A fizika mindenkié 3. rendezvényen megvalósított mérések a Leövey-laborban A 12-es fizika fakultációs diákjainkhoz a csepeli Jedlik labor mint partnerintézmény - 11-es fakultációsai is csatlakoztak. Elsősorban a Tungsram-pályázathoz kapcsolódó méréseket végeztük el a kapott mérőállomással. Méréseinket további három méréssorozattal egészítettük ki, tehát a következő mérések leírását tettük közzé: - Fényforrások fényeloszlásának, fényteljesítményének és hatásfokának mérése a Tungsram-pályázat mérőállomásával - Különböző fényforrások megvilágításának mérése, színszűrés, spektroszkópia - Fotoelem ellenállásának vizsgálata - Napelemcella fényérzékenységének és teljesítményének vizsgálata A kísérletek és mérési adatainak rögzítéséhez minden diáknak mérési táblázatokat mellékeltünk. Ezen mérések leírását, valamint az eredményekből egy rövid összefoglalót alább közlünk.
Fényforrások fényeloszlásának vizsgálata A mérés menete: 1. A mérőállomás úgy van kialakítva, hogy egy fotodetektort egy R sugarú gömb felületén egymásra merőleges polárkoordináták mentén, 15, 3, 45, 6, 75, 9 -os irányban helyezhetünk el. A két irányú letapogatással 7x7=49 mérési adattal 1/8 gömbfelület megvilágítás eloszlását mérhetjük ki. A felső további 3/8 felületre nincs értelme mérni a szimmetrikus összeállítás miatt, az alsó félgömb megvilágításának pedig nincs gyakorlati jelentősége, mivel az a fényforrás mögött van és az előre- és oldalirányú megvilágítást nem érinti. (A lámpatestek dominánsan a fényforrás mögötti részről tükrözéssel hasznosítják az ott egyébként a takarás miatt veszendőbe menő fényáramot.) 2. A fotodetektor kalibrálását magunknak kell elvégezni, ehhez egy megvilágítás mérésre is alkalmas multimétert használunk (lx állásba kapcsolva). 3. A mérőállomás R sugarú gömbjének középpontjában helyezhetjük el az 5 és a 21 W-os gépkocsi izzó foglalatát, majd a 4 LED-es lencsézett panelt. Mindhárom fényforrással elvégezzük a fent leírt méréseket. A fotodetektoron mért feszültségértéket a kalibrálás figyelembevételével -ba konvertálhatjuk. Feladatok: 1. A következő módon elvégezzük a fotodetektor kalibrálását: a detektort a 9-9 pozícióba helyezzük, majd az 5 W-os izzót a gömb középpontjában rögzítjük, a foglalat kábelét a 12 V-os feszültséggenerátor kimeneti pontjaira csatlakoztatjuk. A 2 V= állásba kapcsolt multiméter csatlakozó vezetékeit a fotodetektor feszültség kimeneti pontjaira kötjük. Bekapcsoljuk a mérőállomást, majd leolvassuk a fotodetektor feszültségét. A megvilágításmérő másik multimétert 1x állásban úgy helyezzük a fotodetektor helyére, hogy annak fotoérzékelője az izzóhoz képest ugyanabban a pozícióban legyen, mint az előbb a fotodetektor. Leolvassuk a megvilágításértéket, amihez a fotodetektor feszültségértékét rendeljük hozzá. Ugyanezt a kalibrálást a 21 W-os izzóval, majd a LED panellel is elvégezzük, és a végső kalibrálás /V konverziót a három mérés átlagából számítjuk ki. 2. Az 5 W-os izzót a gömb középpontjában rögzítve annak kábelét a 12 V-os feszültséggenerátorra kapcsoljuk, míg a fotodetektor feszültségkimeneti pontjaira multimétert csatlakoztatunk 2V állásban. Elvégezzük a fenti 49 mérést a feszültségértékek (V), majd az abból konvertált megvilágítás értékek () táblázatba foglalásával. 3. Az 5 W-os izzót 21 W-osra cserélve megismételjük az előbbi méréssorozatot. 4. Az izzótartó elemet a LED-panelt tartó elemre cseréljük, aminek kábelét a 1 ma-es áramgenerátor kimeneteire kapcsoljuk és így is elvégezzük az előbbi méréseket!
5. Erre a célra készített program segítségével a program táblázatába beírt megvilágítási adatok felhasználásával ábrázoljuk a fényforrások fényeloszlását a felső félgömbre! (Feltételezzük a felső 1/8 gömbön mért adatok oldalirányú szimmetriáját.) 6. Kiszámítjuk a három alkalmazott fényforrás teljes fényáramát (lm) a következők figyelembe vételével: a fotoszenzort a teljes 1/8 gömbfelületen mozgatva, a 49 megvilágítás értéket átlagoljuk, majd R lemérése után kiszámítjuk az 1/8 gömbfelületet. Definíció szerint a megvilágítás () a fényforrásra merőleges 1 m 2 felületre egyenletesen jutó fényáram (lm). Az 1/8 gömbfelületre átlagolt megvilágításból tehát úgy kapjuk meg a fényforrás fényáramát, hogy a megvilágítást megszorozzuk a felülettel (amire az átlagolást végeztük). 7. Számítsuk ki a fajlagos fényáramokat 1 W felvett elektromos teljesítményre vonatkoztatva az izzók teljesítményét ismerve, a LED panel teljesítményfelvételét kiszámítva. (Megmérjük a 1 ma-es áramgenerátoron a LED panellel terhelt kapocsfeszültséget, majd U I -t számolunk.) Hasonlítsuk össze a három lm/we értéket! 8. Számítsuk ki mindhárom fényforrás hatásfokát, ismerve a szem maximális érzékenységének megfelelő (55 nm-es hullámhosszúságú) fényáramot 1 W fényteljesítményre vonatkoztatva (68 lm/wf) összehasonlítva az előbbi 1 W elektromos teljesítményekre számított fényáramokkal (lm/we)!
Eredmények: 5 W-os izzó V V V V V V V ϑ / φ [ ] 15 3 45 6 75 9,9 132,8 11,8 118,9 131,9 137,9 138,9 137 15,1 142,9 131,1 141,9 137,1 145,1 151,1 142 3,1 151,1 145,9 138,1 147,11 157,11 166,11 162 45,12 169,11 163,11 166,11 163,12 172,11 163,12 169 6,13 19,1 165,12 175,12 178,13 19,13 19,13 185 75,14 198,13 192,15 223,6 238,14 212,14 29,14 23 9,14 98,13 194,14 2,14 26,14 21,14 24,14 21 21 W-os izzó V V V V V V V ϑ / φ [ ] 15 3 45 6 75 9,64 1288.63 1278,6 129,57 1158,47 953,3 617,13 272 15,54 187,52 155,54 111,54 189,49 12,35 714,26 517 3,59 1195,57 1148,62 1263,62 1261,59 1197,36 73,42 858 45,56 1136,52 163,6 1219.699 1215,65 1322,47 953,64 129 6,67 1361,64 132,68 1381,74 1493,7 1422,64 1298,74 1491 75,69 1399,69 1391,64 134,65 1312,71 1434,71 144,73 148 9,67 1361,68 1369,68 1379,68 1385,7 1412,75 1515,71 144 LED V V V V V V V ϑ / φ [ ] 15 3 45 6 75 9,2 59,3 89,2 59,2 59,2 59,2 59,2 59 15,56 1659,74 2187,6 1773,9 251,6 186,7 195,6 189 3,76 2243,92 2719,56 1654,49 1436,23 671,12 358,2 567 45,71 295,86 2541,82 2423,77 2264,63 1874,52 1534,48 1418 6,64 1894,74 219,78 238,78 235,75 222,71 292,69 236 75,6 1776,65 199,69 215,71 283,71 298,72 2119,71 289 9,59 1749,59 1749,59 1744,59 1764,59 1749,61 18,58 172
25 2 15 1 5 9 75 6 45 3 15 15 3 45 6 75 9 5 W-os izzó fényeloszlása 2 15 9 45 15 3 45 6 75 9 1 5 21 W-os izzó fényeloszlása 3 2 1 9 75 6 45 3 15 15 3 45 6 75 9 LED fényeloszlása
1 cm 2 cm kvázi piros kvázi zöld kvázi kék piros zöld kék 4 W-os izzó 28 W-os halogén izzó 9 W-os kompakt fénycső 3 W-os LED spot 58 476 392 392 191 122 119 136 42 315 242 254 365 31 255 264 115 17 71 72 26 153 69 71 156 129 81 85 52 43 13 12
4 W-os izzó 28 W-os halogén izzó 9 W-os kompakt fénycső 3 W-os LED spot U (V) 2, 1,8 1, 1, / 1 cm 58 476 392 392 mv /,34,38,26,26 U k (V) 1,8 1,,7,6 I (ma) 5 37 7 9 P (mw) 9 37 4,9 5,4 mw /,15,7,1,1
Multiméter 1 cm 5 cm 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm x 1 12 252 113 32 15 1 6 1 cm 5 cm 1 cm 2 cm 3 cm 4 cm 5 cm letakarva f e h é r p i r o s z ö l d 12 252 113 32 15 1 6 U (mv) 121 152 13 24 41 556 614 65 I (μa) 254 252 246 233 218 197 148 1 R (kω),47,6,42 1,3 1,88 2,82 4,15 65 1857 456 25 58 27 18 11 U (mv) 6 2 49 68 634 64 644 65 I (μa) 25 237 25 147 84 51 34 1 R (kω),24,84 2,4 4,14 7,55 12,55 18,94 65 2212 546 245 69 33 22 13 U (mv) 59 169 34 61 636 64 642 65 I (μa) 25 239 222 147 78 46 39 1 R (kω),24,71 1,53 4,15 8,15 13,91 16,46 65 312 77 35 1 5 3 2 k é k U (mv) 615 618 642 646 647 648 648 65 I (μa) 13 116 43 13 6 3 2 1 R (kω) 4,73 5,33 14,93 49,69 17,83 216 324 65
Az 1. feladatban mért V és értékekből számított /V konverzió: 5 W 21 W LED átlag /V feszültség (V),143,71,582 (5W) megvilágítás () 21 144 172 1469 (21W) 228 (LED) 2955 Töltsük ki a 3 táblázatot elvégezve a 3-szor 49 mérést! A fenti konverzióból számítsuk át a V értékeket -ra! Számítsuk ki a LED panel elektromos teljesítményfelvételét: Az áramgenerátor árama:,1 A ; a mért kapocsfeszültség: 11V ; P =1,1W Számítsuk ki mindhárom fényforrás esetén a 49 mérésből az 1/8 gömbfelületre átlagolt megvilágítás értékeket! A három átlagolt megvilágítás értékből () azok A =,5 r 2 π, -val való szorzásával (r-t megmérve) adjuk meg a három fényforrás fényáramát (lm): r =,15m ; A =,141 m 2 5 W 21 W 1.1 W LED átlagolt megvilágítás () 167 1195 1471 fényáram ( m 2 = lm) 24 168 27 lm/we 4,7 8, 188,6 η ( = lm/wf = lm/we/68) (%),7 1,2 27,7 A táblázat utolsó sorában felhasználtuk a fényáramnak a szem 55 nm-es hullámhosszon mért fényérzékenységére vonatkoztatott definícióját, amely szerint 1 lm fényáram 1/68 W fényteljesítménynek felel meg, azaz 1 W fényteljesítménynek 68 lm fényáramot feleltetnek meg. A fényforrás tényleges hatásfokát így a felvett elektromos teljesítményhez viszonyítjuk 55 nm-es hullámhosszon. A fényforrásokra ma már feltüntetik az elektromos teljesítményfelvétel és a fényáram adatokat is. Ezen értékekből számolható hatásfokok átlagosan 2-3-szor nagyobbak, mivel ezek nem az 55 nm-es hullámhosszra, hanem a teljes spektrumra vonatkoznak.
Fotoelem ellenállásának vizsgálata A mérés menete: 1. Kis, tekerőkaros, megújuló energiaforrásos áramforrást nem igénylő zseblámpával multiméter mérő szenzorját világítjuk meg különböző távolságokból. 2. A Brainbox elektromos szerelőkészlet egy áramkörét állítjuk össze fotoellenállás felhasználásával. Az ellenállás áramkörébe μa mérőt iktatunk be, valamint V mérővel mérjük a fotoelemen mérhető feszültséget. Az előbbi zseblámpával a rögzített (előbbi) távolságokról világítjuk meg az áramkör fotoelemét, mérve az áramerősség és feszültség értékeket. Feladatok: 1. Mérjük meg a zseblámpa megvilágítás értékeit, ha az a multiméter szenzorját merőlegesen világítja meg 1, 5, 1, 2, 3, 4, 5 cm távolságból, amit mérőszalaggal állítunk be. A 1x mérőállást alkalmazzuk. 2. Kapcsoljuk be áramkörünket, majd a fotoelemet megvilágítva, illetve teljesen letakarva a megvilágítás mértékétől függően a LED világítani fog (minél sötétebb van, annál inkább). Lux mérő multiméterünket kapcsoljuk μa állásba! Világítsuk meg a fotoelemet arra merőlegesen a fent rögzített távolságokból, majd teljesen takarjuk le. Mind a nyolc esetben jegyezzük fel a mérőműszerek által mutatott áram- és feszültség értékeket. Ezek egészen közeli megvilágításnál 2-3 μa-t és néhány század V-ot, teljes sötétségben (takarás) néhány tized μa-t és,6-,7 V-ot mérnek. Számítsuk ki a nyolc ellenállásértéket, majd grafikusan ábrázoljuk ezeket a megvilágítás függvényében! Elemezzük a mérés tapasztalatait és keressünk ennek alapján gyakorlati felhasználási lehetőségeket! 3. Az előző pontban leírt méréseket ismételjük meg piros, zöld, kék színszűrőket téve a fotoelemre. (3x8 mérés), majd számítsuk ki az ellenállásértékeket! Eredmények fehér piros zöld kék R (Ohm) R (Ohm) R (Ohm) R (Ohm) 476 12 24 1847 236 2212 4731 312 63 252 844 456 77 546 5328 77 419 113 239 25 1532 245 1493 35 13 32 4136 58 415 69 1 1881 15 7548 27 8154 33 5 2822 1 12549 18 13913 22 3 4149 6 18941 11 16462 13 2
R 18 16 14 12 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 Fehér Piros Zöld Kék
Világító testek hatásfoka gazdaságossági számítások a fényforrás fajtája hagyományos halogén izzó kompakt LED izzó fénycső hálózati telj. 4 W 28 W 9 W 3 W közelítő ár 2 Ft 3 Ft 5 Ft 15 Ft átlagos élettartam 1 óra 1 óra 1 óra 3 óra energiafelhasználás 12 kwh 84 kwh 27 kwh 9 kwh 3 órára energiaköltség 48 Ft 33 6 Ft 1 8 Ft 3 6 Ft összköltség 54 Ft 42 6 Ft 12 3 Ft 5 1 Ft A gazdaságossági számításnál figyelembe vettük a négy fényforrás közel egyenlő fényáramát.