – Internet Archive)
  • Männistö, Arto: Valon värin ja värilämpötilan säätö ja niiden vaikutus ihmiseen
  • Hakkarainen, Henri: Ledien käyttömahdollisuus tievalaistuksessa (Arkistoitu – Internet Archive)