Bartosz Szmidt 11.06.2008

SKP

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR70:

POMIARY FOTOMETRYCZNE Z WYKORZYSTANIEM FOTOOGNIWA SELENOWEGO

1. Wiadomości teoretyczne:

Fotometria jest działem optyki, zajmującym się badaniem energii promieniowania elektromagnetycznego i innych wielkości z nim związanych. Obejmuje ona zarówno promieniowania widzialne, jak i niewidzialne.

Natężenie źródła światła I (światłość) jest miarą energii świetlnej źródła, wysłanej w jednostce czasu w obręb jednego kąta bryłowego. Jednostka natężenia światła jest 1 kandela (1 cd). Kandela jest to natężenie światła, jakie ma w kierunku prostopadłym jedna sześćset tysięczna część metra kwadratowego (1/60 cm²) powierzchni ciała doskonale czarnego w temperaturze krzepnięcia platyny (2046,15 K) pod ciśnieniem jednej atmosfery fizycznej.

Miarą ilości energii świetlnej wysłane w jednostce czasu jest strumień świetlny (Φ). Źródło światła o światłości I wysyła w elementarny kąt bryłowy dω strumień świetlny:

.

Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (1 lm).

Natężenie oświetlenia (E) jest miarą mocy energii świetlnej przypadającą na jednostkę oświetlonej powierzchni:

,

gdzie ds jest elementem powierzchni prostopadłym do strumienia świetlnego. Jednostką natężenia oświetlenia jest 1 luks (1 lx).

Dla źródła punktowego zależność oświetlenia powierzchni E od kąta α, pod jakim pada na nią światło, oraz odległości r powierzchni od źródła światła, wyraża prawo Lamberta:

.

W fotometrii żarówkę charakteryzuje współczynnik sprawności świetlnej źródła η, będący stosunkiem natężenia źródła światła I do mocy M pobieranej przez żarówkę (cd/W):

.

Ciało nazywamy szarym, jeżeli jego zdolność absorpcyjna jest taka sama dla wszystkich częstotliwości ν i zależy tylko od temperatury, składu chemicznego oraz własności powierzchni ciała. Własności filtru szarego określają współczynnik przepuszczalności T i współczynnik pochłaniania P, zdefiniowane:

gdzie:

I - natężenie dowolnego, silnego źródła światła Z

I' - osłabione natężenie źródła światła, jakie wykazuje źródło Z po umieszczeniu filtru na drodze promieni świetlnych (I'<I).

2. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia było praktyczne zapoznanie się z zasadami fotometrii oraz prostymi metodami wyznaczania natężenia źródła światła.

3. Wyniki:

1. Wyznaczenie natężenia oświetlenia E z zależności od odległości r źródła światła od fotoogniwa dla
   =const

Tabela pomiarowa:

α = 0^o

30	0,1	250,00	1,50	733,33	32,00
35				144,00		412,50	16,63
40				112,00		311,91	12,16
45				92,00	0,75	264,00	10,11
50				66,0		183,33	6,78
25				54,00		151,51	5,51
20				48,00		134,69	4,85
15				38,00	0,38	103,13	3,64
23				30,00		81,48	2,83
33				26,00		66,00	2,26

2. Wyznaczenie zależności natężenia oświetlenia E od kąta padania α światła na powierzchnie fotoogniwa dla r = const.

Tabela pomiarowa:

U_ż = 10,11V

5	1	64	64	64	182,76	7,03
10			64	64	64	180,55	7,23
15			62	62	62	177,08	7,37
20			60	60	60	172,28	7,46
25			58	58	58	166,16	7,50
30			56	56	56	158,76	7,47
35			52	54	53	150,18	7,39
40			48	50	49	140,43	7,25
45			44	48	46	129,64	7,06

3. Wyznaczenie współczynnika T przepuszczalności filtrów szarych:

Tabele pomiarowa:

Nr filtra	'	'
8	28,0	0,4	1,69	0,05
9	14,0			0,85	0,08
6	9,0			0,55	0,03

4. Wyznaczenie natężenia źródła I w zależności od mocy P pobranego prądu:

Tabela pomiarowa:

i = 105 μA

5,55	0,01	1,18	0,01	6,55	0,07	10,0	0,1	1,83	0,10	0,28	0,02
6,55				1,29		8,45		0,08	14,0		3,59	0,18	0,44	0,03
7,16				1,35		9,67		0,09	16,8		5,17	0,25	0,53	0,03
8,02				1,43		11,47		0,09	21,0		8,09	0,38	0,71	0,04
8,31				1,46		12,13		0,10	22,5		9,28	0,42	0,76	0,04
8,76				1,50		13,14		0,11	25,0		11,46	0,52	0,88	0,05
9,25				1,55		14,34		0,11	28,0		14,37	0,63	1,00	0,05
10,20				1,63		16,63		0,12	33,5		20,57	0,88	1,24	0,06
10,81				1,68		18,16		0,12	37,5		25,78	1,09	1,42	0,07
11,49				1,74		19,99		0,13	42,0		32,34	1,34	1,61	0,08

Wykresy:

Obliczenia przykładowe:

1. Zależność natężenia oświetlenia E od odległości r między fotoogniwem a źródłem światła:

• Natężenie oświetlenia:

Błąd bezwzględny ΔE obliczony korzystając z różniczki zupełnej:

• Błąd Δi obliczony wg klasy przyrządu:

1. Wyznaczenie zależności natężenia oświetlenia E od kąta padania α światła na powierzchnie fotoogniwa dla r = const.

Błąd bezwzględny ΔE obliczony metodą różniczki zupełnej:

• Pomiar przepuszczalności filtrów szarych:

• Współczynnik przepuszczalności filtrów szarych obloczony wg wzoru:

• Błąd Δi z klasy amperomierza:

Błąd ΔT obliczony metodą różniczki zupełnej:

1. Wyznaczenie natężenia źródła I w zależności od mocy P pobranego prądu i obliczenie współczynnika sprawności świetlnej η źródła światła:

• Moc P pobranego prądu:

Błąd bezwzględny ΔP wynaczony metodą różniczki zupełnej:

• Natężenie źródła światła I_x obliczam ze wzoru:

Błąd bezwzględny
:

• Sprawność świetlna η obliczam ze wzoru:

Błąd bezwzględny Δη obliczam z różniczki zupełnej:

4. Wnioski:

Niektóre błędy wynikały podczas pomiarów na wskutek małej czułości oka ludzkiego oraz niedokładnego odczytu ze skali odległości. Aby zmniejszyć te błędy należałoby zastąpić oko ludzkie urządzeniem mniej subiektywnym, np. układem elektronicznym.

Na podstawie wyników pomiaru zależności natężenia oświetlenia E od odległości r między fotoogniwem a źródłem światła mogę stwierdzić że natężenie oświetlenia jest odwrotnie proporcjonalne do odległości r. Warto zauważyć, że błąd bezwzględny wyznaczony za pomocą różniczki zupełnej logarytmicznej także zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości.

Z charakterystyki świetlnej fotoogniwa wynika, że prąd fotoelektryczny wzrasta liniowo wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia.

Natomiast na podstawie dwóch pozostałych wykresów możemy zauważyć że światłość podobnie jak współczynnik sprawności świetlnej żarówki rośnie liniowo wraz ze wzrostem pobieranej mocy (mimo, że wykres I=f(P) przybiera bardziej postać wykresy potęgowego).

Na podstawie wyników podczas wyznaczenie zależności natężenia oświetlenia E od kąta padania α światła na powierzchnie fotoogniwa można stwierdzić, że natężenie oświetlenia zmniejsza się wraz ze wzrostem kąta padania.

Podczas oświetlania fotoogniwa selenowego można zauważyć, że wraz ze spadkiem natężenia oświetlenia wywołaną: czy to poprzez zmianę kąta padania światła, czy przez zmianę odległości badanego fotoogniwa od źródła światła, czy przez ustawienie na drodze promieni filtra, maleje również prąd fotoelektryczny i. Zjawisko to zostało wykorzystane przy produkcji systemów alarmowych, fotokomórek oraz różnego rodzaju układów detektorów świetlnych. Ćwiczenie to ukazało ogólną istotę własności światła, oraz urządzeń z nim związanych.

---