STUDUL NTENSTĂŢ LUMNOASE Ş AL CÂMPULU LUMNOS ALE UNE SUSE DE LUMNĂ 1. Scpul lucrării Lucrarea îşi prpune determinarea intensităţii luminase a unei surse necunscute şi studiul distribuţiei intensităţii luminase în jurul unui bec cu filament.. Cnsideraţii teretice Ftmetria se cupă cu metdele şi mijlacele de măsurare ale mărimilr caracteristice radiaţiilr din dmeniul vizibil. Lumina este capabilă să impresineze chiul şi prduce în creier senzaţia vizuală. Aceasta se manifestă în duă mduri: senzaţia de intensitate şi senzaţia de culare. Senzaţia de intensitate depinde de energia luminasă care cade în unitatea de timp pe unitatea de suprafaţă a retinei şi variază în funcţie de energia W a izvrului lumins, deci cu fluul de energie radiantă care se pate defini astfel: dw P = (1) dt Fluul de energie radiantă are dimensiunile unei puteri şi se măsară în Waţi. Senzaţia de culare se manifestă prin faptul că chiul prezintă sensibilitate diferită în funcţie de lungimea de undă a radiaţiei incidente. Diferite radiaţii emise în aceeaşi cantitate de către izvrul radiant nu prduc aceleaşi efecte de intensitate asupra chiului, ele prezentând diferite eficacităţi luminase sau vizibilităţi. Pentru a caracteriza acest lucru se defineşte sensibilitatea spectrală relativă V λ ca fiind: = P Vλ P P este fluul de energie radiantă în lumina mncrmatică cu λ = 555 µm, pentru care chiul uman prezintă maimum de sensibilitate în regimul de vedere diurnă (la fluuri de energie intensă). P λ este fluul de energie radiantă în lumină mncrmatică cu lungimea de undă λ. Fluurile radiante P şi P λ se măsară cu ajutrul receptrilr fizici integrali. În vederea crepusculară (la fluuri de energie radiantă farte slabe) curba de sensibilitate spectrală Figura 1 relativă Vλ = f( λ) se deplasează 65 λ ()
Studiul intensităţii luminase şi al câmpului lumins ale unei surse de lumină către lungimile de undă mai mici (vezi Fig.1). Mărimile ftmetrice se definesc legat de senzaţia luminasă. Astfel avem: fluul lumins Φ, intensitatea luminasă, iluminarea E. Fluul lumins Φ, în lumină mncrmatică care este dat de relatia: Φ = λ 66 K V P (3) unde: P λ este fluul energetic radiant, V λ este sensibilitatea spectrală relativă şi K este echivalentul ftmetric al radiaţiei. Dacă P se măsară în waţi şi K = 675 lm/w, fluul lumins se măsară în lumeni (lm). ntensitatea luminasă, a unui izvr punctifrm este numeric egală cu fluul lumins elementar dφ emis într-un unghiul slid elementar dω: dφ = (4) d Ω Unitatea de intensitate luminasă este candela (cd). Ea este intensitatea 1 luminasă în direcţia nrmalei unei suprafeţe de m a unui crp negru, la 600000 temperatura de slidificare a platinei (04 K) şi la presiune nrmală. Lumenul este fluul lumins emis de sursă punctuală iztrpă cu intensitatea de candelă, într-un unghi slid de 1 steradian. luminarea, E a unei suprafeţe în jurul unui punct al suprafeţei este numeric egală cu fluul lumins care cade pe elementul de suprafaţă elementară ds din jurul acelui punct: dφ E = (5) ds Unitatea de iluminare este luul (l) egal cu iluminarea prdusă de un flu lumins de un lumen ce cade unifrm pe aria de un metru pătrat: Figura λ λ 1 lm 1 l =, (6) 1m Legătura dintre iluminarea unei suprafeţe şi intensitatea luminasă a unei surse punctifrme se pate btine prin cmbinarea reatiilr (4) şi (5) şi este dată de: unde: dω E = (7) ds dscs i d Ω =, (8) r
Fizică: Îndrumătr de labratr este unghiul pe care îl face nrmala la suprafaţa ds cu raza mijlcie a fasciculului de lumină (vezi Fig.), iar r este distanţa de la sursă la elementul de suprafaţa iluminată ds şi deci: E = cs i.. (9) r Pentru incidenţă nrmală, relaţia (9) devine: E =. (10) r La cmpararea diferitelr surse de lumină, chiul pate stabili uşr dacă duă suprafeţe aprpiate au iluminarea egală, dar nu pate aprecia de câte ri iluminarea unei suprafeţe este mai mare decât a alteia. De aceea ftmetrele, aparate care servesc la determinarea unr mărimi ftmetrice, sunt astfel cnstruite încât rlul chiului se reduce la stabilirea egalităţii iluminării a duă câmpuri aprpiate. Dacă avem iluminare egală a duă câmpuri E = E, atunci cnfrm relaţiei (10), se bţine: =. (11) şi fiind intensităţile luminase a duă surse, şi distanţele de la surse până la ftmetru. Cunscând intensitatea luminasă a unei surse şi măsurându-se şi, se pate determina intensitatea a celei de-a dua surse: = (1) Distribuţia intensităţii luminase în jurul unui bec cu filament depinde de direcţie întrucât filamentul este un crp tridimensinal asimetric necentrat în bec. Prin rtirea becului se mdifică unghiul slid sub care este iluminată suprafaţa. 3. Aplicaţii Studiul iluminării diferitelr suprafeţe, la diferite unghiuri şi cu diferite surse de lumină, permite ptimizarea iluminării în diverse spaţii, cnfrm necesităţilr, cntribuind la ecnmie substanţială de energie electrică. De asemenea, aceste studii, crbrate cu distribuţia intensităţii luminase pt ptimiza şi autmatiza, funcţinarea panurilr slare, pentru captare maimă a fluului lumins. 67
Studiul intensităţii luminase şi al câmpului lumins ale unei surse de lumină 4. Metdica eperimentală 4.1. Mntajul eperimental Aparatul utilizat pentru determinarea intensităţii luminase este un ftmetru Bunsen (vezi Fig.3). Partea principală este un paravan pac pe care se găseşte pată translucidă (decupaj circular cnfectinat dintr-un cartn acperit cu hârtie de calc). Pata este luminată perpendi-cular pe ambele feţe de către duă surse S 1 şi S. O parte din lumina care ajunge la pata P este Figura 3 difuzată, cealaltă parte fiind transmisă. Oglinzile O 1 şi O permit bservarea simultană a ambelr feţe ale petei. Ftmetrul şi cele duă surse sunt mntate pe suprturi verticale şi pt glisa de-a lungul unui banc ptic, cu scpul de a bţine iluminări egale a ambelr feţe ale petei date de cele duă surse plasate de parte şi de alta a ftmetrului. Ca surse de lumină se flsesc duă becuri electrice, unul ales ca etaln, de intensitate cunscută, celălalt legat într-un circuit electric şi supus la diferite tensiuni electrice, permiţând astfel, studiul variaţiei intensităţii luminase în funcţie de tensiunea aplicată. Studiul câmpului lumins al unei surse se face cu ajutrul unui lumetru. Lumetrul indică în md direct iluminarea unei suprafeţe. 4.. Mdul de lucru Pentru determinarea intensităţii luminase a sursei necunscute se efectuează următarele peraţii: 1. Se realizează mntajul din Figura 4 pentru sursa necunscută.. Pziţiile surselr rămânând neschimbate, se deplasează ftmetrul până când cele duă pete sunt egal iluminate. 3. Pentru fiecare valare a tensiunii electrice se citesc distanţele şi de trei ri şi se calculează mediile. Valrile măsurate se trec în tabelul 1. 68
Fizică: Îndrumătr de labratr Figura 4 Tabelul 1 [Cd] U [V] [cm] 0 [cm] [Cd] [Cd] [cm] [%] 1 1 4. Prelucrarea datelr eperimentale 1. Cu datele bţinute flsind relaţia (1) se calculează intensitatea necunscută a sursei pentru fiecare valare a tensiunii de la brne.. Se reprezintă grafic valarea acestei intensităţi în funcţie de tensiune. 4.3. Calculul errilr Din relaţia: întrucât: = + 69 + (13) = (14)
Studiul intensităţii luminase şi al câmpului lumins ale unei surse de lumină se bţine: 1 = + Datele şi rezultatele se trec în tabelul 1. 1 + 4.4. Mdul de lucru pentru studiul distribuţiei intensităţii luminase Se prcedează astfel: 1. Se pune în stativul sursei cunscute becul de studiat.. Se alege distanţă ptrivită între bec şi stativul pe care e fiat lumetrul astfel ca acesta să indice iluminare destul de mare. 3. Se rteşte becul în planul rizntal din 30 în 30, deplasându-se stativul cu lumetrul de fiecare dată, astfel ca iluminarea să rămână aceeaşi. 4. Se ntează de fiecare dată distanţa dintre bec şi lumetru iar valrile masurate se trec in tabelul. Tabelul Unghiul [grade] 0 30 60 90 10 150 180 10 40 70 300 330 360 Distanta [cm] (15) 5. Pe hârtie milimetrică se realizează diagrama plară a iluminării egale de la 0 la 360 0, bţinându-se curbă de egală iluminare. 70