Justyna Sówka Wrocław 3.11.2006r

ĆW. NR 70 POMIARY FOTOMETRYCZNE

Pomiar światłości, natężenia oświetlenia i luminancji z zastosowaniem metod wizualnych i fizycznych; poznanie budowy i zasady działania fotometru Lummera-Brodhuna.

Fotometria jest działem optyki, zajmującym się badaniem energii promieniowania elektromagnetycznego i innych wielkości z nim związanych. Obejmuje ona swym zakresem zarówno promieniowanie niewidzialne, jak i promieniowanie widzialne. Fotometria dzieli się na : obiektywną (inaczej fizyczną, energetyczną) w której detektorem promieniowania jest element fotoelektryczny np. klisza fotograficzna, oraz na subiektywną (inaczej wizualną) w której detektorem jest oko ludzkie.

Obiektywne pomiary fotoelektryczne oparte są przede wszystkim na wykorzystaniu receptorów fotoelektrycznych. Najczęściej spotykanym ogniwem fotoelektrycznym jest ogniwo selenowe.

W fotometrii wielkością podstawową jest kierunkowe natężenie źródła światła (inaczej światłość kierunkowa) , którą przy równomiernym rozkładzie światła wewnątrz kąta bryłowego  opisuje wzór

.

Światłość kierunkowa jest wielkością, której jednostka - kandela (cd) - jest określana arbitralnie, czyli należy do jednostek podstawowych.

Do innych ważnych wielkości fotometrycznych należą:

Jedną z najważniejszych zależności w fotometrii jest tzw. fotometryczne prawo odległości, które jest określone następującym wzorem:

Światłość, podobnie jak inne wielkości fotometryczne, można wyznaczać metodami wizualnymi (subiektywnymi) i fizycznymi (obiektywnymi). Początkowo fotometria oparta była głównie na obserwacjach wzrokowych. Jednak szybki rozwój techniki i elektroniki spowodował, że metody wizualne coraz częściej zastępowano metodami fizycznymi. W fotometrii fizycznej odbiornikami światła najczęściej są fotokomórki, fotodiody, fotopowielacze i ogniwa fotoelektryczne. Metody obiektywne mają w stosunku do metod subiektywnych istotne zalety: lepszą dokładność i powtarzalność pomiaru, większą szybkość pomiaru, możliwość zastosowania urządzeń cyfrowych i rejestrujących. Wszystkie pomiary wzrokowe polegają na porównaniu luminancji dwóch pól oświetlanych porównywanymi promieniowaniami, pochodzącymi od dwu różnych źródeł. Jeśli oświetlane powierzchnie charakteryzują się jednakową zdolnością rozpraszającą, z równości luminancji wynika równość natężeń oświetlenia. Tę zasadę wykorzystuje się w przyrządach zwanych fotometrami. Wszystkie fizyczne pomiary fotometryczne opierają się na wyznaczeniu natężenia oświetlenia. Można do tego celu wykorzystać dowolny detektor, który w widzialnym zakresie widmowym wykazuje wystarczającą czułość. Często jednak stosuje się ogniwa fotoelektryczne, ponieważ charakteryzują się one prostą obsługą. Wykorzystuje się je w urządzeniach zwanych luksomierzami. W metodzie fizycznej pomiaru światłości wykorzystuje się fakt, że jednakowym natężeniom i jednakowym składom spektralnym oświetlenia światłoczułej powierzchni detektora odpowiadają jednakowe prądy fotoelektryczne. Równość prądów fotoelektrycznych osiąga się przez dobór odpowiednich odległości źródeł Y_w i Y_x światła wzorcowego Z_w o światłości i badanego Z_x o światłości od detektora. Można wtedy równość natężeń oświetlenia powierzchni czynnej fotoogniwa wyrazić w postaci :

przy założeniu, że kąt padania światła na powierzchnię światłoczułą fotoogniwa jest w obydwu przypadkach ten sam. Równanie powyższe jest podstawą do wyznaczenia nieznanej światłości badanego źródła światła.

przykładowe obliczenia:

korzystam ze wzorów przedstawionych w punkcie a

przykładowe obliczenia:

To ćwiczenie miało na celu zapoznanie nas z pomiarem podstawowych wielkości charakteryzujących źródła światła.

Wyznaczając współczynnik przepuszczalności filtrów mogliśmy się dowiedzieć, który z danych filtrów ma największe tłumienie promieni świetlnych i dzięki temu może być zastosowany do obserwacji źródeł światła święcących z dużym natężeniem kierunkowym światła.

Badaliśmy również zależność natężenia światła kierunkowego żarówki. Na podstawie uzyskanych danych wykreślimy zależność I=f(α). Po przeanalizowaniu uzyskanej charakterystyki możemy stwierdzić, że natężenia światła żarówki zależy od położenia włókna wolframowego w żarówce. Żarówka daje najwięcej światła w kierunku równoległym do położenia włókna wolframowego, natomiast najmniej w kierunku prostopadłym. Dzięki tym danym możemy tak sobie ustawić żarówkę w domu, aby świeciła najwydajniej w wybranym przez nas kierunku. Niepewność, z jaką uzyskaliśmy te wyniki jest dosyć duża a wiążę się to z niedoskonałością ludzkiego oka.

Na pewno na pomiary dokonane fotoogniwem miał wpływ obecności na sali innych źródeł światła, prócz badanego. Stąd wniosek, że układ pomiarowy należałoby zaopatrzyć w osłonę świetlną.

Dopasowanie liniowe zależności I=f(E)

Zależność I=f(E)

I [μA]

E [lx]

170,0

120,0

70,0

20,0

130,0

110,0

90,0

70,0

50,0

30,0

10,0

= 0,9975

2

R

y = 0,5637x - 0,2952