Лабораторная работа 61. Фотометрическое исследование лампы накаливания

Целью настоящей лабораторной работы является исследование с помощью люксметра зависимости освещенности, создаваемой лампой накаливания, от расположения освещаемой поверхности и измерение фотометрических параметров лампы.

Описание установки

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 7. На оптическом рельсе 1, имеющем миллиметровую шкалу, установлены

фотоэлемент 2 люксметра 3 и лампа накаливания 4, питаемая от сети 220 В через понижающий трансформатор. В цепь лампы включены амперметр и вольтметр. Лампу можно поворачивать вокруг своей оси и перемещать вдоль рельса. Фотоэлемент также можно поворачивать на различные углы вокруг вертикальной оси. Для измерения углов поворота на держателях имеются шкалы в градусной мере. В процессе измерений в комнате кроме указанной лампы накаливания не должно быть других источников света. Для устранения влияния отраженного света, накрывайте рельс черной тканью. Возможны также помехи от светлой одежды. При невозможности их устранения придумайте способ учета.

Упражнение 1.

Исследование зависимости освещенности поверхности от расстояния до лампы.

1. Включите лампу и зафиксируйте угол ее поворота в нулевом положении.

2. Установите фотоэлемент в держатель нормально к оптической оси и подключите его к люксметру.

3. Включите люксметр и подберите подходящее расширение шкалы.

4. Перемещая лампу вдоль рельса исследуйте зависимость показаний люксметра Е от расстояния R между лампой и фотоэлементом. Постройте график функции Е=f(1/R²). Объясните полученную зависимость.

Упражнение 2.

Исследование зависимости освещенности площадки от угла ее поворота относительно источника света

1. Установите угол i между нормалью к поверхности фотоэлемента и оптической осью равным нулю градусов.

2. Приблизьте лампу к фотоэлементу на расстояние, при котором стрелка люксметра показывает максимальный отсчет по шкале (во избежание поломки люксметра не допускайте зашкаливания).

3. Изменяя угол поворота фотоэлемента, зарегистрируйте показания люксметра и затем постройте график функции Е=f(cosi). Объясните полученную зависимость.

Упражнение 3.

Расчет фотометрических параметров лампы на основе построения полярной диаграммы распределения ее силы света

1. Установите угол i между нормалью к поверхности фотоэлемента и оптической осью равным нулю градусов.

2. Приблизьте лампу к фотоэлементу на расстояние R, при котором стрелка люксметра отклоняется примерно на две трети шкалы.

3. Поворачивая лампу вокруг своей оси на угол с шагом 10 градусов до 360^о, зарегистрируйте показания люксметра Е.

4. Рассчитав по формуле (4) значения силы света J, соответствующие различным направлениям излучения, представьте полученные данные в виде полярной диаграммы J=f().

5. Усредните силу света лампы по всем направлениям (т.е. оцените величину средней сферической силы света J_ср). Вычислите по формулам (1-6) в световых единицах следующие параметры, полагая, что все видимое излучение лампы приходится на длину волны 555 нм:

а) Полный световой поток Ф, испускаемый спиралью лампы.

б) Яркость спирали В и яркость ее светового луча L, полагая, что она имеет форму шара с диаметром 2 мм.

в) Светимость спирали М.

г) Определите потребляемую лампой электрическую мощность Р, используя показания амперметра и вольтметра.

д) Вычислите коэффициент полезного действия лампы по формуле: .

Контрольные вопросы:

1. Перечислите и дайте определения фотометрических величин. Укажите в каких единицах они измеряются.

2. Что используется в качестве светового эталона?

3. Что такое спектральная чувствительность (или кривая видности) глаза? В каком интервале длин волн видит человеческий глаз?

4. Изобразите примерный вид спектра излучения лампы накаливания. Как он изменяется в зависимости от температуры нити лампы? К какому типу относится этот спектр (линейчатый, полосатый или сплошной)?

5. Почему КПД ламп накаливания низок?

6. Для каких целей используется люксметр?

7. Опишите принцип работы люксметра.

Дополнительная литература:

Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света - М.: Энергоатомиздат, 1983.

Лабораторные оптические приборы. Под ред. Л.А. Новицкого. М.: Машиностроение, 1979.

Т Е П Л О В О Е И З Л У Ч Е Н И Е Т Е Л

Излучение оптического диапазона подразделяется на тепловое и люминесцентное. Под люминесценцией понимают способность веществ излучать энергию, накопленную в атомах или молекулах, образующих вещество, при переходе электронов с возбужденных энергетических уровней на более низкие. В зависимости от того, за счет какой энергии происходит возбуждение атомов и молекул, различают следующие виды люминесценции:

1. фотолюминесценцию, при которой возбуждение люминофора производится фотонами поглощенного излучения оптической части спектра;

2. рентгенолюминесценцию – возбуждение производится фотонами поглощенных рентгеновских лучей;

3. катодолюминесценцию – возбуждение происходит за счет кинетической энергии электронов, бомбардирующих люминофор или молекулы газа;

4. электролюминесценцию - возбуждение производится электрическим полем;

5. радиолюминесценцию – возбуждение люминофора происходит за счет излучения , возникающего при радиоактивном распаде ядер (и излучения) и космического излучения;

6. хемилюминесценцию, при которой для возбуждения используется химическая энергия;

7. биолюминесценцию, при которой для возбуждения используется биологическая энергия.

Тепловое излучение обусловлено тепловым, хаотическим движением частиц тела. Оно присуще всем телам, температура которых выше абсолютного нуля. Таким образом, все другие виды оптического излучения (люминесценция, излучение Вавилова-Черенкова, лазерное излучение и т.п.) являются избыточными над тепловым. Тепловое излучение - это единственный вид излучения, который может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Равновесное излучение не поляризовано и все направления его распространения равновероятны. Спектр и интенсивность теплового излучения тела зависят от его температуры и целого ряда других параметров, например, от агрегатного состояния, степени прозрачности, состояния поверхности (гладкая, шероховатая, окисленная и т. п.).

При невысоких температурах (примерно до 500^оС) тела излучают в основном длинные (инфракрасные) электромагнитные волны. Визуально они не обнаруживаются. При более высоких температурах тела начинают светиться, что свидетельствует о появлении в их спектре излучения видимого диапазона. При температурах более 2000^оС в тепловом излучении становится заметной доля электромагнитных волн ультрафиолетового диапазона.

Энергетической светимостью (интегральной излучательной способностью) тела называется физическая величина Е(Т), численно равная энергии электромагнитных волн всевозможных частот (или длин волн), излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела во все окружающее пространство.

Излучательной способностью Е(,Т) (или спектральной плотностью энергетической светимости) тела называется физическая величина, численно равная отношению энергии dW, излучаемой за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале частот от до +d (или длин волн в вакууме от доd к ширине этого интервала:

(1)

Энергетическая светимость тела связана с излучательной способностью Е(,Т) и Е(,Т) соотношениями:

(2)

На рис. 1 показан типичный график функции Е(,Т) вольфрама, нагретого до 2000К. Соответствующие кривые для тел из других материалов могут располагаться как выше, так и ниже кривой для вольфрама. Максимально возможной величиной излучательной способности среди различных тел, находящихся при одинаковых температурах, обладает так называемое абсолютно черное тело (АЧТ), график которого также представлен на рис. 1. Кроме этого АЧТ является единственным телом, которое полностью поглощает

в се падающее на него излучение независимо от направления его падения, спектрального состава и поляризации.

Так же как материальная точка в механике или точечный заряд в электричестве, АЧТ является физической абстракцией. Моделью АЧТ может служить тело со сферической полостью и небольшим отверстием для излучения (рис. 2). Излучение, попадающее внутрь полости через отверстие О, претерпевает многократные отражения от его внутренних стенок. При этом энергия падающего излучения практически полностью поглощается полостью независимо от материала стенок. Реальные тела поглощают лишь часть (Ф_погл) падающего излучения (Ф_пад) и отражают (или рассеивают) оставшуюся часть. Поглощающие свойства реальных тел характеризуют спектральной (,Т) и интегральной (Т) поглощательной способностями:

(3)

Очевидно, что ,T)<1 и T)<1. Среди реальных тел наиболее близкими к АЧТ по величине поглощательной способности являются тела, покрытые сажей. Однако их поглощательная способность в дальней инфракрасной области все же значительно меньше единицы.

В состоянии термодинамического равновесия отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности равно излучательной способности АЧТ, находящегося при той же температуре (закон Кирхгофа). То есть

(4)

так как ^АЧТ,T)=1.

Излучательная способность абсолютно черного тела определяется формулой Планка:

(5)

где h = 6,626*10^-34 Дж*с - постоянная Планка, k = 1,3807*10^-23 Дж/К - постоянная Больцмана, c = 2,998*10⁸ м/с - скорость света в вакууме.

В предельном случае больших длин волн (малых частот) из формулы (5) можно получить формулу Релея-Джинса:

(6)

Но она согласуется с экспериментальными данными только в области длинных волн и приводит к абсурдным выводам о бесконечно большом значении энергетической светимости АЧТ. Графики функций Планка (5) и Релея-Джинса (6) показаны на рис.1

Энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана):

Е^АЧТ(Т)=Т⁴, (7)

где = 5,67*10^-8 Вт м^-2К^-4 - постоянная Стефана-Больцмана. Как следует из соотношения (2), энергетическая светимость равна площади под кривой Е(,Т), которая сильно возрастает с повышением температуры (рис.3).

Для реальных тел эту зависимость обычно представляют в виде:

Е(Т)=zТⁿ, (8)

где z и n - величины, индивидуальные для каждого тела и, строго говоря, сами зависящие от температуры.

По мере повышения температуры максимум функции Е^АЧТ,Т) смещается в сторону меньших длин волн по закону Вина:

(9)

г де b = 2,9*10^-3 м^.К - постоянная Вина. Это смещение также показано на рис. 3.