Лабораторная работа № 2.

Изучение влияния режимов работы источников излучения на их предельные фотометрические характеристики.

Цель работы – изучить зависимость световых характеристик источника излучения от подводимой к нему мощности. Ознакомиться с теорией и техникой работы на светомерном (фотометрическом) шаре.

Задание по работе:

1. Изучить устройство и основные характеристики лампы накаливания, ознакомится с принципом действия фотометрического шара.

2. Исследовать зависимость светового потока, световой отдачи и мощности образцовой лампы накаливания от напряжения питания (номинальное рабочее напряжение =6 В). Измерения произвести при изменении напряжения от 3 до 9 В приблизительно через 1В.

3. Исследовать зависимость потока излучения и отдачи излучения в ИК – области спектра при условиях, указанных в п.2.

1. Теоретическая часть

1. Законы теплового излучения

Тепловое излучение – это электромагнитные волны, испускаемые нагретым телом, находящимся в состоянии термодинамического равновесия. Количество электромагнитной энергии, излучаемой телом в единицу времени в видимой части частотного спектра, называется световым потоком и обозначается буквой Ф. Единица измерения – люмен.

Количество электромагнитной энергии, падающее на единицу площади в единицу времени, называется освещенностью и обозначается буквой E. Единица измерения – люкс.

Связь между освещенностью и световым потоком дается выражением

(1.1)

Здесь - угол падения лучей на площадку . Угол меняется между направлением распространения световых лучей и нормалью к поверхности.

Если источник излучает свет по всем направлениям одинаково, то для маленькой площади, расположенной перпендикулярно направлению распространения света на расстоянии от источника, освещенность можно определить по формуле следующим образом:

. (1.2)

Следовательно, световой поток можно вычислить через освещенность по формуле

. (1.3)

Эталонным телом в теории теплового излучения, с которым сравнивают излучение любых других тел, является абсолютно черное тело.

Абсолютно черное тело полностью поглощает падающее на него излучение.

Приведем два основных закона теплового излучения абсолютно черного тела.

1. Закон Стефана-Больцмана:

. (1.4)

Здесь - интегральная лучеиспускательная способность, т.е. полное количество электромагнитной энергии, излучаемой с единицы поверхности в единицу времени; - абсолютная температура тела; - постоянная Стефана-Больцмана. Вт/м²К².

2. Закон смещения Вина:

. (1.5)

Здесь - длина волны, на которую приходится максимум излучаемой электромагнитной энергии; - константа Вина. мК.

Любое тело имеет интегральную лучеиспускательную способность меньшую, чем у абсолютно черного тела при той же температуре. Таким образом, для произвольного тела количество электромагнитной энергии, излучаемой в единицу времени дается выражением

, (1.6)

где - коэффициент черноты, причем ; - площадь испускающей поверхности.

Температура нити накала в осветительных приборах такова, что лежит в инфракрасной области спектра, т.е. нить накала испускает в основном инфракрасные электромагнитные волны, которые вызывают лишь тепловой эффект. На видимое излучение приходится всего лишь несколько процентов излучаемой энергии. Таким образом, лампочка накаливания не столько светит, сколько греет. Так как назначение лампочки – светить, давать излучение в видимой части электромагнитного спектра, то эта функция характеризуется физической величиной, называемой светоотдачей.

, (1.7)

где - мощность электрического тока, протекающего в нити накаливания.

Мощность электрического тока дается выражением

, (1.8)

здесь - сила тока; - напряжение, которым запитывают лампочку.

Коэффициент светоотдачи характеризует экономичность лампочки, потому что, чем больше , тем большая доля подводимой к лампочке электрической энергии приходится на видимую часть спектра.

Исходя из закона смещения Вина (1.5), можно заключить, что с ростом, подводимой к лампочке энергии , светоотдача должна расти.

Действительно, с ростом подводимой энергии растет температура нити накала. С ростом температуры длина волны убывает, максимум излучения приближается к области длин волн, которая соответствует видимому излучению. Таким образом, доля видимой части электромагнитного излучения растет.

Из всего вышесказанного следует, что величина растет не только из-за общего роста излучаемой в единицу времени энергии, но и из-за дополнительного роста, обусловленного законом Вина. Все это приводит к росту светоотдачи лампочки при увеличении .

Если бы нить накала могла выдержать температуру порядка 6000C, то попал бы в центр интервала длин волн, соответствующего видимому излучению и большая часть подводимой энергии излучалась бы в виде света. Температуру в 6000C имеет поверхность Солнца.

В данной работе освещенность определяется с помощью селенового фотоэлемента ФЭС (ФЭСС). Излучение от исследуемой лампочки падает на фотоэлемент, включенный в схему на рисунке 1. Под действием видимой части этого излучения сопротивление фоторезистора уменьшается и миллиамперметр регистрирует возрастание электрического тока. Воспользовавшись показанием миллиамперметра и градуированным графиком, определяем освещенность фотоэлемента. Далее световой поток может быть определен по формуле (1.3), а светоотдача по формуле (1.7).