Valovoima

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli kertoo fysiikan suureesta. Valotuksesta valokuvauksessa on eri artikkeli.

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 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.[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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valovoiman SI-yksikkö on kandela, joka lyhennetään cd. Yksi kandela vastaa suurin piirtein yhden kynttilän lähettämää valon määrää 1 steradiaanin avaruuskulmaan. Tätä käytettiin alunperin 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.[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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Valovirta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

I_v = \frac{\Phi}{\Omega},[4]

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},[4]

josta saadaan

\Phi_{kok} = 4\pi I_v.[4]

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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

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

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

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}.[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

\frac{I_{v1}}{I_{v2}} = \frac{r_1^2}{r_2^2}.[4][3]

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • 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.
  • 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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  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[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]