Определение светотехнических характеристик

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

 

Цель работы: изучить фотометрические понятия и величины, изучить устройство стенда по исследованию характеристик ламп, снять светотехнические характеристики лампы накаливания и на их основе дать оценку экономичности ламп исследуемого типа и области их использования.

Приборы и принадлежности: фотометрическая скамья, люксметр со светоизмерительной головкой, испытуемая лампа, эталонная лампа, реостаты, вольтметр, амперметры.

 

Теория работы

 

Излучение - одна из форм движения материи, сопровождающаяся переносом энергии в пространстве посредством электромагнитных волн. Шкала электромагнитных излучений охватывает диапазон от g -излучения с минимальной длиной волны l = 10^-14 м, возникающего при распаде радиоактивных элементов, до длинноволнового радиоизлучения с длиной волны l = 10⁶ м и более.

Средняя область спектра электромагнитного излучения с длинами волн от

10^-8 м до 10^-4 м называется оптическим излучением. Оптическое излучение включает ультрафиолетовую область с длинами волн в диапазоне l = 10^-8м - 0,38 ×10^-6 м, видимую - l = 0, 38 ×10^-6 м - 0,76×10^-6 м, инфракрасную - l = 0,76×10^-6 м - 10^-4 м.

Измерениями энергии оптического излучения в процессах его испускания, распространения и взаимодействия с веществом занимается раздел физической оптики, называемый фотометрией. В фотометрии используется две системы величин:

1) энергетическая, непосредственно характеризующая оптическое излучение как разновидность энергии, распространяющейся в пространстве;

2) эффективные, характеризующие уровень реакции приемника оптического излучения (фотоприемника). Система эффективных величин в видимой области, где в качестве приемника излучения (образцового фотоприемника) используется глаз человека, называется световой.

Реакция такого фотоприемника как человеческий глаз зависит не только от энергии, приносимой светом, но также и от его спектрального состава, т. е. совокупности принимаемых монохроматических волн. Свет одной и строго постоянной частоты (длины волны) называется монохроматическим. Свет в узком диапазоне частот называется квазимонохроматическим или однородным, его глаз воспринимает как определенный цвет. Свет в широком диапазоне частот называется сложным. Белый цвет является сложным и представляет собой совокупность всех частот (или длин волн) видимого диапазона.

Способность глаза человека воспринимать видимый свет различных длин волн отображается нормализованной по стандартному глазу кривой относительной спектральной чувствительности (относительной спектральной световой эффективности) глаза - кривой видности u (l) (рис. 1). Абсциссами этой кривой служат длины волн l видимого диапазона, а ординатами – относительные чувствительности человеческого глаза u _l (l) на каждой длине волны. На рис. 1 представлены две кривые видности u _l (l) - для дневного зрения (1) и для сумеречного зрения (2). Для дневного зрения кривая видности отлична от нуля в области от l = 380 нм до l = 760 нм

(1 нм = 10^-9 м), а максимум кривой видности находится на длине волны l = 555 нм и условно принимается за единицу.

 

Рис. 1

Относительная чувствительность u_l человеческого глаза на данной длине волны l представляет собой отношение мощности излучения с длиной волны l_max = =555 нм к мощности монохроматического излучения с длиной волны , вызывающего ощущение такой же яркости, как излучение с длиной волны l_max. Например, для красного цвета с длиной волны l = 760 нм функция видности u _l= 0,00006 и требуется мощность этого излучения приблизительно в 2000 большая, чем для зеленого света с длиной волны l _max = 555 нм, чтобы вызвать одинаковое по силе зрительное ощущение.

Кривая видности для сумеречного зрения имеет максимум на длине волны l _max = 512 нм, т. е. смещена примерно на 40 нм в сторону коротких длин волн. Различная чувствительность человеческого глаза при дневном и сумеречном зрении связана с различием спектральной чувствительности светочувствительных элементов глаза – колбочек и палочек в сетчатке, на которой хрусталиком создается уменьшенное обратное изображение рассматриваемого человеком предмета.

Основные фотометрические величины и их единицы в энергетической (е) и световой (u) системах приведены в таблице 1. Определение фотометрических величин в обеих системах одинаково, отличаются только единицы измерения.

Таблица 1

 

Энергетические величины	Световые величины
1. Поток излучения   – величина, равная отношению энергии W излучения, протекающей через площадку за единицу времени t. Единица потока излучения - ватт (Вт).	1. Световой поток Ф u определяется как мощность оптического излучения по вызываемому им световому ощущению. Единица светового потока – люмен (лм).
Энергетические величины	Световые величины
2. Сила излучения I e - величина, равная отношению потока излучения Ф е источника к телесному углу, в пределах которого это излучение распространяется. Единица силы излучения - ватт на стерадиан (Вт/ср). Телесный угол представляет собой часть пространства, ограниченную конической поверхностью с вершиной в точке расположения источника излучения. Если поток излучения посылается источником равномерно по всем направлениям, то .	2. Cила света Основной световой единицей в системе СИ является единица силы света – кандела (кд), которая определяется по эталонному источнику света. Кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×10^12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет .
3. Светимость R e - величина, равная отношению потока излучения Ф е к площади S поверхности, сквозь которую этот поток проходит. Единица энергетической светимости – ватт на метр в квадрате (Вт/м^2).	3. Светимость Единица светимости - люмен на метр в квадрате (лм/м^2).
4. Яркость В е-- величина, равная отношению силы света I e элемента излучающей поверхности S к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную направлению наблюдения, где j - угол между направлением наблюдения и нормалью к излучающей поверхности S. Единица яркости – ватт на стерадиан × метр в квадрате (Вт/ср×м^2).	4. Яркость Единица яркости – кандела на метр в квадрате (кд/м^2).
5. Освещенность Е е характеризует величину потока излучения, падающего на единицу площади освещаемой поверхности. Единица освещенности - Вт/м^2.	5. Освещенность Единица освещенности – люкс (лк). Освещенность на расстоянии r от точечного источника где a - угол падения луча на поверхность.

 

Нормы освещенности для различных видов работ:

– минимальная освещенность 30 – 50 лк;

– для чтения 300 лк;

– при выполнении ремонтных работ 75– 150 лк;

– для содержания откормочного поголовья 20 – 50 лк.

 

Существует большое разнообразие источников оптического излучения. Один из них – лампы накаливания. Лампа накаливания относится к тепловым источникам и представляет собой тело накала (в виде вольфрамовой нити, спирали и др.),

заключенное в стеклянный баллон, заполненный инертным газом. При прохождении электрического тока через тело накала оно нагревается, атомы его возбуждаются (переходят на более высокие уровни энергии), а при обратном переходе в основное (невозбужденное) состояние излучают электромагнитные волны разных частот в оптическом диапазоне. Спектр излучения (совокупность монохроматических волн) определяется температурой тела накала и его оптическими свойствами и является сплошным (непрерывным).

Основными светотехническими характеристиками источников света, связывающими электрические и световые величины, являются световая отдача и удельный расход мощности,

Световая отдача К – это отношение светового потока источника Ф к потребляемой мощности Р: . (1)

Единица измерения – люмен на ватт (лм/Вт).

Удельный расход мощности η – это мощность, необходимая для получения средней сферической силы света в одну канделу: . (2)

Единица измерения удельного расхода мощности - ватт на канделу (Вт/кд).

Световая отдача и удельный расход мощности являются показателями экономичности источников света. У ламп накаливания световая отдача составляет 7 – 20 лм/Вт. Такая низкая световая отдача объясняется тем, что 70 -76 % мощности излучения вольфрамового тела накала лежит в ближней ИК-области спектра, в то время как на видимую область излучения приходится только от 7 до 13 % мощности.

Практическое измерение силы света I_x испытуемой лампы накаливания производят путем сравнения ее с силой света I_э эталонной лампы на установке, схема которой представлена на рис. 2.

 

 

Рис. 2

 

Испытуемая EL1 и эталонная EL2 лампы располагают неподвижно по краям фотометрической скамьи, а светомерная головка BL люксметра PS может перемещаться по скамье, ее положение фиксируется по масштабной линейке.

Светомерная головка располагается так, чтобы люксметр показывал ноль. Это значит, что освещенность фотоэлементов головки обеими лампами одинакова:

 

E _x = E _э.

Так как в этом случае , получим:

; ;

где r _x, r _э - расстояние от светомерной головки люксметра до испытуемой и эталонной лампы соответственно.

Для измерения мощности Р, потребляемой испытуемой лампой EL1, в ее электрическую цепь включены амперметр PА и вольтметр PV. Реостатом RP изменяют накал лампы EL1 и потребляемую ею мощность Р.

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с измерительной установкой и включить ее в сеть.

2. Установить реостатом RP максимальное напряжение U на вольтметре.

3. Перемещая светомерную головку BL, найти место, где освещенность, создавае-

мая на поверхности фотоэлементов лампами EL1 и EL2, одинакова. При этом гальванометр люксметра устанавливается на ноль. Записать в таблицу измерений и результатов расчетов значения r _х и r _э.

4. Уменьшая реостатом RP напряжение на 5–10 вольт, вновь измерить ток I,

расстояния r _э и r _х по масштабной линейке. Измерения должны быть произведены не менее чем для пяти различных значений мощности испытуемой лампы.

5. Для каждого измерения вычислить потребляемую лампой мощность Р=U× I, силу

света I _x по формуле (3), световой поток Ф = 4 p I _x.

6. Для каждого значения мощности Р вычислить световую отдачу К и удельный

расход мощности η. Расчетные данные занести в таблицу измерений и результатов расчетов.

7. Построить графики зависимости светового потока Ф= f (Р), световой отдачи

К= f (Р), удельного расхода мощности η = f(Р) для испытуемой лампы.

8. В выводах к работе дайте оценку экономичности ламп накаливания. Объясните физическую сущность зависимостей, полученных на графиках Ф= f (Р), К= f (Р), η = =f(Р) для испытуемой лампы.

 

 

Таблица измерений и результатов расчетов

 

№	U, В	I, А	Р, Вт	r э, м	r х, м	I э, кд	I x, кд	Ф, лм	К, лм/Вт	η, Вт/кд

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое оптическое излучение? Какие виды излучений включает оптический диапазон?

2. Какие системы величин используются для описания характеристик оптического излучения?

3. Функция видности, ее физический смысл. Вид функции видности для дневного и сумеречного зрения, в чем различие и чем оно обусловлено?

4. Назовите основные параметры оптического излучения в энергетической и световой системах.

5. Конструкция и принцип работы лампы накаливания.

6. Назовите основные светотехнические характеристики ламп накаливания и единицы их измерения.

7. В чем заключается сущность метода определения освещенности путем сравнения?

 

Литература

 

 

1. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высш. шк., 1994. Часть 5, гл. 21, § 168.

2. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука, 1977. Том 2, часть 3, гл. XVI,

§ 113, 114.

3. Грабовский Р. И. Курс физики. С-Пб.: Лань. 2002. Часть П, гл. VI, § 48, 49.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4– 02