Визначення питомої потужності електричної лампи

Прилади і матеріали: вимірювальний стенд, еталонне та досліджуване джерела світла.

Мета роботи: вивчення основних фотометричних величин та законів освітленості.

І. Теоретичні відомості

Світлове випромінювання, що проходить через деяку поверхню, можна характеризувати кількістю енергії, яка переноситься електромагнітною хвилею через цю поверхню за 1 с, тобто потужністю випромінювання W через дану поверхню. У випадку, якщо приймачем світла є око, світлове випромінювання характеризується добутком потужності випромінювання W на коефіцієнт видності V . Ця психофізична або фотометрична характеристика, що враховує спектральну чутливість ока є світловим потоком:

Ф = W V . (1)

Тобто світловим потоком називається потік світлової енергії, що оцінюється за зоровим відчуттям.

Наступною фотометричною одиницею є сила світла. Вона визначається відношенням світлового потоку (Ф), створеного точковим джерелом світла в тілесному куті до величини цього тілесного кута (рис. 1):

І = Ф/ , (2)

де =S/R² (3)

[ ] – стерадіан (ср); [І] = кандела (кд); 1кд – сила світла, що випромінюється при певних умовах еталонним джерелом світла.

Згідно з (2):

Ф = І . (4)

[Ф] = 1 люмен (лм) =1кд  1 ср - світловий потік, який створює джерело світла силою 1кд у просторовому куті 1ср.

Освітленість поверхні Е – це відношення світлового потоку, що падає на дану поверхню, до площі цієї поверхні:

Е = Ф/S. (5)

Якщо розміри поверхні S малі в порівнянні з її відстанню до джерела світла, то

Е = ( І/R²)·cos , (6)

де - кут падіння світла на поверхню; І – сила світла джерела. Одиниця освітленості: [Е] - люкс (лк). 1 лк = 1 лм/м².

Для неточкових джерел світла, що мають певні розміри, вводиться поняття яскравості:

В = І/S₀, (7)

де І – сила світла, S₀ – видима поверхня. [B] = кд/м².

Рис. 1.

Основною фізичною величиною, що характеризує економічність електричної лампи, є кількість електричної енергії, яка витрачається на одержання одиниці світла. Ця величина називається питомою потужністю лампи. Якщо потужність електричного струму, який розжарює нитку лампи, позначати через Р, а відповідну їй силу світла (виражену в канделах) – через І, тоді величина питомої потужності матиме такий вигляд:

w= Р/І. (8)

Значення питомої потужності залежить від температури нитки, тому воно різне для різних видів ламп. Експериментально встановлено, що питома потужність кожної лампи зменшується із збільшенням розжарення нитки лампи.

Іі. Опис приладів і методика вимірювання

Порівняння освітленостей проводиться візуально, яке грунтується на тому, що людське око добре визначає рівність освітленостей, але погано оцінює, у скільки разів освітленість однієї поверхні більша від освітленості іншої. При перпендикулярному падінні променів на поверхню освітленість її рівна, згідно з (6):

Е = І/R², (9)

де І – сила світла точкового джерела. При рівності освітленостей двох поверхонь, що дотикаються, згідно з формулою (9) одержуємо:

І₀/R₀² = І/R², (10)

де І₀ та І – сила світла еталонного та досліджуваного джерела, а R₀ та R – їх відстані до поверхонь при рівності освітленостей. З формули (10) визначається сила світла досліджуваного джерела:

І = І₀ R²/ R₀². (11)

Установка складається з фотометричної лави, на кінцях якої розташовані еталонна лампа L₁, сила світла якої при певній напрузі струму відома, і досліджувана лампа L₂ (рис.2). Між ними міститься фотометрична головка. Для усунення впливу розсіяного світла з боку зовнішніх предметів на кінцях і в середині лави встановлені спеціальні екрани з отворами. Для визначення потужності електричного струму, який розжарює нитку лампи, використовують ватметр. Він вмикається в коло досліджуваної лампи за схемою, зображеною на рис. 3. R₂ – реостат, призначений для зміни розжарення нитки лампи. Для підтримання постійної напруги на еталонній лампі в її коло ввімкнено реостат R₁, а напруга на ній контролюється вольтметром V.

Усі прилади закріплено на пересувних каретках, призначених для зміни віддалі між окремими частинами лави. Унизу каретки є штриховий індекс для відліку віддалі по шкалі лави.

Для фотометричних вимірів використовують фотометричну головку (див. рис.3). Світло, відбите поверхнями пластинки, направляється призмами 2 через фотометричний кубик 3 з контрастними полями в окулярну трубку головки 4. При фотометричній рівновазі, коли яскравість обох сторін приймальної пластинки головки однакова, видиме в окуляр поле має вигляд, зображений на рис.3, з правого боку.

На фоні рівномірної яскравості видно дві трапеції, трохи темніші, ніж фон.

Рис. 2. Рис. 3.