background image





Cel üwiczenia

 

Poznanie podstawowych wielkoĞci fotometrycznych, ich wizualnych i fizycznych metod pomiaru oraz 

zapoznanie  siĊ  z  zasadami  działania  fotometru  Lummera-Bredhuna  oraz  fotoogniwa  poprzez  wyznaczenie 
natĊĪenia Ĩródła Ğwiatła metodą wizualną i fizyczną, a takĪe wykreĞlenie wykresów i=f(E), E=f(Į) oraz badanie 
przepuszczalnoĞci filtrów szarych przy zastosowaniu metody fizycznej. 

CZ. I Pomiary fotometryczne z wykorzystaniem fotoogniwa selenowego

Układ i metody pomiarowe

 

Podczas  wykonywania  üwiczenia  korzystaliĞmy  z  fotoogniwa  selenowego,  którego  schemat  jest 

zaprezentowany poniĪej. 

Rys. 1. Schemat budowy fotoogniwa 

 

 



Zasada  działania  fotoogniwa  jest  oparta  na  właĞciwoĞciach  złącza  metal-półprzewodnik.  Absorpcja 

Ğwiatła  w  obszarze  ładunku  przestrzennego  złącza  metal-półprzewodnik  powoduje  wybijanie  elektronów  z 
atomów  i  powstawanie  par  elektron-dziura,  które  są  natychmiast  rozseparowywane  przez  pole  elektryczne 
wystĊpujące w tym obszarze. W obwodzie dołączonym do biegunów fotoogniwa powstaje prąd elektryczny  
niewielkim natĊĪeniu, mierzony mikroamperomierzem. 
 

Pierwszym zdaniem było mierzenie natĊĪenia prądu płynącego w obwodzie w zaleĪnoĞci od odległoĞci 

Ĩródła Ğwiatła i wyznaczenie charakterystyki i=f(E). W tym celu odsuwaliĞmy fotoogniwo od Ĩródła Ğwiatła co 5 
cm począwszy od odległoĞci 30 cm a koĔcząc na 95 cm.  
 

Drugim zadaniem było mierzenie natĊĪenia prądu płynącego w obwodzie w zaleĪnoĞci od kąta padania 

Ğwiatła na fotoogniwo. Na odległoĞci fotoogniwa od Ĩródła równej 30 cm wychylaliĞmy fotoogniwo o kąt od 0° 
(płytka fotoogniwa jest prostopadle do Ĩródła Ğwiata) do 70° co 10° w obie strony. Dla wychylenia fotoogniwa w 
lewo przyjĊto notacjĊ z „-”. 
 

Kolejnym  zadaniem  było  zbadanie  przepuszczalnoĞci  filtrów  szarych.  W  tym  celu  mierzyliĞmy 

natĊĪenie prądu fotoelektrycznego i dla Ğwiatła przepuszczanego przez filtry. 
 

Pomiary do w/w zadaĔ wykonane zostały dla układu pomiarowego zaprezentowanego na Rysunku 2. 

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego 

background image





Pomiary i obliczenia

Pomiary zostały dokonane przy wykorzystaniu Zasilacza Stabilizowanego ZSC 05012 oraz urządzenia 

LM-3, słuĪącego jako  mikroamperomierz, którego  klasa  wynosi 0,5. ħródło Ğwiatła było zasilane przez prąd o 
charakterystyce: I = 1,46 A, U = 8,84 V. PrzyjĊte do obliczeĔ wartoĞci zostały zaprezentowane poniĪej: 

Tabela 1. WartoĞci przyjĊte do obliczeĔ  

I  [cd] 

ǻ I [cd] 

Į [ ˚ ] 

ǻ Į [ ˚ ]

16,5 

0,5 

1. Wyznaczanie zaleĪnoĞci E=f(r)oraz charakterystyki Ğwietlnej fotoogniwa  i=f (E)

 

 

 

Pomiary  prądu  zostały  dokonane  na  zakresie  75,  taką  samą  wartoĞü  ma  górna  podziałka  z  której 

korzystaliĞmy. Tabela 2 zawiera zestawione pomiary i wykonane obliczenia. 

Tabela 2. Dane pomiarowe i obliczenia 

ǻ r 

i  

ǻ i 

E  

ǻ E  

[cm] 

[cm] 

[ȝA] 

 [ȝA] 

[lx] 

[lx] 

30 

66 

183,33 

6,78 

35 

48 

134,69 

4,85 

40 

36 

103,13 

3,64 

45 

28 

81,48 

2,83 

50 

22,5 

66,00 

2,26 

55 

18,5 

54,55 

1,85 

60 

15,5 

45,83 

1,54 

65 

13 

39,05 

1,30 

70 

11,5 

33,67 

1,12 

75 

10 

29,33 

0,97 

80 

25,78 

0,85 

85 

22,84 

0,75 

90 

7,5 

20,37 

0,66 

95 

0,2 

0,5 

18,28 

0,59 

 

 

 

Na podstawie danych z tabeli został sporządzony wykres nr 1 tj. E=f(r) oraz wykres nr 2 tj. zaleĪnoĞü

i=f (E). 

Wzory i przykładowe obliczenia

 

Przykładowe obliczenia zostały zaprezentowane dla pierwszego pomiaru: 

A

zakres

klasa

klasy

µ

375

,

0

100

75

5

,

0

100

max

=

×

=

×

=

A

odczyt

podział

i

A

podział

zakres

podział

A

A

a

elementarn

odczytu

a

elementarn

odczytu

klasy

odczytu

µ

µ

µ

µ

66

66

1

1

75

75

5

,

0

125

,

0

max

=

=

=

=

=

=

=

+

=

=

 

W oparciu o prawo Lamberta wyznaczamy natĊĪenie oĞwietlenia: 

lx

r

I

E

33

,

183

1

3

,

0

5

,

16

cos

2

2

=

=

=

α

 

NiepewnoĞü E liczymy z róĪniczki zupełnej: 

lx

r

I

r

r

I

r

I

E

r

r

E

I

I

E

E

78

,

6

sin

cos

cos

2

3

2

=

+

+

=

+

+

=

α

α

α

α

α

α

 

Pozostałe obliczenia zostały wykonane analogicznie. 

background image
background image





2. Wyznaczanie zaleĪnoĞci E=f(Į)

 

Pomiary  zostały  dokonane  zgodnie  z  przedstawionym  wczeĞniej  opisem,  przy  nie  zmienionych 

parametrach  zasilacza  oraz  z  wykorzystaniem  tej  samej  podziałki  przyrządu  LM-3  co  poprzednio.  Wyniki 
pomiarów i obliczenia zostały uporządkowane w Tabeli 3. 

Tabela 3. Dane  pomiarowe 





PowyĪsze dane posłuĪyły do wykreĞlenia Wykresu 3, tj. zaleĪnoĞci E=f(Į). Wykres bĊdzie siĊ opierał 

na danych uzyskanych za pomocą prawa Lamberta. 

Wzory i przykładowe obliczenia

 

Przykładowe  obliczenia  zawierają  tylko  wzory,  które  pojawiły  siĊ  pierwszy  raz.  Obliczenia 

przeprowadzono dla kąta Į=10˚. 

lx

r

I

E

zLamberta

33

,

183

10

cos

3

,

0

5

,

16

cos

2

2

=

=

=

$

α

 

z charakt

 było liczone poprzez wyznaczenie z trendu liniowego, zaznaczonego na Wykresie 2, zmiennej 

x i podstawienie odpowiednich wartoĞci. 

lx

i

E

87

,

186

3587

,

0

5283

,

0

5

,

66

3587

,

0

5283

,

0

=

+

=

+

=

 

NiepewnoĞü  E  została  wyznaczona  metodą  pochodnej  logarytmicznej.  Prezentowane  obliczenie 

niepewnoĞci dotyczy natĊĪenia oĞwietlenia uzyskanego z prawa Lamberta. 

lx

E

r

r

I

I

E

00

,

8

33

,

183

3

,

0

002

,

0

2

5

,

16

5

,

0

2

=

¸¸

¹

·

¨¨

©

§

+

=

¸

¹

·

¨

©

§

+

=

3. Badanie przepuszczalnoĞci filtrów szarych

Przy  ustalonej  odległoĞci  r  =  30  cm  fotoogniwa  od  Ĩródła  Ğwiatła  oraz  przy  prostopadłym  padaniu 

promieni  Ğwietlnych  na  czynną  powierzchniĊ  fotoogniwa  zmierzyliĞmy  natĊĪenie  prądu  fotoelektrycznego  i
Wyniosło  ono  69  ȝA.  NastĊpnie,  na  drodze  promieni  Ğwietlnych  umieszczaliĞmy  po  kolei  filtry  szare  i 
mierzyliĞmy natĊĪenie prądu fotoelektrycznego i’ dla strumienia Ğwiatła przepuszczanego przez filtr. 

Tak zebrane dane zostały zaprezentowane w Tabeli 4.

Tabela 4. Dane  pomiarowe – przepuszczalnoĞü filtrów 

nr filtra 

i' 

delta i' 

elta T 

30,0 

0,4348 

0,0104 

16,5 

0,2391 

0,0090 

8,5 

0,1232 

0,0081 

4,5 

0,5 

0,0652 

0,0077 

Į  

Į  

i

Ğ

r

ǻ i 

z Lamberta

z charakt

ǻ E 

z Lamberta

ǻ E 

z charakt

[ ˚ ] 

[ȝA] 

[ ˚ ] 

[ȝA] 

[ȝA] 

 [ȝA] 

[lx] 

[lx] 

[lx] 

[lx] 

66,5 

66,5 

66,50 

183,33 

186,87 

8,00 

8,15 

10 

64,0 

-10 

60,5 

62,25 

180,55 

175,02 

7,88 

7,64 

20 

63,0 

-20 

56,0 

59,50 

172,28 

167,35 

7,52 

7,30 

30 

61,5 

-30 

53,5 

57,50 

158,77 

161,77 

6,93 

7,06 

40 

56,5 

-40 

44,0 

50,25 

140,44 

141,56 

6,13 

6,18 

50 

48,0 

-50 

39,0 

43,50 

117,84 

122,74 

5,14 

5,36 

60 

41,0 

-60 

28,5 

34,75 

91,67 

98,35 

4,00 

4,29 

70 

31,0 

-70 

16,0 

23,50 

0,5 

62,70 

66,99 

2,74 

2,92 

A

i

Ğ

r

µ

25

,

62

2

5

,

60

0

,

64

=

+

=

background image





Wzory i przykładowe obliczenia

 

Obliczenia dotyczą filtru nr 1. Współczynnik przepuszczalnoĞci filtra wyznaczamy ze wzoru: 

4348

,

0

69

30

'

=

=

=

i

i

T

 

NiepewnoĞü współczynnika liczymy metodą róĪniczki zupełnej. 

0104

,

0

'

'

'

'

2

=

+

=

+

=

i

i

i

i

i

i

i

T

i

i

T

T

 

Dla pozostałych filtrów obliczenia przebiegały analogicznie. 

4. Wyznaczanie mocy dostarczonej do Īarówki

 

Z  wykonanych  pomiarów  jesteĞmy  w  stanie  obliczyü  jedynie  moc  dostarczona  do  Īarówki  przy 

wykonywaniu  powyĪszych  üwiczeĔ.  ħródło  Ğwiatła  było  zasilane  przez  prąd  o  charakterystyce  odczytanej  z 
zasilacza:  I  =  1,46  A,  U  =  8,84  V.  Jako,  Īe  mieliĞmy  do  dyspozycji  dokładniejsze  przyrządy  pomiarowe, 
skorzystaliĞmy  z  nich.  NatĊĪenie  mierzone  było  przyrządem  MASTER  M890G  na  zakresie  20  A,  a  napiĊcie 
przyrządem METEX-3800 na zakresie 20 V. 
 

Dane niezbĊdne do obliczeĔ: 

• 

dokładnoĞü Multimetru MASTER M890G 

± 0,3 % rdg + 1 dgt 

• 

dokładnoĞü Multimetru METEX-3800 

± 2,0 % rdg + 5 dgt 

 

Obliczenia zostały zebrane w Tabeli 5. 

Tabela 5. Dane pomiarowe – obliczenie  mocy 

ǻ I 

ǻ U 

ǻ M 

1,47 

0,01 

8,77 

0,23 

12,89 

0,46 

Wzory i przykładowe obliczenia

 

Moc obliczymy korzystając ze wzoru M = U *

  

I = 1,47 A * 8,77 V =  12,89 W. 

 

NiepewnoĞci napiĊcia i natĊĪenia liczymy z dokładnoĞci Multimetrów: 

V

U

A

I

23

,

0

05

,

0

77

,

8

*

02

,

0

01

,

0

01

,

0

47

,

1

*

003

,

0

=

+

=

=

+

=

 

NiepewnoĞü mocy liczymy metodą róĪniczki zupełnej: 

W

I

U

U

I

M

46

,

0

01

,

0

*

77

,

8

23

,

0

*

47

,

1

*

*

=

+

=

+

=

CZ.II Wizualne pomiary fotometryczne z wykorzystaniem fotometru Lummera –  
 

Brodhuna



Układ i metody pomiarowe

 

Podczas wykonywania 

üwiczenia korzystaliĞmy z fotometru Lummera-Brodhuna, którego schemat jest 

zaprezentowany poni

Īej 

background image





Rys. 3. Schemat układu pomiarowego 

Subiektywne  pomiary  fotometryczne  są  oparte  na  porównywaniu  oĞwietlenia  z  dwóch  Ĩródeł 

równoczeĞnie. BĊdziemy takiego szukaü takiego połoĪenia głowicy fotometru dla którego nie bĊdziemy w stanie 
zauwaĪyü róĪnicy w oĞwietleniu pola widzenia.  

Pomiary i obliczenia

 

W celu wyznaczenia natĊĪenia Ĩródła Ğwiatła wykonaliĞmy 10 pomiarów dla których było spełnione 

w/w załoĪenie. ĩarówka wzorcowa wykorzystana w üwiczeniu miała moc 40 W.  Uporządkowane pomiary 
zostały zebrane w Tabeli 6.  

Tabela 6. Dane  pomiarowe – fotometrLummera-Brodhuna  

r

w

  

[cm] 

r

w

Ğr  

[cm] 

ǻ r

w

Ğr 

[cm] 

r

x

  

[cm] 

r

x

Ğr 

[cm] 

ǻ r

x

Ğr 

[cm] 

I

b

  

[cd] 

I

b

Ğr  

[cd] 

ǻ I

b

Ğr 

 [cd] 

ǻ I

b

Ğr  / I

b

Ğr

[%]  

129,60 

120,40 

23,30 

129,80 

120,20 

23,15 

130,50 

119,50 

22,64 

130,50 

119,50 

22,64 

130,80 

119,20 

22,42 

130,20 

119,80 

22,86 

130,40 

119,60 

22,71 

129,90 

120,10 

23,08 

130,30 

119,70 

22,79 

130,20 

130,22 

0,36 

119,80 

119,78 

0,36 

22,86 

22,85 

0,27 

1,17 

Wzory i przykładowe obliczenia

 

NiepewnoĞci wartoĞci Ğrednich obliczono przy pomocy odchylenia standardowego. 

¦

=

=

n

i

x

i

x

n

x

s

1

2

)

(

1

1

 

Natomiast natĊĪenie badanego Ĩródła ze wzoru: 

cd

r

r

I

I

w

b

w

b

3

,

23

4

,

120

6

,

129

27

2

2

2

2

=

=

=

background image





1

5

3

5

5

5

7

5

9

5

1

1

5

1

3

5

1

5

5

1

7

5

2

5

3

5

4

5

5

5

6

5

7

5

8

5

9

5

o

d

le

g

ło

Ğü

 r

nat

ĊĪe

nie

 o

Ğw

iet

len

ia 

E

W

yk

re

1

Z

a

le

Īn

o

Ğü

 E

=

f(

r)

 

background image





=

 0

,3

5

8

7

0

,5

2

8

6

R

2

 =

 0

,9

9

9

5

1

5

2

5

3

5

4

5

5

5

6

5

7

5

1

5

,0

0

3

5

,0

0

5

5

,0

0

7

5

,0

0

9

5

,0

0

1

1

5

,0

0

1

3

5

,0

0

1

5

5

,0

0

1

7

5

,0

0

na

Īe

ni

o

Ğw

ie

tle

ni

E

prą

d f

oto

ele

ktr

ycz

ny

   

  i

W

yk

re

2

C

h

a

ra

kt

er

ys

ty

ka

 Ğ

w

ie

tl

n

a

 f

o

to

o

g

n

iw

a

 s

el

en

o

w

eg

o

background image







5

5

7

5

9

5

1

1

5

1

3

5

1

5

5

1

7

5

1

9

5

0

1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

6

0

7

0

k

ąt

Į

nat

ĊĪe

nie

 o

Ğw

iet

len

ia 

E

W

yk

re

3

Z

a

le

Īn

o

Ğü

 E

=

f(

Į

)

background image





Wnioski koĔcowe



Celem zadania było zapoznanie siĊ z dwoma metodami pomiarów fotometrycznych. Subiektywną oraz 

fizyczną.  W  pierwszej  metodzie  korzystaliĞmy  z  fotoogniwa.  Na  podstawie  wykonanych  doĞwiadczeĔ
stworzyliĞmy  wykres  E=f(r)  (Wykres  1).  DziĊki  niemu  moĪemy  oceniü  prawdziwoĞü  fotometrycznego  prawa 
odległoĞci. Widzimy zatem Īe wykres poprawnie obrazuje zaleĪnoĞü wynikającą z tego prawa. Konkluzją moĪe 
byü stwierdzenie, Īe nasze Ĩródło Ğwiatła moĪemy uznaü za punkowe, gdyĪ tylko dla punktowych Ĩródeł prawo 
to jest zachowane.  
 

Dla  potwierdzenia  naszych  przypuszczeĔ  przyjrzyjmy  siĊ  charakterystyce  fotoogniwa  (Wykres  2). 

ZaleĪnoĞü ta jest prawie  idealnie liniowa,  wyjątek  stanowią jedynie  małe  wartoĞci r, dla  których liniowoĞü  nie 
jest  zachowana.  Wniosek:  niespełniona  liniowoĞü  oznacza  brak  Ĩródła  punktowego.  Tak  wiĊc  mimo,  Īe 
charakterystykĊ cechuje wysoki współczynnik liniowoĞci musimy mieü na uwadze, Īe nie fotometryczne prawo 
odległoĞci, nie jest zachowane dla małych r. 

NastĊpnym  wykresem  przez  nas  wykreĞlonym  jest  zaleĪnoĞü  E=f(Į).  MoĪe  on  posłuĪyü  jako  dowód 

prawa  Lamberta,  które  mówi:  ĞwiatłoĞü  powierzchni  promieniującej  w  wszystkich  kierunkach  zmienia  siĊ
zgodnie  z  kosinusem  kąta  promieniowania.  Z  wykresu  widzimy,  Īe  im  wiĊkszy  kąt  padania  promieni  na 
fotoogniwo, tym mniejszy cosinus tego kąta, a co za tym idzie mniejsza luminacja. Prawo Lamberta zostało wiĊc 
potwierdzone doĞwiadczalnie. 

Podczas  pomiarów  do  tej  czĊĞci  zadania  warto  zwróciü  uwagĊ,  Īe  otrzymane  wyniki  dla  wychylenia 

fotoogniwa  w  prawo  i  w  lewo  nie  były  sobie  równe.  Spowodowane  to  było  wystĊpowaniem  róĪnych 
powierzchni po obu stronach fotoogniwa. KaĪda z tych powierzchni charakteryzowała siĊ róĪna luminacją. I tak 
dla wychylenia w prawo (znajdował siĊ tam czarny ekran odgradzający stanowiska) iloĞü Ğwiatła jaka padała na 
ekran fotoogniwa jest wiĊksza.  

Metoda  subiektywna  jest  metodą  mniej  dokładną  niĪ  fizyczne  pomiary.  Wpływ  na  to  miała  głównie 

czułoĞü ludzkiego oka oraz subiektywne odczucia równoĞci natĊĪenia Ğwiatła osób robiących pomiary. Mimo, Īe 
w  naszym  przypadku  pomiary  wykonywane  przez  4  osoby  wyszły  bardzo  zbliĪone  do  siebie  to  skłaniamy  siĊ
jednak  to  metody  fizycznej,  jako  tej  dokadniejszej.  Dodatkowym  plusem  przemawiającym  za  nią  jest  wiĊksza 
łatwoĞü skorzystania z niej w miejscu innym niĪ pracownie LPF.