Люминесцентной лампы и лампы накаливания

Оборудование: люминесцентная лампа на 15 Вт, лампа накаливания на 15 Вт, школьный фотометр, прибор для изучения законов фотометрии.

Цель работы: измерить и сравнить коэффициенты световой отдачи лампы накаливания и люминесцентной лампы.

Одной из важнейших характеристик источника света, с точка зрения его экономичности, является коэффициент световой отдача, величина которого определяется отношением полного светового потока Φ, излучаемого лампой мощностью W, подводимой к лампе: K=Φ/W.

Максимальный коэффициент световой отдачи составляет порядка 200 лм/Вт. Лампа накаливания большую часть энергии излучает в виде тепла (инфракрасных лучей), поэтому К для этих ламп составляет порядка 10 лм/Вт. Если мощности, потребляемые лампами для сета известны, то задача сравнения коэффициентов отдачи сводится к сравнению потоков исследуемых ламп.

Будем считать, что распределение светового потока от исследуемых ламп близко к распределению светового потока точечного источника света. В этом случае световой поток Ф и освещенность E связаны соотношением:

(1)

где R - расстояние от точечного источника света. Тогда для коэффициента К световой отдачи получим:

(2)

Таким образом, зная освещенности от двух источников и подводимые мощности к лампам, можно найти отношение коэффициентов К₁ и K₂. Сравнение освещенностей производят с помощью прибора. Пусть люминесцентная лампа и лампа накаливания создают одинаковую освещенность E на расстояниях R₁ и R₂ соответственно. Полные мощности ламп известны и равны W₁ и W₂. С учетом указанного запишем коэффициенты световой отдачи К₁ для люминесцентной лампы и для лампы накаливания – K₂:

, (3)

Из (3) следует рабочее отношение коэффициентов К1 и K₂:

(4)

Таким образом, задачу сравнения коэффициентов световой отдачи двух источников света известной мощности свели к измерению расстояний R₁ и R₂ где освещенность одинакова.

Порядок выполнения работы

1. Установить люминесцентную лампу в затемненном помещении и включить ее.

2. На расстоянии 1 м от лампы установить люксметр и измерить освещенность. Зафиксировать это значение освещенности.

3. Выключить люминесцентную и включить лампу накаливания.

4. Поднося датчик люксметра к лампе, добиться, чтобы освещенность сравнялась с предыдущим значением.

5 Измерить расстояние от датчика фотометра до лампы накаливания.

6. Произвести расчет по формуле (4). W₁ и W₂ равны 15 Вт.

7. Повторять измерения 3 раза.

Задание 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВРЕМЕНИ ВОЗБУЖДЕННОГО СОСТОЯНИЯ ЛЮМИНОФОРА

Цель работы, исследовать закономерность изменения интенсивности излучения во времени люминофора и определить постоянную послесвечения.

Приборы и принадлежности:- осциллограф и фотодиод

МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ Пусть в некоторый момент времени число электронов в ловушках N. За время dt ловушки покинуло и перешло к активаторам dN электронов (рис.1) Число dN электронов, осуществивших переход 2-3, пропорционально произведению Ndt

и равно:

(1)

где ξ - среднее число переходов 2-3 за единицу времени. Интегрируя (1) получим число N переходов 2-3, сопровождаемых излучением N квантов света, за время t:

(2)

где N₀, - число электронов в ловушках при t = 0. Переходя к интенсивности (величине, пропорциональной числу фотонов, испускаемых в единицу времени) люминесценции, можно записать:

(3)

где - интенсивность люминесценции при t = 0. Как следует из выражения (1), интенсивность затухания люминесценция происходит по экспоненциальному закону и время τ определяет время возбужденного состояния люминофора (среднее время жизни электрона в ловушке). Исследование закона послесвечения люминофора (нанесенного на внутреннюю поверхность экрана осциллографа) и измерение величины τ можно произвести на экспериментальной установке, схема которой показана на рис. 4.

Рис. 4 Схема экспериментальной установки 1 – осциллографическая труба с исследуемым люминофором, 2 - пучок электронов, 3 - экран с люминофором; 4 - фотодиод, 5 – осциллограф.

Периодическое возбуждение люминофора осуществляется пучком электронов (2) с частотой сканирования горизонтальной развертки луча осциллографа, содержащего трубку (1), экран которой используется в качестве источника люминесцентного излучения. Фотоприемником люминесцентного излучения служит фотодиод (4), который работает в линейном режиме. Сигнал, снимаемый с фотодиода, подается на вход Y осциллографа (5), который применяется для наблюдения периодического послесвечения люминофора. С целью экспериментальной проверки закона затухания свечения экрана необходимо провести графический анализ наблюдаемой зависимости I(t) Для этого строят график, по координатам которого откладывают величины , где I₀ - максимальная величина интенсивности, t - время В случае экспоненциальной зависимости I(t) должна получиться прямая по углу наклона которой и определяют.

Порядок выполнения работы

1. Включить осциллографы и установить скорости горизонтальной развертки лучей в пределах 1-2 мс/дел

2. С помощью ручек "яркость" и "фокус" осциллографа с исследуемым люминофором, получить светящуюся линию шириной около 0,5 мм. Используя ручку "смещение Y", разместить горизонтальную линию посередине экрана.

3. Установить фотодиод с помощью держателя вплотную к экрану осциллографа.

4. Подать сигнал с фотодиода на вход "У" второго осциллографа. Получить осциллограмму интенсивности I(t) на экране с указанием временного масштаба по оси времени. Масштаб определяется с помощью меток, модулирующих яркость луча Временной интервал между метками определяется исходя из положения ручки "метки" (осциллографа С1 - 19).

5. Построить зависимость от времени t на миллиметровой бумаге. По углу наклона прямой определить время возбужденного состояния люминофора. Оценить погрешность измерения времени τ.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Что называется люминесценцией и чем это явление отличается от теплового о излучения?

2. Сформулируйте особенности люминесцентного излучения.

3. Перечислите вилы люминесценции.

4. В чем состоит механизм фосфоресценции

5. От каких параметров люминофора зависит время нахождения электрона в ловушке?

6. От чего зависит цвет люминесцентного излучения люминофора?

7. Каковы устройство и принцип действия люминесцентной лампы?

8. Почему коэффициент световой отдачи люминесцентной лампы больше, чем у лампы накачивания?

9. Каким способом можно осуществить зажигание разряда люминесцентной лампы при отсутствии стартера?

10. В чем особенности применения явления люминесценции в приложениях: люминесцентный анализ, дефектоскопия, краски, фосфоресцирующие экраны, сцентиляционные счетчики, ртутная лампа высокого давления, медико-биологическое применение.