POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI	SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 70 TEMAT : Analiza spektralna i pomiary spektrofotometryczne.
ANNA SIKORA WYDZ. : IZ ROK : II	DATA : OCENA :

0. Wstęp.

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było zapoznanie się z :

- zasadami fotometrii;

- prostymi metodami wyznaczania natężenia źródła światła.

1. Opis zjawiska fizycznego.

Fotometria jest działem optyki, zajmującym się badaniem energii promieniowania elektromagnetycznego i innych wielkości z nim związanych. Obejmuje ona swym zakresem zarówno promieniowanie niewidzialne, jak i promieniowanie widzialne. Fotometria dzieli się na : obiektywną (inaczej fizyczną, energetyczną) w której detektorem promieniowania jest element fotoelektryczny np. klisza fotograficzna, oraz na subiektywną (inaczej wizualną), w której detektorem jest oko ludzkie.

Obiektywne pomiary fotoelektryczne oparte są przede wszystkim na wykorzystaniu receptorów fotoelektrycznych. Najczęściej spotykanym ogniwem fotoelektrycznym jest ogniwo selenowe.

Subiektywne pomiary fotometryczne oparto na porównywaniu oświetlenia z dwu źródeł równocześnie. Ponieważ oko ludzkie może dokładnie ocenić równość oświetleń, pomiary te przeprowadza się przy równoczesnym jednakowym oświetleniu powierzchni ze źródła wzorcowego.

2. Przyrządy.

- źródło światła w obudowie; - ława optyczna;

- fotoogniwo selenowe; - zestaw filtrów;

- zasilacz ZT - 980 - 1M; - oświetlacz skali milimetrowej na ławie optycznej;

- amperomierz; - fotometr Lummera - Brodhuna;

- woltomierz; - zestaw żarówek.

- mikroamperomierz;

Schemat układu :

i_Z r i

+

ZR V Z μA

_ A

Z - źródło światła

F - fotoogniwo selenowe

i - prąd fotoelektryczny zależny od natężenia oświetlenia E powierzchni czynnej fotoogniwa

r - odległość fotoogniwa od żródła światła.

3. Tabelki pomiarów.

I. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI ŚWIETLNEJ FOTOOGNIWA W OPARCIU O PRAWO LAMBERTA.

1. Zmieniając odległość fotoogniwa F od źródła światła dokonaliśmy pomiaru natężenia prądu dla różnych odległości r.

Ustalenie mocy żarówki za pomocą wskazań:

woltomierza : 4.8 V

amperomierza : 3.1 A

Stąd moc W = 4.8 * 3.1 [V*A] = 14.88 W

Stała odległość : Kąt padania : Natężenie prądu fotoelektrycznego :

r = 0.3 m α = 0 i = 105 μA

Przy tak zachowanych wielkościach wiemy, że natężenie żródła światła wynosi :

I = 16.5 * 0.5 cd

ri [ m ]	ii [ μA ]	Ei [lx]
r1 = 0.20	i1 = 225	E1=412.5
r2 = 0.25	i2 = 150	E2=264.0
r3 = 0.30	i3 = 105	E3=183.3
r4 = 0.40	i4 = 60	E4=103.1
r5 = 0.45	i5 = 50	E5=81.3
r6 = 0.50	i6 = 40	E6=66.0
r7 = 0.55	i7 = 35	E7=54.5
r8 = 0.60	i8 = 30	E8=45.8
r9 = 0.65	i9 = 25	E9=39.0
r10 = 0.70	i10 = 20	E10=33.7

2. Ustawiliśmy fotoogniwo w stałej odległości r = 0.3 m i zmierzyliśmy natężenie i dla różnych wartości kąta padania .

αi [ ° ]		ii [μA] - strona prawa		ii [μA] - strona lewa		Ei [lx]
α1 = 0		i1 = 105		i1 = 105		E1=183.3
α2 = 5		i2 = 105		i2 = 103		E2=182.6
α3 = 10		i3 = 102		i3 = 105		E3=180.5
α4 = 15		i4 = 100		i4 = 100		E4=177.1
α5 = 20		i5 = 98		i5 = 99		E5=172.3
α6 = 25		i6 = 95		i6 = 95		E6=166.2
α7 = 30		i7 = 90		i7 = 90		E7=158.8
α8 = 35		i8 = 85		i8 = 85		E8=150.2
α9 = 40		i9 = 80		i9 = 80		E9=140.4
α10 = 45		i10 = 75		i10 = 75		E10=129.6

II. BADANIE PRZEPUSZCZALNOŚCI FILTRÓW SZARYCH.

Zachowując odległość r = 0.3 m i kąt padania α = 0 przytrzymaliśmy filtr szary blisko fotoogniwa. Zmierzyliśmy natężenie fotoprądu i^' dla strumienia światła przepuszczanego przez filtr.

i^' = 25 μA

III. WYZNACZANIE NATĘŻENIA ŹRÓDŁA ŚWIATŁA W ZALEŻNOŚCI OD MOCY POBIERANEGO PRĄDU. WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI ŚWIETLNEJ ŻARÓWKI.

Moc dostarczona do żarówki (jak w punkcie I) :

W = 14.88 W

Zwiększając odległość fotoogniwa od żarówki zwiększaliśmy moc dostarczoną do żarówki tak, aby wartość prądu fotoelektrycznego wynosiła również 105 μA.

Odczyty wartości mocy W_X dostarczonej do żarówki (odczyty z woltomierza i amperomierza) oraz odległość fotoogniwa od żarówki :

rx [ m ]	UW [ V ]	IW [ A ]	WX [ W ]
0.30	4.8	3.1	14.88
0.35	5.2	3.3	17.16
0.29	4.7	3.1	14.57
0.26	4.4	3.0	13.20
0.23	4.2	2.9	12.18
0.20	3.9	2.8	10.92

W dalszym etapie ćwiczenia wykorzystywaliśmy fotometr Lummera - Brodhuna.

IV. WYZNACZANIE NATĘŻENIA ŚWIATŁA BADANEJ ŻARÓWKI.

Mierzymy tu odległości r i r^' głowicy fotometru od obu źródeł :

Normalne ustawienie głowicy		Głowica obrócona o 180°
r[cm]	r' [cm]	r[cm]	r'[cm]
92.3	157.7	98.2	151.8
93.0	157.0	97.7	152.3
94.3	155.7	97.5	152.5
97.5	152.5	97.3	152.7
rśr=94.3	r'śr=155.7	rśr=97.7	r'śr=152.3

V. BADANIE PRZEPUSZCZALNOŚCI FILTRÓW SZARYCH.

Przytrzymując filtr blisko głowicy pomiarowej wyznaczamy nowe osłabione natężenie I'.

Zmierzone odległości :

- dla głowicy ustawionej normalnie: r'_szare=99.4 [cm] oraz r_szare=150.6 [cm]

- dla obróconej głowicy : r'_szare=95.5 [cm] oraz r_szare=154.5 [cm]

4. Przykładowe obliczenia.

Ad.I.

W oparciu o prawo Lamberta obliczamy natężenie oświetlenia E dla różnych wartości r i α :

E =

1. Obliczenia dla stałego kąta padania α = const = 0

Pozostałe wartości przedstawia tabela pomiarowa.

2. Odległość r = const = 0.3 [m]

[lx]

Pozostałe wartości przedstawia tabela pomiarowa.

Ad. II.

Korzystając z wykresu charakterystyki świetlnej fotoogniwa obliczamy współczynnik transmisji T filtru szarego :

r = 0.3 [m] α = 0 [°]

oraz

i = 105 [μA] i' = 25 [μA]

Z wykresu dla i'=25 [μA] mamy E=39.0 [lx], natomiast dla i=105[μA] mamy E=183.3 [lx]

T = *100%=20%

Ad.III.

Obliczamy natężenie źródła światła I_X ze wzoru :

[ cd ]

Przykładowo dla r_x=0.35 [m] otrzymujemy :

I_x=

Obliczamy współczynnik sprawności świetlnej (dla powyższego przykładu):

Ad. IV.

Wyznaczamy natężenie światła badanej żarówki :

α = 0, czyli cos α = 1

I = 27 [cd]

Dla normalnego ustawienia głowicy :

Dla odwrotnego ustawienia głowicy (obróconej o 180° ) :

Ad. V.

Obliczamy współczynnik przepuszczalności T oraz absorpcję P badanego filtru :

5. Rachunek błędów.

I.

Z danych w ćwiczeniu mamy δI = 0.5 [cd], δr = 0.003 [m]. Przykładowo dla r=0.45 [m]

II.

III.

gdzie δr = δr_x = 0.003 [m]

Przykładowo dla r_x = 0.35 [m] i r = 0.3 [m] otrzymujemy :

IV.

Przyjmując δr=δr_x=0.01 [m] dla średnich wartości r = 97.7 [cm] i r_x = 152.3 [cm]

i δI=1 [cd] otrzymujemy :

6. Wnioski.

Pomiary fotometryczne wykonane w ćwiczeniu były oparte na metodzie subiektywnego porównania oświetlenia powierzchni z dwu źródeł światła I oraz Ix jednocześnie. Błędy wynikłe podczas pomiarów powstały na wskutek małej czułości oka ludzkiego oraz niedokładności odczytu wyników. Poza tym pewny swój udział miały zewnętrzne źródła światła, które mogły zmienić wyniki pomiarów m.in: kąta .

---