Меню

Где находится формула света



Что известно о силе света и формула ее расчета

Одним из самых интересных и неоднозначным явлением нашего мира является свет. Для физики это один из основополагающих параметров многочисленных расчетов. С помощью света ученые надеются отыскать разгадку существования нашей вселенной, а также открыть для человечества новые возможности. В повседневной жизни свет также имеет большое значение, особенно при создании качественного освещения в различных помещениях.

Одним из важных параметров света является его сила, которая характеризует мощность данного явления. Именно силе света и расчету этого параметра будет посвящена данная статья.

Общие сведения о понятии

В физике под силой света (Iv) подразумевается мощность светового потока, определяемая внутри конкретного телесного угла. Из этого понятия следует, что под данным параметром подразумевается не весь имеющийся в пространстве свет, а лишь та его часть, которая излучается в определенном направлении.

В зависимости от имеющегося источника излучения, данный параметр будет увеличиваться или уменьшаться. На его изменения будет оказывать прямое воздействие значения телесного угла.

Обратите внимание! В некоторых ситуациях сила света будет одинаковой для угла любого значения. Это возможно в тех ситуациях, когда источник светового излучения создает равномерное освещение пространства.

Этот параметр отражает физическое свойство света, благодаря чему он отличается от таких измерений, как яркость, которая отражает субъективные ощущения. Помимо этого сила света в физике рассматривается как мощность. Если быть точнее, она оценивается как единица мощности. При этом мощность здесь отличается от своего привычного понятия. Здесь мощность зависит не только от энергии, которую излучает осветительная установка, но и от такого понятия, как длина волны.
Стоит отметить, что чувствительность людей к световому излучению напрямую зависит от длины волны. Эта зависимость нашла отражение в функции относительно спектральной световой эффективности. При этом сама сила света является зависимой от световой эффективности величиной. При длине волны в 550 нанометров (зеленый цвет) данный параметр примет свое максимальное значение. В результате этого глаза человека будут более или менее чувствительны к световому потоку при различных параметрах длины волны.
Единица измерения для данного показателя является кандел (кд).

Обратите внимание! Сила излучения, которое исходит от одной свечки, будет примерно равна одной канделе. Ранее применявшаяся для формулы расчета международная свеча равнялась 1,005 кд.

Свечение одной свечи

В редких случаях применяется устаревшая единица измерения – международная свеча. Но в современном мире уже практически везде используется единица измерения для этой величины – кандела.

Диаграмма фотометрического параметра

Iv представляет собой наиболее важный фотометрический параметр. Кроме этой величины к важнейшим фотометрическим параметрам относится яркость, а также освещенность. Все эти четыре величины активно используются при создании системы освещения в самых разнообразных помещениях. Без них невозможно оценить требуемый уровень освещённости для каждой отдельной ситуации.

Четыре важнейших световых характеристики

Для простоты понимания данного физического явления необходимо рассмотреть диаграмму, которая изображает плоскость, отражающую распространение света.

Диаграмма для силы света

Благодаря диаграмме видно, что Iv зависит от направления к источнику излучения. Это означает, что для светодиодной лампочки, для которой направление максимального излучения будет принято за 0°, тогда при измерении нужной нам величины в направлении 180° получится меньшее значение, чем для направления 0°.
Как видно, на диаграмме излучение, которое распространяется двумя источниками (желтый и красный), будет охватывать равную площадь. При этом желтое излучение будет рассеянным, по аналогии со светом свечи. Его мощность примерно будет равняться 100 кд. Причем значение этой величины будет одинаковой во всех направлениях. В тоже время красный будет направленным. В положении 0° он будет иметь максимальное значение в 225 кд. При этом данное значение будет уменьшаться в случае отклонения от 0°.

Обозначение параметра в СИ

Поскольку Iv является физической величиной, то ее можно рассчитать. Для этого используется специальная формула. Но прежде, чем дойти до формулы, необходимо разобраться в том, как искомая величина записывается в системе СИ. В этой системе наша величина будет отображаться как J (иногда она обозначается как I), единица измерения которой буде кандела (кд). Единица измерения отражает, что Iv, испускаемая полным излучателем на площади сечения 1/600000 м2. будет направляться в перпендикулярном данному сечению направлении. При этом температура излучателя будет раной уровню, при котором при давлении 101325 Па будет наблюдаться затвердение платины.

Обратите внимание! Через канделу можно определить остальные фотометрические единицы.

Поскольку световой поток в пространстве распространяется неравномерно, то необходимо ввести такое понятие, как телесный угол. Он обычно обозначается символом .
Сила света используется для расчетов, когда применяется формула размерности. При этом данная величина через формулы связана со световым потоком. В такой ситуации световой поток будет произведением Iv на телесный угол, к которому и будет распространяться излучение.
Световой поток (Фv) есть произведение силы света на телесный угол, в котором распространяется поток. Ф=I .

Формула светового потока

Из этой формулы следует, что Фv представляет собой внутренний поток, распространяемый в пределах конкретного телесного угла (один стерадиан) при наличии Iv в одну канделу.

Обратите внимание! Под стерадианом понимают телесный угол, вырезающий на поверхности сферы участок, который равен квадрату радиуса данной сферы.

При этом через световое излучение можно связать Iv и мощность. Ведь под Фv понимается еще и величина, которая характеризует мощность излучения светового излучения при восприятии его усредненным человеческим глазом, имеющего чувствительностью к излучению определенной частоты. В результате из вышеприведенной формулы можно вывести следующее уравнение:

Читайте также:  Как определить сторону света по движению звезд

Формула для силы света

Это отлично видно на примере светодиодов. В таких источниках светового излучения его сила обычно оказывается равной потребляемой мощности. В результате, чем выше будет потребление электроэнергии, тем выше будет уровень излучения.
Как видим, формула для расчета нужной нам величины не так и сложна.

Дополнительные варианты расчета

Поскольку распределение излучения, идущего от реального источника в пространство, будет неравномерно, то Фv уже не сможет выступать в роли исчерпывающей характеристикой источника. Но только за исключением ситуации, когда одновременно с этим не будет определяться распределение испускаемого излучения по разнообразным направлениям.
Чтобы охарактеризовать распределение Фv в физике используют такое понятие, как пространственной плотности излучения светового потока для различных направлений пространства. В данном случае для Iv необходимо использовать уже знакомую формулу, но в несколько дополненном виде:

Вторая формула для расчета

Эта формула позволит оценить нужную величину в различных направлениях.

Заключение

Сила света занимает важное место не только в физике, но и в более приземленных, бытовых моментах. Это параметр особенно важен для освещения, без которого невозможно существование привычного нам мира. При этом данное значение используется не только в разработке новых осветительных приборов с более выгодными техническими характеристиками, но и при определенных расчетах, связанных с организацией системы подсветки.

Источник

Разгадать «формулу» света

Международная группа ученых впервые создала стабильно светящиеся растения, перенеся в них ДНК из биолюминесцентных грибов. Статья была опубликована в Nature Biotechnology и привлекла внимание не только научного сообщества, но и мировых СМИ: растения из мира «Аватара» заметили в The Times, The Guardian, Vice, The Independent, CNN. В научную группу вошли исследователи из московского биотехнологического стартапа «Планта», Института биоорганической химии РАН (ИБХ), станции искусственного климата «Биотрон» и Института науки и технологий Австрии. Об их прекрасном, прежде всего эстетически, научном результате рассказывает научный журналист Александра Борисова.

Первый дом этой истории — Институт биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова — один из ведущих институтов РАН с большой историей исследования люминесценции. В частности, в ИБХ делались важнейшие в России работы по исследованию флуоресцентных белков (в том числе знаменитого GFP) под руководством академика РАН, ныне ректора РНИМУ им. Н. И. Пирогова Сергея Лукьянова. Второй дом — в Сибири, в Красноярске, где находятся знаменитый Институт биофизики СО РАН (сейчас входящий в состав Красноярского научного центра СО РАН) и Сибирский федеральный университет.

Академик РАН Иосиф Гительзон инициировал мегагрант лауреата Нобелевской премии 2008 года за открытие GFP (зеленого флуоресцентного белка) Осаму Симомуры (Osamu Shimomura) — заявка оказалась успешной. Так появилась Лаборатория биолюминесцентных биотехнологий в Сибирском федеральном университете. Симомура пригласил к сотрудничеству коллег из московского ИБХ. Результатом стали две статьи в Angewandte Chemie, еще одна — в Proceedings of the National Academy of Sciences, а теперь коллектив вырос и дошел до Nature Biotechnology.

Илья Ямпольский

Рассказывает Илья Ямпольский, руководитель работы, зам. директора ИБХ РАН:

«Я окончил Высший химический колледж РАН и пришел в аспирантуру к одному из лучших биохимиков России Сергею Анатольевичу Лукьянову. Я пришел в 2000 году, а в 1999 году Лукьянов открыл красные флуоресцентные белки. В команде у С.А. тогда не было химиков, а химическая составляющая в этой работе естьона досталась мне. Мы изучали, как устроены хромофорыучастки молекулы, отвечающие за флуоресценцию. Раз они светятся разными цветамикрасным, желтым, синим,значит, они различаются. В 2011 году в ­Красноярске ­по­явился мегагрант Симомуры, и Сергей Анатольевич поручил мне сотрудничество с этим коллективом».

Это означало новый фокус в работе — нужно было перейти от изучения флуоресценции к биолюминесценции. Эти понятия путают даже ученые (а также журналисты и комментировавшие в «Фейсбуке» новость об этой работе), однако они принципиально различаются. Флуоресценция — это процесс, в котором молекула сначала поглощает квант света, а потом отдает его — то есть свечение возникает только при предварительном облучении светом. Биолюминесценция — это явление самостоятельного свечения живых организмов, когда предварительного облучения не требуется. Специальная молекула под названием люциферин окисляется в присутствии кислорода, переходит в возбужденное состояние и потом разряжается с испусканием света; этот процесс катализируется ферментом, который называется люцифераза.

Разгадать «формулу света» очень непросто. Во-первых, нужно идентифицировать компоненты химической реакции, в результате которой происходит свечение; их нужно выделить и определить их структуру. Во-вторых — разобраться с ферментами, которые обеспечивают биосинтез этих веществ. В-третьих — найти гены, которые кодируют эти ферменты и люциферазу.

«Красноярский коллективхочется особенно упомянуть Валентина Петушкова, Наталью Родионову и Константина Пуртовауже занимался изучением люминесцентного червя Fridericia heliota. Они сделали всю биохимическую работувыделили вещества, которые участвуют в реакции, определяющей свечение. Мы подключились к этой работеопределили их структуру и синтезировали с нуля. Так мы работали и по грибам, и по червям. Провести синтез природного соединения в лаборатории очень важно по двум причинам. Во-первых, в живом организме природного вещества очень малопри огромных усилиях можно выделить всего 5 микрограммов; а чтобы работать с ним, изучать его свойства, нужны сотни миллиграммов. Во-вторых, синтез — это независимое подтверждение структуры. Пока нет синтеза, любая структураэто гипотеза», — объясняет Илья.

Читайте также:  Усова когда отключат свет

Ученым удалось выявить «компоненты свечения» и для червя [1], и для светящихся грибов [2]. По результатам этой работы вышли две статьи в одном из главных химических журналов мира — Angewandte Chemie.

До этого люциферин грибов не удавалось получить никому. В принципе, было понятно, что у светящейся молекулы должен быть предшественник, из которого она и получается. Но как найти этот предшественник? Проблема для биохимии обычная: если искомого вещества мало, то обнаружить его непросто. Один из ключевых авторов работы — красноярский биофизик Константин Пуртов пошел нестандартным путем. Он решил, что молекулу-предшественник нужно искать в… несветящихся грибах. В собранной около Красноярска чешуйчатке обыкновенной было обнаружено достаточно большое количество вещества, которое при реакции с вытяжкой из светящегося вьетнамского гриба дает свет. Этим веществом стал хорошо известный антиоксидант гиспидин: специальный фермент в светящихся грибах перегоняет гиспидин в люциферин. После этого пришла пора искать ферменты, обеспечивающие свечение, — и гены, которые их кодируют.

«Десять лет мы занимаемся поиском ферментов, которые отвечают за биосинтез люциферина червя,и это пока нам не зубам. Почему? Потому что ферменты не получается выделить из биомассыони портятся, теряют свойства. Чтобы определить целевой фермент, нужно его очистить. И во время ­очистки он теряет активность, а очис­тить нужно в активном состоянии», — объясняет Илья Ямпольский.

То, что не получилось с червями, получилось с грибом. Путем долгой высокоуровневой научной работы — и толики везения.

«В грибах гены, кодирующие „ферменты свечения“, оказались собраны в один кластер. И когда мы нашли один, мы нашли всю кассету», — комментирует Ямпольский.

Работа, раскрывающая генетику биолюминесценции грибов, вышла в Proceedings of the National Academy of Sciences в 2018 году [3]. Это была вторая «полная формула света» — ранее был установлен механизм свечения бактерий. Теперь предстояла самая амбициозная задача — перенести обнаруженную кассету генов в другой организм и заставить ее там работать. С бактериями не получилось: это прокариотические одноклеточные организмы, и их гены «не прижились» в многоклеточных.

«Когда ты знаешь ответственные за биолюминесценцию ферменты, у тебя появляется возможность генетически ее закодировать. Тут аналогия с GFP (зеленым флуоресцентным белком). Только в GFP это один белок, который кодируется одним геном, а люминесценция кодируется в случае грибов четырьмя генами: три гена биосинтеза люциферина и одинлюциферазы. Люцифераза катализирует окисление люциферина кислородом, в результате выделяется квант света. Получается кассета из генов, с помощью которой можно закодировать люминесценцию. Теперь мы эти гены можем пытаться переставить в другого хозяина так, чтобы он светился», — поясняет Илья.

Новая работа в журнале Nature Biotechnology [4] как раз об этом: идентифицированную систему люминесценции удалось перенести в табак. Получилось то, что итальянская газета La Repubblica [5] окрестила заголовком «Как в фильме „Аватар“», — растения, которые самостоятельно светятся в темноте без применения дополнительных веществ. Свечение табака — именно в него внесли гены грибов — можно наблюдать невооруженным глазом. Созданы растения с устойчивым свечением, превосходящим по яркости все предыдущие подходы, — растения производят более миллиарда фотонов в минуту.

«В конце концов, это просто очень красиво: когда ты видишь своими глазами свечение, это не может не впечатлять», — говорит Илья Ямпольский.

Карен Саркисян

Сложность работы определила значительное, по меркам биологических исследований, число участников: авторами статьи в Nature Biotechnology являются 27 ученых. Работа велась под руководством Карена Саркисяна и Ильи Ямпольского, с ключевым вкладом Татьяны Митюшкиной, Александра Мишина, Луизы Гонзалез Сомермейер и Надежды Маркиной. Как уже говорилось выше, проведенное исследование — результат совместной работы московского биотехнологического стартапа «Планта», Института биоорганической химии РАН, станции искусственного климата «Биотрон» и Института науки и технологий Австрии. Основную финансовую поддержку оказали компания «Планта», Фонд Сколково и Российский научный фонд.

Слева направо: Лилия Фахранурова, Олеся Мельник, Татьяна Каратаева, Сергей Долгов, Татьяна Митюшкина, Арина Дюф

«Могло ничего не получиться? — спрашивает Илья. — Моглопотому что гены из одних организмов не обязаны работать в других. Они могли не захотеть работать в растенияхпо самым разным причинам, потому что растения не грибы. Раковые модели не переносятся от мыши на человека и даже от обезьяны на человека. А грибы от растений гораздо дальше генетически, чем млекопитающие друг от друга».

Создание совершенно новых биологических свойств сложнее, чем просто перенос нескольких генов из одного организма в другой. Метаболизм растений подобен часовому механизму, и новые детали, элементы грибной биолюминесценции, необходимо идеально подогнать к нему — и это удалось.

Зеленое свечение исходит от листьев, стеблей, корней и цветов, его видно невооруженным глазом и можно заснять на обычные фотоаппараты и даже смартфоны. Что немаловажно, устойчивое свечение не мешает растениям нормально расти и развиваться.

Оказалось, что органическая молекула, необходимая для свечения грибов, используется и растениями для строительства клеточных стенок. Чтобы появился свет, эта молекула, называемая кофейной кислотой, должна пройти через метаболический цикл с участием четырех ферментов. Два фермента превращают кофейную кислоту в более сложную молекулу, которая затем окисляется третьим ферментом с испусканием фотона. Еще один фермент превращает продукт реакции обратно в кофейную кислоту, замыкая цикл.

Читайте также:  Волновая природа света свет как электромагнитная волна

В растениях кофейная кислота — строительный блок лигнина, ответственного за механическую прочность клеточных стенок. Таким образом, она является частью биомассы растений — лигноцеллюлозы, наиболее распространенного возобновляемого ресурса на Земле. Помимо этого, кофейная кислота необходима для синтеза пигментов, летучих соединений и антиоксидантов (несмотря на похожие названия, кофейная кислота и кофеин — два совершенно разных химических со­единения).

Таким образом, свечение и метаболизм растений тесно связаны, и потому свечение может отражать физиологический статус растений и их реакцию на окружающую среду. Например, растения светятся сильнее, если рядом с ними положить спелую банановую кожуру (которая выделяет растительный гормон этилен). Молодые побеги растений и, в особенности, цветы светятся ярче. Свечение постоянно меняется, может образовывать необычные узоры и волны на листьях растения, позволяя впервые наблюдать внутренние процессы, обычно скрытые от глаз. Свечение также зависит от состояния растения: при увядании листьев оно ослабляется, а при их повреждении, наоборот, увеличивается. Но наиболее сильное свечение дают не листья, а цветы. Очень ярко светятся корни, особенно точки их ветвления. Если отрезать побег, на этом месте начинает вырастать новый, и это место тоже светится очень ярко. Срезанная часть растения будет светиться до тех пор, пока она не засохнет.

Работа велась на двух видах табака — удобных экспериментальных объектах из-за особенности их генетики и быстрого роста. Однако система биолюминесценции грибов может быть перенесена и в другие растения. Как исследователями «Планты», так и участниками параллельного исследования, проведенного в Университете Миннесоты (США), продемонстрирована применимость нового подхода к созданию светящихся растений других видов, включая барвинок, петунию и розу. В будущем можно ожидать получения еще более ярких растений, в том числе с новыми свойствами — например, с изменением яркости или цвета свечения в ответ на людей и окружение.

«Тридцать лет назад я помог создать первое люминесцентное растение, использовав ген светлячков. Новые растения производят гораздо более яркое и устойчивое свечение, механизмы которого полностью встроены в их гены», — сказал Кит Вуд (Keith Wood), директор компании «Лайт Био» (Light Bio), которая, в партнерстве с «Плантой», планирует вывести на рынок светящиеся в темноте декоративные комнатные растения. Рыночные перспективы отметила газета The Times игрой слов в заголовке: «Комнатные растения, светящиеся мягким зеленым светом в результате генетической модификации, обещают садоводству яркое будущее» [6].

В темной комнате такие растения позволяют видеть предметы вокруг, стены, отмечают авторы, а после того как глаза привыкнут к темноте — даже разобрать текст. Кроме того, заставить светиться можно и животных.

Хотя сейчас у ученых нет готового коммерческого продукта на базе этой разработки, компания «Планта», созданная коллективом авторов статьи, уже работает над получением светящихся разновидностей традиционных декоративных растений.

«Идет работа над розами, орхидеямивсего около дюжины сортов. Первым светящимся ­растением на рынке будет, скорее всего, петунияпланируем начать продавать горшочки через два года. Мы хотим создать линейку растений и занять свои ниши во всех сегментах декоративных растенийот срезанных цветов до газонной травы и кустарников. Но только сейчас я осознаю, насколько большой и сложной целью является бизнес, даже если есть сильный научный задел. Нам нужен коммерческий продукт, а табак таким не является. Для вывода идеи на рынок нужно добиться необходимых потребительских качеств, получить много разрешений на продажу, обеспечить интеллектуальную собственность, наладить производство. Это новый и очень интересный вызов», — отметил Илья Ямпольский.

Применение результатов работы выходит за рамки эстетических: биолюминесценция пригодится ученым в решении исследовательских задач. Свечение можно будет использовать для наблюдения за внутренними процессами в растениях. В отличие от других широко используемых типов биолюминесценции, для поддержания стабильного свечения с помощью нового подхода не требуется добавления химических реагентов: растения, содержащие грибную ДНК, светятся непрерывно на протяжении всего жизненного цикла, с момента прорастания до цветения; ее можно использовать для изучения реакций растений на стрессы — высокую температуру или соленость, болезни. С опорой на эти данные можно, например, вывести устойчивые сорта.

«Было ли моей целью создать биолюминесцентные растения? Честно скажу, да, но десять лет назад это казалось малореальным. Для этого нужно было пройти слишком большой путь, и в возможность этого не верилось. Но оказалось, что мы его прошлишаг за шагом. На свете существуют флуоресцентные генно-модифицированные организмыкотята, рыбки. А люминесцентныхне было, потому что не были известны гены, которые за это отвечают; известна была лишь бактериальная система, и работала она только в бактериях. Невозможно было получить биолюминесцирующие многоклеточные организмыа нам это удалось. Мы открыли вторую генетическую биолюминесцентную системуно уже не прокариотическую, а эукариотическую», — подытожил суть сделанного открытия Илья Ямпольский.

Фото предоставлены участниками проекта

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник