Valovoima

Valovoima on fysiikassa perussuure (tunnus I_v ), joka kuvaa pistemäisen valon lähteen lähettämän valon määrää avaruuskulmaa kohti. Valolla tarkoitetaan säteiden, tai vastaavasti hiukkasista puhuttaessa fotoneita, määrästä, 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 muttaa suureen saamia arvoja. Näkyvän valon mittauksista käytetään nimitystä fotometriset mittaukset ja koko sähkömagneettisen spektrin mittauksista käytetään nimitystä radiometriset mittaukset.

Määritelmässä esiintyvä avaruuskulma on usealle vieras käsite. Avaruuskulman yksikkö 1 steradiaani = 1 sr on avaruuskulma, jossa 1 metrin säteisen pallon pinnalla oleva 1 m² suuruinen ympyräkalotti näkyy pallon keskipisteestä käsin. Pistemäinen valonlähde pallohuoneen keskipiseessä 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 levävät eri suuntiin tasaisesti ja yhtä tiheästi, joten osumakohdan pinta-ala ei vaikuta valovoimaan. Asiaa voisi verrata sateeseen, jossa pisaroita osuu maahan jokapuolelle yhtä tiheästi. Riippumatta siitä, kuinka suureen astiaan vettä sateessa kerätään, kertyy astian pohjalle yhtä paljon 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 1 steradiaanin avaruuskulmaan. Tätä käytettiin aluperin valovoiman yksikön määritelmänä, mutta se on myöhemmin korvattu tarkemmilla määritelmillä. Tällä hetkellä 1 kandela vastaa monokromaattisen valonlähteen lähettämän, taajuudeltaan 5,40•10¹⁴ Hz, valon säteilytysvoimakkuutta 1/683 W/m² 1 metrin etäisyydellä säteilylähteestä. Sama asiaa tarkoittaa, että säteilyintensiteetti on 1/683 W/sr.

Tästä määritelmästä käy ilmi, kuinka SI-järjestelmän perussuure määritellään johdannaissuureiden säteilytysvoimakakkuuden 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

$I_{v}={\frac {\Phi }{\Omega }},$

missä $\Phi$ on valovirta ja $\Omega$ on avaruuskulma. Silloin valonlähteen kaikkien suuntien yhteenlaskettu kokonaisvalovirta $\Phi _{kok}$ on

$I_{v}={\frac {\Phi }{\Omega }}={\frac {\Phi _{kok}}{4\pi }},$

josta saadaan

$\Phi _{kok}=4\pi I_{v}.$

Mikäli valovoima $I_{v}=I_{v}(\Omega )$ riippuu suunnasta, saadaankin

$I_{v}(\Omega )={\frac {d\Phi }{d\Omega }}\Leftrightarrow d\Phi =I_{v}(\Omega )\ d\Omega \Rightarrow \Phi _{kok}=\int \limits _{pallo}I_{v}(\Omega )\ d\Omega .$

Valaistus ja etäisyyslaki

Jos valovirta $\Phi$ valaisee tasaisesti pinnan, jonka pinta-ala on $A$, saadaan pinnan valaistukseksi

$E={\frac {\Phi }{A}}.$

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

$E={\frac {\Phi }{A}}={\frac {I_{v}\Omega }{\Omega r^{2}}}={\frac {I_{v}}{r^{2}}}.$

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

${\frac {I_{v1}}{I_{v2}}}={\frac {r_{1}^{2}}{r_{2}^{2}}}.$

Katso myös

• Luminanssi
• Valovoima (valokuvaus)

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. 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)

Aiheesta muualla

• Lampputieto: Kandela
• Männistö, Arto: Valon värin ja värilämpötilan säätö ja niiden vaikutus ihmiseen
• Hakkarainen, Henri: Ledien käyttömahdollisuus tievalaistuksessa