Электротехника. XI. Электрическое освещение

Электротехника. XI. Электрическое освещение. 1. Значение и историческое развитие электрического освещения. По сравнению со всеми другими видами освещения электрическое освещение имеет, безусловно, все преимущества, научные исследования показали, что к работе глаза при искусственном освещении нужно относиться весьма внимательно, иначе могут происходить всевозможные осложнения. При плохом искусственном освещении и при все развивающихся ночных работах может сильно распространиться инвалидность по зрению, увеличиться число несчастных случаев, уменьшиться производительность труда, ухудшиться качество вырабатываемых продуктов. Научные исследования показывают, что самое хорошее освещение по своей стоимости может окупиться и еще может получиться дополнительная прибыль по сравнению со всеми расходами, необходимыми для покрытия всех потерь, могущих произойти от плохого освещения. На производствах и в больших учреждениях должно быть рационально поставленное световое хозяйство. Статистика показывает, что 15-20% всей вырабатываемой электрической энергии используется для нужд освещения. В настоящее время не редкость электрические осветительные установки мощностью 200, 500 и 2 500 кВт.

Электрическое  освещение начало развиваться примерно лет пятьдесят тому назад, хотя попытки получить свет при помощи электричества были значительно раньше. В 1801 г. Тенар и Деви производили опыты накаливания проводников электрическим током. В 1802 г. В. В. Петров  открыл явление вольтовой дуги (см. XI, 192 сл.). В 1854 г. Гебель сконструировал впервые электрическую лампу накаливания с угольной нитью. В 1873 г. Ладыгин применил угольные электрические лампы для освещения Адмиралтейства в Петербурге. В 1877 г. Яблочков при помощи своей «свечи» (вольтова дуга с вертикально поставленными и горящими вверх углями) осветил Avenue de l’Opera в Париже. В 1879 г. Эдисон сконструировал электрическую лампу накаливания, технически пригодную для эксплуатации и получившую широкое распространение, как в Америке, так и в Европе. В 1903-1904 г. были изготовлены электрические лампы с нитью накала из металла (цирконий, тантал, позднее вольфрам). В 1906 г. лампы с вольфрамовой нитью накала получили широкое распространение. В 1913 г. Всеобщая компания электричества выпустила газополные лампы. В последнее время имеются попытки искания более экономичных источников света. Для изготовления ламп накаливания более экономичных, чем существующие, нужно иметь в распоряжении материал для тела накала, обладающий высокой температурой плавления, незначительной способностью испарения и селективным излучением. В настоящее время производятся опыты изготовления нити накала для электрических ламп из вновь открытого металла рения, имеющего температуру плавления около 3200°С (несколько ниже вольфрама — 3370° С), но менее подверженного испарению. Изготовляются также нити накала из карбидов различных металлов, обладающих высокой температурой плавления (карбид тантала и гафния 3940°С).

2. Световые величины и их определение. Световой поток есть лучистая мощность, оцениваемая глазом по производимому ею световому ощущению. Светимость (поверхностная плотность светового потока) есть отношение величины светового потока, испускаемого поверхностью, к ее величине. Освещенность в какой-либо точке поверхности есть плотность светового потока в этой точке, или отношение величины светового потока, падающего на поверхность, к величине поверхности. Световая энергия есть произведение величины светового потока на время его действия. Количество освещения (поверхностная плотность световой энергии) есть произведение величины освещенности на время ее действия. Сила света точечного источника есть отношение светового потока к телесному углу, в котором он заключается и вершина которого опирается на точечный источник. Для источников конечных размеров силой света считается отношение светового потока к телесному углу при условии, что измерение силы света производится на достаточно большом расстоянии. Яркость светящейся поверхности в данном направлении есть отношение силы света поверхности в этом направлении к площади проекции   светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к рассматриваемому направлению.

Таблица 1. Основные светотехнические величины.

Обозначения: Т — время, S — площадь, ω — телесный угол, α — угол между данным направлением и нормалью к рассматриваемой поверхности.

* Обозначения и определяющие уравнения приняты международной Осветительной комиссией, кроме отмеченных звездочкой.

3. Световые единицы, их определение   и обозначение. Всесоюзным комитетом   по стандартизации при СТО с 1 июля 1932 г. утвержден, как обязательный стандарт на световые единицы (ОСТ 4891):

Точное значение вышеприведенных световых единиц для научных и практических целей определяется по основным эталонным лампам, выверяемым и хранимым Всесоюзным научно-исследовательским институтом метрологии и стандартизации Всесоюзного комитета по стандартизация при СТО. Рекомендуется пользоваться латинскими буквенными обозначениями и употреблять русские обозначения лишь в тех случаях, когда применение латинских обозначений встречает  затруднения. На рис. 1 в наглядной форме графически представлена зависимость между световыми единицами.

Рис. 1

4. Воспроизведение световых единиц. Для всех световых измерений служит единица силы света — международная свеча, установленная соглашением между государственными метрологическими лабораториями Англии, Франции и Америки. Международная свеча воспроизведена специально приготовленными электрическими лампами накаливания, хранящимися в виде эталонов в метрологических лабораториях вышеуказанных государств. В СССР в 1925 г. декретом СНК постановлено считать за единицу силы света международную свечу. Большинство стран производит световые измерения по международной свече. В Германии до сих пор единица силы света воспроизводится лампой Хефнера (ср. XLIV, 383), в которой горит амилацетат при строго определенном размере фитиля и высоте пламени 40 мм. Соотношение международной свечи и свечи Хефнера в зависимости от температуры источников света приведено в табл. 3.

Таблица 3. Соотношение международной свечи и свечи Хефнера

Источники света почти всегда излучают неодинаковый световой поток и имеют неодинаковую силу света в различных направлениях. Необходимо иметь представление о том, какой именно световой поток или сила света принимается во внимание. Направленная сила света I_→ или I_α есть сила света источника, измеренная в каком-либо одном направлении, и соответствует лишь только одному этому направлению. Средняя поперечная сила света I_h^*) есть среднее арифметическое из значений силы света источника по всем направлениям в плоскости, поперечной оси симметрии источника света и проходящей через его световой центр. Средняя сферическая сила света I_c есть средняя сила света источника, одинаковая по всем направлениям; она равна величине полного светового потока источника света, деленного на 4π. Соотношение между полным световым потоком и средней сферической силой света:

Нижняя (верхняя) полусферическая сила света

215 есть средняя сила света источника, одинаковая по всем направлениям в нижней (верхней) полусфере; она равна величине светового потока, излучаемого в эту полусферу, деленного на 2π. Точно так же установлено понятие о полном световом потоке F_o источника света и о потоке  в нижнюю и о потоке  в верхнюю полусферу. Если при световых измерениях применяется международная свеча, а расстояние измеряется в метрах, то практическая единица освещенности называется просто «люкс». Если же за единицу силы света принимается свеча Хефнера, тогда единица освещенности называется «Хефнер-люкс». В Англии и Америке расстояние измеряется в футах, единица освещенности называется «фут-свеча».

*) Прежде называлась «средняя горизонтальная сила света».

Таблица 4. Соотношения между различными единицами освещенности.

5. Светотехнические измерения и вычисления. Для измерения светового потока или силы света различных ламп и светильников служат разной системы фотометры. Сила света и световой поток вычисляются по найденной яркости экрана фотометра (см. XLIV, 382/84). Измерение освещенности чаще всего производится специальными приборами – люксметрами разных систем, дающими показания непосредственно в единицах освещенности – люксах. Прежде, когда источники света применялись весьма малых мощностей (10 – 100 Вт), они обычно измерялись только на среднюю поперечную силу света I_h. В настоящее время, с применением источников света больших мощностей (до 10 кВт и больше), измерение силы света или светового потока в одном каком-нибудь направлении не может характеризовать источника света как с точки зрения распределения силы света, так и со стороны общего излучения, а поэтому источники света чаще всего характеризуются кривой распределения света, т. е., силой света под различными углами главным образом в продольной плоскости относительно оси симметрии источника света, так как в поперечной плоскости, за некоторым исключением, они излучают приблизительно симметрично. Для получения кривой распределения света ведется измерение через определенное число градусов (5-10°), значения силы света откладываются в полярных координатах под соответствующими углами, и конечные точки векторов силы света соединяются кривой. На рис. 2 изображена поперечная кривая распределения силы света, а на рис. 3 – продольная кривая распределения силы света вольфрамовой вакуумной лампы.

Рис. 2.

Сила света в одном каком-нибудь направлении измеряется обычно на линейном фотометре, схема которого представлена на рис. 4, где l_э — известный по силе света источник (эталон), І_х — источник света, который должен быть измерен, Ф — фотометрическая головка, которая устанавливается так, чтобы оба поля сравнения экрана головки имели одинаковую яркость; тогда справедливо равенство

где l_э и l_x – соответствующие расстояния от источников света до центра фотометрической головки.

Рис. 3

Рис. 4

Для получения кривых распределения силы света в продольной и поперечной плоскости (рис. 2 и 3) применяется распределительный фотометр, схема которого представлена на рис. 5, где 3 — зеркало, могущее вращаться вокруг испытуемого источника света; Э — экран, защищающий фотометрическую головку от прямого попадания лучей от источника света; Ф —  фотометрическая головка; М — испытуемый источник света или эталон; К — промежуточная лампа; l₀ = а + b — расстояние от испытуемого источника или эталона до фотометрической головки.

При производстве измерений испытуемый источник света в прямом направлении фотометрической головки закрыт экраном, и на головку попадет свет только от зеркала. Зеркало может вращаться вокруг источника света на 360°. Центр вращения зеркала должен совпадать со световым центром измеряемого источника света. Головка фотометра все время остается на месте. Для достижения фотометрического равновесия меняется расстояние промежуточной лампы до фотометрической головки. Чтобы исключить коэффициент отражения зеркала и расстояние l₀, в К помещается не самый эталон, а промежуточная лампа, сила света I которой определяется при помощи действительного эталона, помещаемого в М на место испытуемого источника света. Окончательная формула, определяющая силу света I_х источника в зависимости от угла измерения:

где I_э – сила света эталона, l₁ – расстояние от К до фотометрической головки при измерении с эталоном, а l_II – расстояние тоже до головки при измерении испытуемого источника под углом α. По полученным на распределительном фотометре кривым распределения силы света можно вычислить световой поток (F) и среднюю сферическую силу света (I₀), на которые почти всегда и ведутся всякие светотехнические расчеты.

Из табл. 1 следует: F = ωl, а для полного телесного угла ω =  4π имеем F=4πI₀; чтобы вычислить световой поток какого-нибудь источника, следует брать по продольной кривой средние значения силы света через равные линейные углы (не больше 5° или 10°) и это значение множить соответственно на величину телесных углов для каждой зоны, все произведения сложить, что даст полный световой поток источника света. Разделив световой поток F на 4π, получим среднюю сферическую силу света источника (I₀).

Рис. 6

Световой поток и среднюю сферическую силу света можно получить непосредственным измерением при наличии соответствующих эталонов в шаровом фотометре (рис. 6). Шаровые фотометры изготовляются диаметром 1—3 м, внутренняя поверхность матово-белая, через отверстие О направляется на фотометрическую головку Ф световой поток F_э эталона, или световой поток F_x испытуемого источника света. Отверстие О должно быть защищено экраном Э от прямых лучей. Фотометрическое равновесие устанавливается для эталона и испытуемого источника света при помощи промежуточной лампы Л, горящей при строго одинаковом режиме; тогда справедливо следующее равенство:

где l_э и I_x отсчеты на фотометре при фотометрическом равновесии для эталона и испытуемого источника света.

Для измерения освещенности применяются очень простые и удобные для переноски люксметры. Имеется большое количество различных конструкций люксметров. В настоящее время у нас, в СССР, получил большое распространение люксметр, изготовляемый в Ленинградском государственном оптическом институте (ГОИ).

Схема, люксметра представлена на рис. 7. Внутри деревянной коробки помещается матовый экран (1), изменяющий свой наклон при помощи эксI центрика (2j; экран (1) освещается эта; лонной лампой (3». При включении лампы (3) при помощи кнопки (5) на экране

Рис. 7

Схема люксметра представлена на рис. 7. Внутри деревянной коробки помещается матовый экран (1), изменяющий свой наклон при помощи эксцентрика (2); экран (1) освещается эталонной лампой (3). При включении лампы (3) при помощи кнопки (5) на экране (1) создается некоторая освещенность. Световой поток экрана (1) благодаря зеркалам (6 и 7) попадает в окуляр (8). Экран (9) помещают на место, где должна быть замерена освещенность. Световой поток экрана (9) также попадает через отверстие (10) в окуляр (8). Глаз наблюдает два поля освещенных экранов (1 и 9). Экран (1) вращается до тех пор, пока оба поля не будут иметь одинаковую яркость; тогда стрелка, соединенная с головкой эксцентрика, покажет величину освещенности в люксах. При больших освещенностях применяются фильтры (11), включаемые перед экраном (9) рычагом (12). При применении фильтров показания люксметра нужно множить на указанные при люксметре коэффициенты.

В настоящее время широко начинает применяться объективная фотометрия. Световые потоки и освещенности измеряются объективным методом при помощи фотоэлементов без участия глаза. Как известно, работа глаза не постоянна и зависят от многих факторов, влияющих на точность измерений. При фотометрических измерениях фотоэлементы иначе реагируют на световой поток, чем глаз, поэтому приходится дополнительно вводить светофильтры, что значительно затрудняет применение фотоэлементов. При фотометрических измерениях применяются вакуумные фотоэлементы или с газовым наполнением; светочувствительный слой таких фотоэлементов состоит из металлов калия, натрия, бария, рубидия, цезия; суммарная чувствительность таких фотоэлементов к свету колеблется в пределах 20:30 микроампер на люмен. Кроме указанных фотоэлементов, применяются для световых измерений купроксные и селеновые фотоэлементы; суммарная чувствительность первых около 100 миллиампер на люмен, чувствительность вторых 200—300 миллиампер на люмен.

Приемы измерения освещенности в помещении сводятся к нахождению средней (Е _сред), минимальной (Е_мин) и максимальной (Е_макс) освещенностей, а также и коэффициента неравномерности Е_мин:Е_макс. При производстве измерений все помещение разбивается на равные части (обычно кв. м), в каждом квадрате измеряется освещенность 2—3 раза, берется из этих измерений среднее значение освещенности и записывается на предварительно приготовленном, в определенном масштабе, плане помещения. Полученные таким измерением наибольшее и наименьшее значения освещенности принимаются за Е_макс и Е_мин средняя освещенность Е_сред. находится обычно, как среднее значение из всех освещенностей, найденных для каждого квадрата.

Рис. 8

6. Электрические источники света можно подразделить на два класса: на источники с температурным излучением и на источники с излучением по способу люминесценции; к первым относятся лампы накаливания и отчасти вольтовы дуги с чистыми углями, ко вторым — вольтовы дуги с эффектными углями, ртутные дуговые лампы и светящиеся трубки с разреженными газами.

Рис. 9

Электрические лампы накаливания в настоящее время являются очень распространенными источниками света для целей освещения. Лампы изготовляются на мощность от 3 Вт до 50 кВт, на нормальное напряжение 110—120 V и 220 V, а также и на разные другие более низкие напряжения от 2 до 80V. Нормальные лампы накаливания, изготовляемые в СССР, должны удовлетворять по своим световым, электрическим и другим качествам утвержденному стандарту ОСТ 5154.

Рис. 10

Световые измерения электрических ламп накаливания производятся или по световому потоку в люменах, или на среднюю сферическую силу света в международных свечах. Электрические лампы разделяются на вакуумные с угольной нитью (рис. 8), почти вышедшие из употребления, на вакуумные с вольфрамовой нитью (рис. 9) и на газополные тоже с вольфрамовой нитью, свернутой в спираль (рис. 10); последний сорт ламп неправильно называется «полуваттными». В последнее время, как в СССР, так и за границей пустотные лампы мощностью 15, 25, 40 Вт изготовляются со спиральной нитью и по внешнему виду очень похожи на газополные лампы. Спирально-вакуумные лампы экономичнее вакуумных ламп с прямой нитью. В пустотных лампах воздух почти совершенно удален из колбы лампы. В газополных крупных лампах колбы заполняются азотом, а в малых лампах — аргоном или смесью аргона с азотом. Давление газа в колбах ламп в холодном состоянии приблизительно 2/3 атмосферы. Присутствие в колбе инертного газа замедляет процесс испарения металла с поверхности вольфрамовой нити. Кроме указанных типовых широко распространенных ламп, имеется много специальных ламп или ламп с некоторыми конструктивными изменениями.

Для уменьшения слепящего действия для ламп мощностью до 100 Вт колбы изготовляются из молочного стекла, или матируются. Прежде матирование производилось снаружи колбы, в настоящее время матируется внутренняя   часть колбы, что дает потери света 1—3% вместо 5% для ламп, матированных снаружи. Иногда газополные лампы имеют колбу из синего стекла, задерживающего красные лучи, такие лампы носят название ламп «дневного света». Для гигиенических целей иногда колбы газополных ламп с повышенной световой отдачей делаются из стекла, прспускающего ультрафиолетовые излучения (Vitalux lampe). Для фотографических целей изготовляются специальные газополные внутри матированные  лампы с повышенной световой отдачей (Nitraphot-lampe). В продаже имеются лампы и для других разных специальных назначений, как, например: свечеобразные, софитные, иллюминационные, автомобильные, рудничные, котельные и другие.

Рис. 11

В настоящее время нити накала для электрических ламп изготовляются из вольфрама с примесью долей процента тория для того, чтобы нить во время горения кристаллизовалась в мелкие кристаллы, что дает ей большую прочность. Иногда прибавляют также доли процента кремния, который дает не провисающую нить. Вольфрам после специальной, довольно сложной обработки приобретает способность тянуться в очень тонкие и прочные нити.

За пятидесятилетний период существования ламп накаливания сделано много усовершенствований. Современные электрические лампы накаливания в  7-10 раз экономичнее первых. Но все же лампы – весьма невыгодный трансформатор, преобразующий энергию топлива в световую энергию, так как в последнюю переходит меньше 1% первой. Законы  температурного излучения для абсолютно черного тела, открытые Стефан-Больцманом, Вином и Планком, хорошо изучены и подтверждены на опыте. По закону Стефана-Больцмана, полное количество излучаемой энергии для абсолютно черного тела пропорционально 4-й степени температуры:

где α=5,7·10^-12 ватт на см^-2· градус^-1, Т — абсолютная температура, откуда следует, что с увеличением температуры в два раза общее излучение увеличивается в 16 раз! (ср. излучение). На основании закона Вина следует, что с увеличением температуры излучателя максимальная энергия излучения перемещается в область более коротких волн:  λ_max·Т = 2 885, где λ_max — длина волны в микронах, несущая максимальную энергию излучения, а T - абсолютная температура. Планк установил зависимость величины лучистой энергии для определенной длины волны от температуры излучателя:

206 ватт на 1 см², где С₁ = 3,72·10^-12ватт·см^-2; С₂ = 1,43 см – градус; λ – длина волны в см; е — основание неперовых   логарифмов; Т — абсолютная температура.

На основании последней формулы на рис. 11 построены кривые излучения для разных температур площади, ограниченные кривыми пропорционально полному излучению; заштрихованная часть для каждой площади представляет собою лучистую энергию, воспринимаемую глазом (она очень мала!); вся остальная часть лучистой энергии не воспринимается глазом. Другие накаленные тела, как, например, платина, вольфрам тоже следуют законам температурного излучения абсолютно черного тела, но их энергия излучения еще меньше.

Приведенные краткие соображения о процессах излучения дают ясное представление, в каком направлении надо идти, чтобы получить более экономичный источник света. История развития и усовершенствования ламп накаливания показывает, что каждые последующие, вновь выпускаемые типы ламп имели более высокую температуру, большую световую отдачу и большую яркость, как это видно из табл. 5.

 Продолжительность горения ламп и световая отдача зависят от напряжения сети, при котором горят лампы, так как при повышении напряжения возрастает температура нити лампы и световая отдача, но сокращается продолжительность горения. Для приближенных подсчетов служат следующие формулы:

где Т₁ и Т₂ — также продолжительность горения ламп при световых отдачах (Lm/W₁) и (Lm/W₂), b – показатель степени, который может быть принят равным 7;

где Т₁ и Т₂ — также продолжительность горения, а V₁ и V₂ соответствующие напряжения. На рис. 12 представлена зависимость процентного изменения силы света (І₀), световой отдачи (F/W) мощности (W), удельной мощности (W/I₀) и продолжительности срока службы (Т) от напряжения.

К люминесцирующим источникам света относятся: вольтовы дуги с эффектными углями; ртутные дуги из кварца и стекла; светящиеся трубки с разреженными газами (углекислотой — свет Мура, с неоном — рекламное и сигнальное освещение). В настоящее время в практику вводится аргоно-ртутная лампа высокого давления с трубкой из стекла с оксидным катодом и содержанием аргона при давлении в несколько мм ртутного столба. Такая лампа может быть включена в обычную сеть с напряжением 220 V. Световая отдача лампы ~ 40 лм/Вт, яркость средины трубки ~ 200 стильбов. Лампы изготовляются на 250, 500 и 1 000 Вт. Изготовляются лампы такого же типа с, парами натрия и кадмия. По световой отдаче лампы являются самыми выгодными источниками света, но, к сожалению, излучают световой поток, значительно разнящийся от дневного света. Характеристики этих источников представлены в табл. 6.

^*) Сила света на 1 м длины трубки.

7. Системы электрического освещения. Освещение называется общим, когда вся поверхность помещения освещается одним или несколькими светильниками. Если освещается только небольшое рабочее пространство одним, а иногда двумя светильниками, то такое освещение называется местным. Там, где требуется по роду работ высокая освещенность, порядка 200 — 1 000 люкс, необходимо применять местное освещение. Согласно правилам Н. К. Т., не разрешается применять в промышленных предприятиях одно только местное освещение. Очень часто применяются оба указанные способа одновременно, тогда такое освещение называется смешанным. Если общее освещение ниже 100 люкс, оно должно составлять 25% от совместного действия общего и местного освещения.

Рис. 13

Освещение разделяется на прямое, полуотраженное и отраженное. Прямое освещение получается, когда световой поток от светильника непосредственно направляется на освещенную поверхность. Такое освещение создает резкие тени (рис. 13 а). Полуотраженное освещение получается, когда от светильника лишь часть светового потока падает непосредственно на освещаемую поверхность, другая же — большая — часть отбрасывается светильником на потолок и стены и уже при вторичном отражении попадает на освещаемую поверхность. Такое освещение дает  мягкие тени (рис. 13 б). Отраженное  освещение получается, когда от светильника весь световой поток отбрасывается на потолок и стены и уже при вторичном отражении от этих поверхностей попадает на освещаемые поверхности. При таком освещении тени почти отсутствуют (рис. 13в). Полуотраженное и отраженное освещение должно устраиваться в помещениях со светлыми стенами и потолком. Стоимость эксплуатации отраженного освещения самая большая по сравнению с полуотраженным и прямым освещением.

При устройстве, как местного, так и общего освещения надо избегать слепящего действия и нельзя помещать ярких источников света в поле зрения глаза. В настоящее время органами охраны труда в СССР совершенно запрещается применять для освещения голые электрические лампы или лампы с плоскими абажурами. В пределах угла 30°, образованного горизонтальной линией и линией, соединяющей глаз с источником света, допускается помещать светильники, у которых светящееся тело или вовсе не видно, или заслонено густой светорассеивающей оболочкой. Общее освещение должно создавать достаточно равномерную освещенность всего помещения. Отношение наибольшей освещенности к наименьшей не должно быть больше 3:1. Должны хорошо освещаться как горизонтальные места работ, так и вертикальные. В соседних помещениях не должна быть большая разница в освещении, так как при переходе из слабо освещенного помещения в помещение сильно освещенное и наоборот глаз в начале плохо приспособляется к таким резким переменам. Освещение не должно создавать мешающих при работе теней и не должно создавать слепящего отражения от рабочих поверхностей.

Рис. 14

Осветительные установки должны быть легкодоступны исправлению и чистке. На уход за осветительными установками, особенно в промышленных предприятиях, должно быть обращено самое серьезное внимание. Своевременная смена ламп и чистка арматуры может повысить освещенность на 40-50%.

8. Светильники. При устройстве электрического освещения всегда применяется арматура. Осветительной арматурой называется приспособление, служащее для перераспределения светового потока источника света, предохранения глаз от ослепления, защиты источника света от механических повреждений и действия непогоды. Осветительная арматура в совокупности с источником света и некоторыми другими деталями называется светильником. За последние годы в СССР были проведены большие исследования по изысканию типов рациональной арматуры для промышленного освещения. В настоящее время в Союзе изготовляется в большом количестве типовая арматура для прямого, полуотраженного и уличного освещения, а по специальным заказам и всякая другая арматура.

Осветительная арматура характеризуется: коэффициентом полезного действия (отношение светового потока  лампы с арматурой к световому потоку голой лампы); распределением светового потока (или силы света) в верхней и нижней полусфере в продольной плоскости; направлением и величиной максимального светового потока (или силы света). Колпаки, кроме того, характеризуются защитным углом (угол, образованный горизонтальной линией, проходящей через световой центр источника света, и линией, проходящей через тот же световой центр источника света и край колпака). В пределах защитного угла глаз не подвергается слепящему действию от источника света. В таблице 7 представлены характеристики изготовляемых в СССР светильников для освещения промышленных предприятий, общественных учреждений и улиц. На рис. 14 в качестве примера дана кривая распределения силы света для светильника типа «Люцетта» и голой лампы.

Стекло, металлические стеклодержатели и опорные обода для осветительных арматур, для целей экономии, ограничены в СССР небольшим количеством необходимых сортов и стандартизованы (ОСТ 2450) по своим основным размерам.

Электроарматурное стекло должно выдерживать нагревание до 80°С, не должно иметь трещин, наплывов, резко заметных свилей и пузырей.

9. Расчет электрического освещения и нормы освещенностей. Освещение должно быть достаточно, не действовать вредно ослепляющее на глаза, что очень часто наблюдается при неправильном устройстве освещения и при применении источников света с большой яркостью (см. табл. 5). Осветительная установка должна быть экономична, удобна в эксплуатации и красива по внешнему виду. Для установления достаточной величины освещения имеются «Временные правила искусственного освещения фабрик, заводов, мастерских и других служебных помещений и мест работы», изданные как обязательные НКТ от 17 сентября 1928 г. В соответствии с этими правилами можно считать достаточными нижеприведенные в таблице 8 минимальные освещенности для различных рабочих поверхностей и вспомогательных помещений.

Таблица 7. Характеристики светильников, изготовляемых в СССР.

Наименование светильников	Название светильников	Мощность ламп в ваттах
1. «Универсаль»	Применяется для прямого общего и местного освещения при темных потолках или занятых различными установками. В пыльных помещениях или при небольших высотах подвеса применяются обязательно с затенителями.	200-500
2. «Люцетта», преимущественно направленного света.	Применяются для общего освещения при светлых окрасках потолков и стен.	100-500
3. «Люцетта», преимущественно отраженного света (рис. 14)	Применяется там, где не должно быть резких теней, для полуотраженного освещения при светлых окрасках потолков и стен.
4. Глубокоизлучатель	Применяется для прямого освещения внутренних помещений и наружных пространств при больших высотах подвеса или где требуется получить большую освещенность на местах работы.	300-1000
5. «Альфа»	Применяется для местного освещения.	До 75
6. «Преимущественно прямого света»	Применяется для освещения внутренних помещений со светлой окраской потолков и стен, для улиц на которых должна быть несколько освещена верхняя часть фасадов; дает мягкие тени.	200-1000
7. «Плафон» одноламповый	Применяется для помещения с низкими потолками, для лестниц, вестибюлей и проч.	До 85
8. «Наружного освещения»	Применяется с прозрачными и матовыми стеклами для освещения открытых пространств	200 – 1000

Таблица 8. Освещенности на рабочих поверхностях и во вспомогательных помещениях.

Разряд	Название работ и помещений	Минимальная освещенность, люксы
Ia	Мелкие и тонкие работы с темными рабочими поверхностями (отношение наименьшего размера рассматриваемого предмета к расстоянию его до глаза не более 1:1000). Точные тонкие работы по металлу, контроль, браковка, испытания, чертежные работы, пробирка режим, темное крашение, тонкая шлифовка, лабораторные работы.	100
Iб	Те же работы, что в разряде Ia, но рабочие поверхности преимущественно светловатых и светло-серых цветов. Тонкое ткачество, ватера, шитье на швейных машинах, тонкие слесарные, токарные, столярные и инструментальные работы, крашение и отделка, кручение, счетные и проектные работы, живопись.	75
Iв	Те же работы, что в разряде Ia, но с рабочими поверхностями светлых цветов, а рассматриваемые на них предметы светло-серых и темных цветов. Чтение, отсчет на измерительных приборах, кабинеты и конторы, светлое ткачество, прядение, каландры, сборка машин, распиловка дерева, столярно-плотницкие и малярные работы, аппретурные работы, машинные залы, кондитерское производство, хлебопечение, обработка кож.	50
IIa	Различение несколько более крупных деталей по сравнению с указанными в разряде Iа преимущественно на темных поверхностях. Более крупное прядение и ткачество, средние токарные, слесарные и столярные работы, трансформаторные помещения, распределительное устройство, сборка мелких машин.	60
IIб	Работы, что в разряде Iб, но с рабочими поверхностями светловатых и светло-серых цветов. Более грубые слесарные работы, жестяночные, кровельные и штамповальные работы.	45
IIв	Работы, что в разряде Iв, но с рабочими поверхностями светлых цветов. Грубое прядение, прокатка, кузнечные и малярные работы, кардное и ленточное производство, промывка, сушка, отбелка, перегонка, дубление, краско-варочные работы, помол, водокачки, вагранки, склады инструментов и мелких частей.	30
IIIa	Работы при которых не требуется различать мелкие предметы, их части и какие-либо подробности С темными поверхностями С светловатыми и светлыми	30 20
IIIб	Чесальные машины, грубая упаковка, склады
IV	Работы, не требующие рассматривания близлежащих поверхностей. Топочные помещения, бункера, зольное помещение и проч.	15
V	Работы, связанные с применением доступных для соприкосновения опасных режущих инструментов, резцов, сверл, фрез, и проч., размером: менее 5х5 см Более 5х5 см	100 50
VI	Уборные, умывальники, ванные (горизонтальная освещенность на полу)	35
VII	Раздевальни: 1)      Горизонтальная освещенность на полу 2)      Вертикальная освещенность на полу	15 5
VIII	Проходы в помещениях между станками: 1)      Горизонтальная освещенность на полу 2)      Вертикальная освещенность на стенах и боковых поверхностях станков на протяжении 2 м от пола	10 4
IX	Входы, выходы, лестницы и иные помещения для пребывания и прохода людей: 1)      Горизонтальная освещенность на полу 2)      Вертикальная освещенность на стенах на протяжении 1,5 м от пола	8 3
X	Дворы, проезды (на земле)	2

Примечание: Рабочими поверхностями считаются поверхности предметов, на которые должен смотреть глаз во время работы. Если не указаны рабочие поверхности, то освещение измеряется на высоте 1 м от пола. Опыт применения норм показал, что для тонких работ минимальная освещенность в 100 лк недостаточна.

Для более тонких работ, чем указанные в I разряде НКТ утвердил 14 мая 1933 г. в обязательном  порядке 0 разряд, по которому освещенности принимаются для темных рабочих поверхностей 200 лк, средних – 150 лк, светлых – 100 лк.

На II Всесоюзной светотехнической конференции в Москве в 1929 г. были приняты проекты правил освещения учебных и лечебных заведений, а также впервые для нашего Союза были приняты правила искусственного освещения улиц, проездов и дорог.

Особенно нужно тщательно относиться к освещению школьных помещений (см. школьная гигиена, L, 208/09). В учебных помещениях школ должно применяться общее освещение. Освещенность не должна быть ниже принятых на конференции норм, приводимых в таблице 9.

Таблица 9. Нормы освещенностей школьных помещений.

Название помещений	Минимальная освещенность, люкс
На столах учащихся	75
На классных досках	75
В лабораториях и на рабочих местах	50
В библиотеках на столах	50
На чертежных досках	100
В спортивном зале на полу	30
В помещениях для отдыха	20
В коридорах и раздевальнях	15 – горизонтальная освещенность на полу
В уборных	50 – горизонтальная освещенность на полу

Для освещения лечебных заведений принятые нормы представлены в таблице 10.

Таблица 10. Нормы освещенностей лечебных заведений.

Название помещений	Классы
	Общее освещение	Местное освещение
Операционные	100	2000
Приемные покои, перевязочные	100	600
Лечебные кабинеты, лаборатории, аптеки	100	300
Кухни	60	-
Палаты	20	-
Прачечные	30	-
Склады	20	-
Уборные, умывальники, ванные	50	-
Коридоры, лестницы, проходы	20	-

Для жилых городских помещений можно рекомендовать следующие, приводимые ниже в таблице 11, нормы освещенностей.

Таблица 11. Нормы освещенностей домашних помещений

Наименование помещений	Минимальная освещенность, люкс
Столовые	35
Детские	50
Кабинеты	50
Библиотеки	50
Спальни	30
Гостиные	40
Кухни	40
Уборные	15
Ванные	15
Коридоры	8
Лестницы	8
Входы и выходы	8

Для установления величин освещенности наружных пространств все улицы, площади, проезды и дороги в зависимости от характера движения разбиваются на 5 разрядов.

Таблица 19. Нормы освещенностей улиц, площадей, проездов и дорог.

Наименование освещенных мест	Наименьшая освещенность, люкс
	В крупных городах	В больших городах	В небольших городах, фабричных и других поселках
I.Вокзальные площади; улицы и проезды с особо автомобильным и трамвайным движением; базары, рынки, ярмарки; подъезды, спуски и лестницы на улицах.	4	2	1
II.Улицы, проезды и дороги с большим автомобильным и трамвайным движением; площади и места около общественных зданий, фабрик, заводов, театров, клубов, домов культуры, кинематографа  и т. д.	2	2	1
III.Улицы и проезды со средним автомобильным и трамвайным движением.	1	1	1
IV.Улицы и проезды с небольшим автомобильным и трамвайным движением.	0,2	0,3	0,3
V.Улицы, проезды и дороги с редким движением (при отсутствии трамвая).	0,1	0,1	0,1

Задача расчета электрического освещения сводится к размещению и выбору соответствующих по мощности светильников в зависимости от характера производимых работ и от размеров и окраски помещения. Светильники прямого света подвешиваются от потолка на расстоянии 30-50 см; для полуотраженного и отраженного света на расстоянии 50—100 см, в зависимости от высоты помещения и необходимости достижения равномерного освещения потолка. Расстояние между светильниками должно приблизительно равняться 1,5 высоты подвески светильников, причем высота подвески считается для светильников прямого света от светового центра светильника до рабочей поверхности, а для светильников полуотраженного и отраженного света от потолка до рабочей поверхности. Расстояние светильников от стен должно равняться приблизительно 0,5-0,75 высоты подвески светильников. В некоторых случаях для получения большей равномерности освещения приходится отступать от вышеуказанных правил размещения и подвески светильников. Необходимый световой поток можно создать небольшим числом мощных источников света или, наоборот, большим числом маломощных источников света. В первом случае достигается меньшая равномерность в освещении, но и меньшие расходы по эксплуатации, во втором случае получается лучшая равномерность в освещении, но увеличивается стоимость эксплуатации.

Рис. 15.

Существует несколько методов расчета электрического освещения. Как более простой и быстрый способ расчета, дающий практически достаточные результаты, можно рекомендовать метод коэффициентов использования. Необходимый световой поток для одной лампы, создающий освещение в помещении в соответствии с вышеприведенными нормами, определяется по следующей формуле:

где F – световой поток в люменах для одной лампы осветительной установки, Е — требуемая освещенность по нормам (см. табл. 8, 9, 10, 11), S - площадь пола в квадратных метрах освещаемого помещения, z — число ламп; с — коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока со временем; для чистых помещений его величина принимается 1,2—1,3, для средних 1,5 и для пыльных и грязных — 2;  η — коэффициент использования осветительной установки (отношение величины используемого для создания определенной освещенности на определенной площади светового потока ко всему излучаемому в помещении световому потоку). Коэффициент использования в большой мере зависит от окраски помещений, от рода выбранных светильников и от геометрических размеров помещения (индекс помещения i).

Чтобы рассчитать освещенность в какой-либо точке А, находящейся на горизонтальной поверхности М или на вертикальной поверхности Р (рис. 15), можно воспользоваться следующими формулами: для горизонтальной освещенности

для вертикальной освещенности

где Е — горизонтальная или вертикальная освещенность в люксах; І_α — сила света источника под углом α; Н — высота в м светового центра источника света над освещаемой точкой; l — горизонтальное расстояние в м от светового центра источника света до освещаемой точки.

Для подсчета освещенности точечным методом нужно знать распределение силы света источника в продольной плоскости (см. рис. 14). Точечный метод подсчета освещенности дает возможность сделать более точную поверку освещенности на местах работы. Освещенность в действительности может быть несколько выше, так как при подсчете этим методом не учитывается световой поток, отраженный от окружающих поверхностей. При помощи точечного метода можно построить кривые освещенности для различных направлений освещаемой поверхности. Уличное освещение преимущественно рассчитывается точечным методом.

Для расчета освещения от источников света больших размеров, как, например, больших светящихся поверхностей, нельзя пользоваться приведенными формулами расчета. В таких случаях освещенность в какой-нибудь точке поверхности может быть определена по формуле:

где В — яркость светящейся поверхности, ω — телесный угол, образуемый светящейся поверхностью с вершиной в освещаемой точке, α — угол наклона перпендикуляра из середины светящейся поверхности к нормали плоскости в освещаемой точке. В приведенной  формуле представляет большое затруднение определить проекцию телесного  угла.

Рис. 16

Для диффузно рассеивающей свет  прямоугольной плоской светящейся  поверхности для точки, лежащей на  перпендикуляре, опущенном из угла   светящейся плоскости на освещаемую  поверхность N (рис. 16), горизонтальная освещенность Е_н в точке А будет определяться формулой:

где В – яркость в стильбах, h – высота светящейся поверхности над освещаемой точкой, а – длина, b – ширина светящейся поверхности. Чтобы подсчитать по этой формуле освещенность в какой-нибудь другой точке В, нужно восстановить перпендикуляр из этой точки к светящейся поверхности, через точку перпендикуляра провести линии параллельно сторонам а и b (рис. 16); эти линии разделяют светящуюся поверхность на четыре части: 1, 2, 3,4. Освещенность в точке В подсчитывается отдельно от каждой поверхности и суммируется.

Рис. 17

Для подсчета вертикальной освещенности применима формула:

В приводимых формулах линейные размеры выражены в метрах, освещенность в люксах, яркость в стильбах, углы в радианах. Углы, выраженные в градусах, надо умножить на (π/180), чтобы получить углы в радианах.

10. Прожекторное освещение. В настоящее время часто стали освещать прожекторами памятники, фасады общественных зданий, места строительных работ, железнодорожные пути и пр. В СССР изготовляются прожектора нескольких типов с различными световыми и электрическими характеристиками.

Пучок лучей прожектора на горизонтальной поверхности дает световое поле эллиптической формы. Величину эллиптической площади легко определить из рис. 17, где Н — высота прожектора над освещаемой поверхностью; С — мертвое пространство; Θ— угол наклона оси прожектора к горизонтальному направлению; α’ — угол, наклона оси прожектора к вертикальному направлению; α — угол наклона луча, падающего в освещаемую точку  по отношению к вертикальному направлению; r — расстояние от прожектора до освещаемой точки;  β — полезный угол рассеяния; Od - ось прожектора.

Необходимый световой поток для какой-нибудь площади при заданной  средней освещенности определяется   по формуле:

где F₁ – необходимый  световой поток; в люменах; площадь в кв. м, которую необходимо осветить; m — коэффициент потери света по сторонам = 1,2-1,5; с — коэффициент ухудшения  прожектора во время его действия.

Потребное количество пpoжeктopoв на данную площадь определяется следующей формулой:

где F — световой поток голой лампы,  η — коэффициент полезного действия прожектора.

Горизонтальная освещенность от прожектора в какой-нибудь точке, лежащей на большой оси эллипса, определяется формулой:

где I_α – сила света прожектора, измеренная под углом α в продольной плоскости; с – коэффициент ухудшения прожектора во время его действия; r – расстояние освещаемой точки от прожектора.

Для нахождения горизонтальной освещенности в точке, лежащей на малой оси, значение сил света берется по кривой, снятой в поперечной плоскости. Вертикальная освещенность точек, лежащих на большой или малой оси эллипса находится по формуле:

Для определения освещенностей в любой точке площади эллипса имеются более сложные методы подсчета.

Табл. 13. Временные правила искусственного освещения открытых пространств и фасадов зданий.

Наименование освещаемых мест	Наименьшая освещенность
	На горизонтальной плоскости	На вертикальной плоскости
I.Открытые пространства, на которых имеется движение людей и механизмов и не требуется различать мелких предметов.
1.Строительные, ремонтные работы, открытые трансформаторные подстанции, верфи и проч.	8	15
2.Земляные работы, каменоломни, складские и погрузочные дворы.	2	5
3.Железнодорожные парки, маневровые пути, большие складские территории.	0,2	0,5
II.Места спорта и собраний.
1.Народные гулянья, пруды для катанья на лодках.	1	-
2.Массовые игры, купальные бассейны.	2	-
3.Велодромы, ипподромы.	3	10
4.Волейбол, теннис, футбол и т. д.	20	40

 

III.Фасады зданий и памятники	Средняя освещенность в люксах при фоне:
	Светлом	Среднем	Темном
1.Светлая поверхность (светлые изразцы, светлый железобетон, светло-серый камень).	60	40	30
2.Среднего света поверхность (серый камень, терракот, серая окраска).	100	90	50
3.Темного цвета поверхность (красный, темно-серый камень, темная окраска).	160	120	80
IV.Вывески и реклама
4. Светлая поверхность	200	-	100
5. Темная поверхность	300	-	200

Литература: «Труды I, II, III Всесоюзной технической конференции» (1926, 1931, 1933); «Труды Ленинградского Института гигиены труда — Освещение промышленных предприятий» (1930); журнал «Светотехника» (1932 и 1934); Майзель, С. О., «Об основных понятиях светотехники» (1931); Гершун, А. А., «Фотометрические единицы и величины»; Мартынов, П. И., и Соколов, М. В., «Светотехническая терминология» (1931); Гуревич, М. М., «Световые измерения (конспект лекций)» (1934);  Фабри, Ш., «Общее введение в фотометрию»  (1934); Федоров, Е. В., «Осветительные лампы»; (1934); Ульмишек, Л. Г., «Производство электрических ламп» (1933); Иванов, А. П., «Электрические лампы и их изготовление» (1923); Белькинд, Л. Д.. «Электрические осветительные приборы ближнего действия» (1934); Мешков, В. ' В., и Смелянский, 3. Б., «Гигиена освещения» (1934); «Основные сведения об электрических лампах» (изд. ВЭО); Мешков, В. В., и Соколов, И. И., «Курс осветительной техники», (1934); Сиротинский, Л. И., и Федоров, Б. Ф., «Основы техники электрического освещения» (1930); Френкель, С. В. и Надежин, П. Ф., «Методы светотехнических расчетов» (1933); Лоренцсон, И. Г., «Декоративное освещение» (1933); «Расчет прожекторного освещения» (Сборн. ст., Энергоиздат, 1932); Фролов, Р. Н., «Электрические прожекторы» (1933); Соколов, И. И., «Применение прожекторов для целей освещения» (1932); Озолинг, И. Х, и Белов, К. П., «Проектирование прожекторного освещения сортировочных станций» (19320; Зеленков, В. А., «Основные вопросы энергетики и экономики искусственного освещения промышленности предприятий в связи с планом развития промышленности»; Walsh, J., «Photometry» (1926); Liebenthal, Е., «Pruktische Photometric»  (1907); Uppenborn-Monasch, Lehrbuch der Photometrie» (1912); Bloch, L., «Lichttechnik» (1921); Lukiesh, М., «Licht und Arbeit» (1926); «Нandbuch der Physik» (В. XIX); Jolly, Waldram, Wilson. «The Theory and Design of illuminating Engineering Equipment» (1930); Cady and Dates, «Illuminating Engineering» (1925); Barrows, «Light Photometry and Illuminating Engineering» (1926); Harrison, Haas, Reid, «Street lighting practice»; журналы: Transactions of the Illuminating Engineering Society, Das Licht, Licht und Lampe.

П. Мартынов.