Кандела

Сила світла джерела видимого випромінювання визначається світловим потоком, що сприймається оком людини, з урахуванням його чутливості до різних ділянок частотного спектра. Одиниця сили світла та її еталони пройшли велику еволюцію. У Німеччині з 1869 р. використовувалася парафінова свічка діаметром 20 мм і висотою полум'я 50 мм. У 1893 р. Міжнародним конгресом електриків за еталон одиниці сили світла була прийнята аміл-ацетатна лампа з висотою полум'я 40 мм при його ширині 8 мм [8].

З 1924 р. за рішенням Міжнародної комісії з освітленості основним світловим еталоном (еталоном яскравості) був визнаний повний випромінювач (або “абсолютно чорне тіло”), виконаний за особливою специфікацією.

У 1948 р. ГКМВ прийняла нову назву для одиниці сили світла – кандела (оскільки французькою мовою свіча – chandelle). Визначення кандели також неодноразово уточнювалося. У 1979 р. було прийнято нині діюче визначення:

кандела – сила світла в заданому напрямку від джерела, що випромінює монохромне випромінення частотою 540·10¹² Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/ср*.

Це визначення встановлює зв'язок світлових та енергетичних величин, що визначається функцією світлової ефективності

,

де – функція, що описує усереднену спектральну характеристику людського ока (відносну світлову ефективність); – значення максимальної світової ефективності; – світловий потік у люменах; – потік випромінювання у ватах.

Максимальна світлова ефективність, як обернена величина електричної сили світла (), була прийнята як метрологічна стала, що дорівнює 683 лм/Вт на частоті випромінювання 540·10¹² Гц. Ця частота відповідає максимальній чутливості людського ока (зелена область видимого світла).

Кандела за допомогою згаданого вище абсолютно чорного тіла може відтворюватися в такий спосіб (рис. 3.24).

 

 

Рис. 3.24. Еталон кандели на основі абсолютно чорного тіла

 

Повний випромінювач являє собою невелику трубку з окису торія діаметром близько 2,5 мм, занурену в чисту платину. Платина, в свою чергу, знаходиться в посудині, спресованій з порошку плавленого окису торія, оточеній порошком з окису торія. Усе це поміщено в зовнішню посудину з плавленого кварцу. Зовнішня посудина оточена невеликою кількістю витків мідної охолоджуваної водою трубки.

По трубці пропускається струм високої частоти (близько 250 кГц), що нагріває платину до її плавлення. Разом із платиною нагрівається і трубка з торія. Світло випромінюється з порожнини трубки через отвір у верхній її частині. Яскравість повного випромінювання при температурі твердіння платини порівнюється за допомогою фотометра з яскравістю особливих ламп розжарення, що використовуються як вторинні еталони. Частота монохромного випромінювання повного випромінювача знаходиться в зеленій області видимого світла і відповідає максимальної чутливості людського ока.

Інші світлові одиниці, такі, як люмен (одиниця світлового потоку) і люкс (одиниця освітленості), визначаються через канделу.

Нове (1979 р.) визначення кандели дає можливість її реалізації не тільки за допомогою абсолютно чорного тіла, але і “абсолютно чутливих” (кріогенних) приймачів (метод еталонного вимірювача).

На цей час такі еталони створили деякі національні метрологічні центри. Спрощену структурну схему еталона на основі такого кріогенного приймача-радіометра наведено на рис. 3.25.

Кріогенний радіометр охолоджується рідким гелієм при температурі 5 К і працює на принципі електричного заміщення. Спочатку визначається абсолютна спектральна чутливість (в амперах на ват) на основі шкали абсолютної спектральної чутливості і виміряється площа апертури А. Світлова ефективність (А/лк) визначається з виразу

,

де – розподіл вимірюваної спектральної потужності світла.

 

 

 

Рис. 3.25. Кріогенний приймач-радіометр

 

Сила світла (у кд) визначається за формулою

,

де – відстань від джерела світла до площини діафрагми (у метрах); – тілесний кут (у стерадіанах); – вихідний струм фотометра (в амперах).

Шкала спектральної чутливості в сучасних еталонах відтворюється спеціаль­ними приймачами-пастками (трап-детекторами) на кремнієвих фотоді­одах (більш докладно це питання тут не розглядається).

Саме на основі кріогенного радіометра побудований державний еталон України [19], що має НСП 1,5·10^-3 і СКВ 1·10^-3.

Подальша практика експлуатації та дослідження еталонів покаже перевагу того чи іншого методу побудови еталона кандели.

 

3.6 Кілограм

 

Визначення одиниці маси – кілограма – було дано у 1901 р. III Генеральною конференцією з мір та ваг у такому вигляді:

“Кілограм – одиниця маси і дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма”.

Коротка історія цього прототипу така. При встановленні метричної системи мір як одиниця маси була прийнята маса 1 кг, що дорівнює масі 1 дм³ чистої води при температурі її найбільшої густини (4 ⁰С). У цей період були проведені точні вимірювання маси відомого обсягу води шляхом послідовного зважування в повітрі і воді порожнього бронзового циліндра, розміри якого були ретельно визначені.

Виготовлений на основі цих зважувань перший прототип кілограма являв собою платинову циліндричну гирю висотою 39 мм, що дорівнює його діаметру. Він був переданий на збереження в Національний Архів Франції (рис. 3.26 ).

 

 

Рис. 3.26. Прототип кілограма, що зберігається в Архіві Франції

 

У XIX ст. були зроблені повторні ретельні вимірювання маси 1 дм³ води, при цьому було встановлено, що ця маса приблизно на 0,28 г менше маси прототипу Архіву.

Для того, щоб при подальших, більш точних зважуваннях не змінювати значення одиниці маси, Міжнародною комісією з еталонів метричної системи в 1872 р. було вирішено за одиницю маси прийняти масу прототипу кілограма Архіву.

У 1883 р. були виготовлені 42 прототипи кілограма з платино-іридієвого сплаву (90% платини і 10% іридію) фірмою “Джонсон, Маттей і К⁰”. Копії №12 і №26 були отримані за жеребкуванням Росією в 1889 р. відповідно до Метричної конвенції. Копія №12 стала державним еталоном Росії. Еталон зберігається на кварцовій підставці під двома скляними ковпаками в сталевій шафі особливого сейфа, що знаходиться в термостатованому приміщенні ВНИИМ, м. С.–Петербург.

Нині до складу державного первинного еталона одиниці маси Росії входять обидва прототипи кілограма №12 і №26, набір еталонних гир від 1 до 500 г із платино-іридієвого сплаву, еталонні ваги номер 1 (Рупрехта) і номер 2 (ВНИИМ) з дистанційним керуванням, що служать для передачі розміру одиниці маси від первинного еталона вторинному і робочому еталонам (рис. 3.27). Еталонні ваги мають межі зважування 1 кг, 200, 25 і 3 г.

 

 

Рис. 3.27. Еталонні ваги з найбільшою межею зважування 1 кг

 

Похибка відтворення маси еталоном кілограма (СКВ) не перевищує 2·10^-9 .

До складу державного еталона одиниці маси України входять три гирі номінальною масою 1 кг, виготовлені й атестовані в Росії (ВНИИМ), а також:

- набір еталонних гир від 1 до 500 г;

- еталонні ваги-компаратор фірми “Sartorius”;

- еталонні автоматизовані ваги власної конструкції.

СКВ результатів вимірювання маси еталонних гир 1 кг не перевищує 8·10^-9.

Як показують результати міжнародних звірень, незважаючи на всі обережності, за 90 років маса еталонної гирі Росії збільшилася на 0,02 мг. Пояснюється це адсорбцією молекул з навколишнього середовища, осіданням пилу на поверхню гирі й утворенням тонкої корозійної плівки. У зв’язку з цим, а також через значні практичні незручності роботи з прототипами визнано доцільним шукати шляхи створення природного еталона кілограма. Сьогодні такі роботи ведуться в найбільших метрологічних центрах світу [8, 29].