ćw.5. Wyznaczenie rozkładu widmowego mocy promienistej źródła promieniowania oraz określenie jego ...
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1
Politechnika Lubelska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
Katedra Sieci Elektrycznych i Zabezpieczeń
Laboratorium Instalacji i Oświetlenia Elektrycznego
Ćwiczenie nr 5
WYZNACZENIE ROZKŁADU WIDMOWEGO MOCY PROMIENISTEJ
ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA ORAZ OKREŚLENIE JEGO
TEMPERATURY BARWOWEJ
2
1. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE
Cel i zakres ćwiczenia.
Wyznaczyć krzywą rozkładu widmowego mocy promienistej
żarówki, świetlówki kompaktowej i indukcyjnego źródła światła, a także obliczyć ich
temperaturę barwową metodą uproszczoną na podstawie wzoru Plancka.
Ilość energii Pr/Qr wysyłanej przez źródło promieniowania w czasie t,
dQr
dt
nazywamy
strumieniem energetycznym Fe źródła promieniowania, a natomiast strumień energetyczny
wysyłany przez to źródło w wąskim przedziale długości fal, nazywamy gęstością
monochromatyczną strumienia energetycznego
Fe
λ
= [ w nm
-1
]
dFe
d
(1.1 )
Pomiar gęstości monochromatycznej, a więc wielkości świetlnej przy danej długości fali
zakresu widzialnego jest zadaniem działu techniki .świetlnej zwanego spektrofotometrią.
Spektrofotometria służy do analizy widmowej pozwalającej na ustalenie jakościowego składu
ciał złożonych, a jej zaletą jest duża czułość pozwalająca na wykrywanie nawet znikomych
procentów składników ciała złożonego. Technika świetlna wykorzystuje pomiary
spektrometryczne do badania zmienności zjawisk świetlnych w zakresie fal widzialnych
a także do wyznaczenia monochromatycznej gęstości danej wielkości widmowej.
Do pomiarów spektrofotometrycznych niezbędne są urządzenia pozwalające na
wyodrębnienie z całego widma promieniowania źródła światła, tę jego część zawartą
w przedziale długości fal.
1
(1.2 )
Przedział ten może być mniej lub bardziej wąski i musi dać się wyodrębnić w całym zakresie
widma widzialnego w dowolnym jego, punkcie lub wielu punktach rozłożonych możliwie
równomiernie w całym zakresie widzialnym.
−
2
=
λ
Rys. 1.1. Schemat budowy monochromatora.
Urządzeniem, które służy do tego celu jest monochromator, gdzie źródło promieniowania
Z
oświetla szczelinę wejściową
1
kolimatora
K
. Szczelina ta znajduje się w ognisku
skorygowanej chromatycznie soczewki
S1
. Soczewka kolimatora rzuca wiązkę równoległą na
pryzmat
P
, który załamuje i rozszczepia przechodzące promienie i kieruje je na soczewkę
S2
.
Soczewka
S2
daje obraz widma w płaszczyźnie szczeliny wyjściowej
2
znajdującej się w jej
ognisku. Przesuwając szczelinę
2
o regulowanej szerokości równolegle do obrazu widma
można wyodrębnić interesujący nas przedział ∆λ długości fal. W praktyce zamiast ruchomej
szczeliny
2
stosuje się szczelinę stałą, natomiast pryzmat
P
obraca się za pomocą śruby
mikrometrycznej. Dzięki takiemu rozwiązaniu na szczelinę
2
można kierować dowolną część
widma.
λ ∆
3
Pomiar energii zawartej w przedziale ∆λ długości fal wyodrębnionych przez szczelinę
wyjściową, można dokonywać metodami: subiektywną, obiektywną i fotograficzną. Metoda
subiektywna polega na porównaniu okiem luminancji dwu obok siebie leżących pól, z
których jedno jest oświetlone wycinkiem o szerokości ∆λ widma badanego źródła światła,
drugie natomiast oświetlone takim samym wycinkiem widma o szerokości ∆λ wzorcowego
źródła światła. Metoda obiektywna to pomiar prądu fotoogniwa lub komórki fotoelektrycznej
naświetlanej kolejno badanym i wzorcowym źródłem światła. Przy metodzie fotograficznej
dokonuje się pomiaru zaczernienia kliszy fotograficznej naświetlanej kolejno badanym
i wzorcowym źródłem promieniowania. Obrazy widma są przesunięte względem siebie
i porównuje się ich zaczernienie przy danej długości fali, co jest miarą stosunku energii
padającej na kliszę.
W laboratorium do pomiarów jest wykorzystywany monochromator lusterkowy typu
Wadswortha, SPM-1, którego schemat optyczny przedstawiono na rys.2.
Rys. 1.2. Schemat budowy monochromatora lusterkowego typu Wadswortha.
Obraz badanego lub wzorcowego źródła światła rzucany jest przez kondensor na szczeliną
wejściową
1
, która znajduje się w ognisku zwierciadła wklęsłego
Z1
. Zwierciadło to rzuca
wiązkę promieni równoległych na zwierciadło płaskie
Z2
. Wiązka promieni po odbiciu
kierowana jest na pryzmat
P
(szklany lub kwarcowy) zależnie od interesującego nas zakresu
promieniowania. Pryzmat ten obraca się dookoła osi
0
razem ze zwierciadłem
Z3
. Obrót
następuje przy pokręcaniu śruby mikrometrycznej, której bębenek jest wyskalowany
w działkach. Zależność między długością fali λ przypadającej w środku pola szczeliny
wyjściowej
2
znajdującej się w ognisku zwierciadła
Z3
a położeniem śruby mikrometrycznej
dla pryzmatu szklanego jest podana na rys.3 wraz z krzywą dyspersji
∆λ
= () podającej
λ
jaki przedział widma zawarty jest w szczelinie wyjściowej o szerokości 1mm (w wartościach
względnych w stosunku do ∆λ dla 560 nm).
Jak wynika z wykresu wraz ze wzrostem długości fali przedział ten szybko rośnie, zwłaszcza
w zakresie fal dłuższych, gdzie należy stosować możliwie wąską szczelinę wyjściową dla
uzyskania dokładnych pomiarów.
Odbiornikiem promieniowania wychodzącego ze szczeliny wyjściowej monochromatora
może być:
−
ogniwo fotoelektryczne lub komórki fotoelektryczne dla zakresu widzialnego i nadfioletu,
−
ogniwa lub stosy termoelektryczne dla zakresu podczerwieni.
Czułość próżniowych ogniw fotoelektrycznych jest bardzo mała; dla zwiększenia ich czułości
stosuje się fotopowielacze, których zasada działania przedstawiona jest na rys. 1.4.
f
1
nm
4
Fotoelektrony emitowane z fotokatody
K
pod wpływem działania pola elektrycznego są
przyśpieszane i padają na katodę pośrednią, z powierzchni której wywoływana jest emisja,
wtórna itp. aż do ostatniej elektrody, którą jest anoda. Liczba wtórnych emiterów
w zależności od konstrukcji zmienia się od 10 do 15. Fotopowielacz charakteryzuje się
również prądem ciemniowym, który przepływa przy nieobecności strumienia świetlnego,
a jego wartość wzrasta ze wzrostem napięcia anodowego.
Rys. 1.3. Krzywa wzorcowania monochromatora oraz krzywa dyspersji.
Rys. 1.4.
Schemat budowy fotopowielacza.
Należy wystrzegać. się wykonania pomiarów przy małych wielkościach świetlnych, ponieważ
wówczas należy dodatkowo chłodzić fotopowielacz, którego prąd wynosi od 5 10
-8
do 10
-10
A.
Przed przystąpieniem do wykonania pomiarów monochromatorem należy dokonać jego
wzorcowania, jeżeli nie zostało ono wykonane wcześniej. Do wzorcowanie wykorzystuje się:
-
lampy widmowe, czyli lampy wyładowcze wypełnione różnego rodzaju gazami i parami
metalu dające widmo prążkowe,
-
lampy wzorcowe, czyli lampy o znacznym rozkładzie energii w ich widmie, będące
promiennikami temperaturowymi o określonej temperaturze barwowej, zwykle 2854 K.
Znając temperaturę barwową wzorcowego źródła możemy określić z prawa Planka rozkład
widmowy energii promieniowanej. Przy wykonywaniu pomiarów odczyty należy wykonywać
co 10 nm.
W laboratorium znajduje się monochromator firmy Zeiss typ SPM-1 wyposażony
w pryzmat szklany i kwarcowy, jako odbiornik służy fotopowielacz o czułości maksymalnej
5
dla długości fal λ = 800 nm. Obudowa fotopowielacza wykonana jest z żelaza celem
zabezpieczenia go od wpływu zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Fotopowielacz jest
zasilany napięciem stałym kablem koncentrycznym z zasilacza wysokiego napięcia ZWN-2,5.
Przed rozpoczęciem pomiarów zasilacz powinien być włączony do sieci celem rozgrzania
i ustalenia się jego parametrów. Przełącznik polaryzacji ustawiony na zero, jak również
przełączniki poziomu napięcia anodowego. Po osiągnięciu gotowości zasilacza do pracy,
przełącznik polaryzacji należy ustawić na ,, - ‘’ i wymaganą wartość napięcia anodowego.
Monochromator wyposażony jest w pryzmat zwierciadłowy Nr 3711 o kącie łamiącym 59°
59’ 37 ”. Do skalowania była użyta lampa fluorescencyjna emitująca prążki rtęciowe
o długościach fal 365 nm, 404,7 nm, 435 nm, 545,8 nm, 579 nm i 1014 nm przy szczelinie
wejściowej 0,1 mm i szczelinie wyjściowej 0,05 mm.
Napięcie
anodowe na fotopowielaczu
wynosiło 900 V, a dane przedstawiono w tablicy 1.
Tablica 1.
λ [ nm. ]
dz. bębna [ dz. ]
365
1790.5
404.7
1623.0
435.8
1530.2
545.8
1343.2
579.0
1311.6
1014.0
1127.5
Dokonano wyboru pasm, które pokrywają cały zakres widmowy, wybrano szerokość
szczeliny wyjściowej, aby w szczelinie mieścił się zakres λ = 15 nm. w punkcie, gdzie
występuje prążek rtęciowy i ∆λ = 20 nm. w pozostałych częściach widma, co przedstawione
jest w tablicy 2.
Tablica 2.
Lp.
Granice
pasma
∆λ λ
działek
bębna
S1 = ∆λ/
0,01nm
S2
Prążki
nm
nm
nm
nm
1
400-415
15
407,5
1619,0
0,051
2,94
404,7
2
415-430
15
422,5
1567,0
0,059
2,54
3
430-445
15
437,5
1531,0
0,068
2,21
435,8
4
445-465
20
445,0
1489,0
0,079
2,53
5
465-485
20
475,0
1449,5
0,093
2,15
6
485-500
15
492,5
1421,5
0,106
1,43
491,5
7
500-520
20
510,0
1396,5
0,120
1,67
8
520-535
15
527,5
1374,0
0,133
1,13
9
535-550
15
542,5
1356,0
0,146
1,03
545,8
10
550-570
20
560,0
1336,0
0,163
1,23
11
570-585
15
577,5
1318,0
0,180
0,83
579,0
12
585-605
20
595,0
1302,0
0,200
1,00
13
605-625
20
615,0
1285,0
0,222
0,90
14
625-645
20
635,0
1270,0
0,245
0,82
15
645-665
20
655,0
1257,0
0,270
0,74
16
665-685
20
675,0
1245,0
0,294
0,68
17
685-705
20
695,0
1235,0
0,320
0,63
Fotopowielacz jest również charakteryzowany przez krzywą liniowości, czyli zależności
prądu fotoelektrycznego od padającej na fotokatodę ilości energii świetlnej racjonowanej
szerokością szczeliny.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]