POLITECHNIKA WROCŁAWSKA INSTYTUT FIZYKI	SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 70 TEMAT : Analiza spektralna i pomiary spektrofotometryczne.
MICHAŁ ZIELASKOWSKI WYDZ. : MBM ROK : II	DATA : OCENA :

Wstęp.

Celem przeprowadzonego ćwiczenia było zapoznanie się z :

- zasadami fotometrii;

- prostymi metodami wyznaczania natężenia źródła światła.

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.

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 fotoogniwo od źródła światła.

Tabelki pomiarów.

1. 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 źródła światła wynosi :

I = 16.5 * 0.5 cd

ri [ m ]	ii [ μA ]	Ei [lx]	ΔEi [lx]	δE %	a=i/E
0,30	105,0	183,33	9,22	5,03	0,57
0,32	92,5	161,13	7,90	4,91	0,57
0,34	82,5	142,73	6,84	4,80	0,58
0,36	75,0	127,31	5,98	4,70	0,59
0,38	65,0	114,27	5,27	4,61	0,57
0,40	60,0	103,13	4,67	4,53	0,58
0,42	55,0	93,54	4,17	4,46	0,59
0,44	50,0	85,23	3,74	4,39	0,59
0,46	45,0	77,98	3,38	4,33	0,58
0,48	42,5	71,61	3,07	4,28	0,59
				Średnia	0,58

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

αi [ ° ]	Ii [μA]	Ei [lx]	ΔEi [lx]	δE %
0	61,0	103,13	9,22	8,942
5	60,5	102,73	9,19	8,943
10	60,0	101,56	9,08	8,943
15	59,0	99,61	8,91	8,943
20	57,5	96,91	8,67	8,942
25	55,0	93,46	8,36	8,943
30	53,0	89,31	7,99	8,943
35	50,0	84,48	7,55	8,942
40	46,5	79,00	7,06	8,943
45	43,0	72,92	6,52	8,943

2. BADANIE PRZEPUSZCZALNOŚCI FILTRÓW SZARYCH.

Zachowując odległość r = 0,4 m i kąt padania α = 0^o przytrzymaliśmy filtr szary (trzy kropki) blisko fotoogniwa. Zmierzyliśmy natężenie fotoprądu i^' dla strumienia światła przepuszczanego przez filtr.

i = 60,5 μA

i^' = 11 μA

a=0,58

3. 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 ]	P [ W ]	E [lx]	I [cd]	η [cd/W]
0,30	5,1	3,20	16,32	183,33 odczyt z krzywej skalowania	16,50	1,01
0,32	5,3	3,30	17,49			18,77	1,07
0,34	5,5	3,40	18,70			21,19	1,13
0,36	5,8	3,45	20,01			23,76	1,19
0,38	6,2	3,50	21,70			26,47	1,22
0,40	7,8	3,60	28,08			29,33	1,04

Δr	ΔU	ΔI	P[W]	ΔP[W]	δP %	I[cd]	ΔI[cd]	δI %	η [cd/W	Δη [cd./W]	δη %
0,001	0,075	0,0375	16,32	0,43	2,64	16,50	0,94	5,70	1,01	0,007	0,74
						17,49	0,45	2,55	18,77	1,06	5,65	1,07	0,007	0,65
						18,70	0,46	2,47	21,19	1,19	5,62	1,13	0,006	0,57
						20,01	0,48	2,38	23,76	1,33	5,58	1,19	0,006	0,50
						21,70	0,50	2,28	26,47	1,47	5,56	1,22	0,005	0,44
						28,08	0,56	2,00	29,33	1,62	5,53	1,04	0,004	0,37

4. WYZNACZANIE NATĘŻENIA ŚWIATŁA BADANEJ ŻARÓWKI (fotometr Lummera - Brodhuna)

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

Żarówka wzorcowa 40 W, I_W=27 cd ± 1 cd

Odległość pomiędzy źródłami 2,5 m

α [^0]	Normalne ustawienie głowicy							Głowica obrócona o 180°
		r[cm]		r' [cm]		I0 [cd.]		r[cm]	r'[cm]	I180 [cd.]
0		160,0		90,0		85,3		162,2	87,8	92,1
30		167,5		82,5		111,3		167,7	82,3	112,1
60		171,0		79,0		126,5		171,1	78,9	127,0
90		168,5		81,5		115,4		169,5	80,5	119,7
120		162,1		87,9		91,8		162,3	87,7	92,5
150		161,0		89,0		88,4		161,2	88,8	89,0
180		159,1		90,9		82,7		159,3	90,7	83,3
210		171,2		78,8		127,4		171,0	79,0	126,5
240		174,6		75,4		144,8		174,9	75,1	146,4
270		170,9		79,1		126,0		171,2	78,8	127,4
300		160,0		90,0		85,3		160,1	89,9	85,6
330		155,5		94,5		73,1		155,3	94,7	72,6
360		158,2		91,8		80,2		158,6	91,4	81,3
	rśr=164,6		r'śr=85,4		Iśr=102,9		rśr=165,0		r'śr=85,0	Iśr=104,3

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° ) :

Błąd obliczymy wykorzystując różniczkę zupełną:

gdzie Δr = Δr' = 0.003 [m]

Przykładowo dla r = 1,6 [m] i r' = 0,9 [m] otrzymujemy :

Wnioski.

Pomiary fotometryczne, w przypadku fotometru Lummera - Brodhuna, 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 subiektywnej oceny pomiarowego. W badaniu ogniwa fotoelektrycznego ponadto ogromny wpływ miały zewnętrzne źródła światła.

Błędy mogły zakraść się również podczas odczytów z mierników elektrycznych.

6

i[μA]

---