microbik.ru
1




ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ЗАКОНЫ ОСВЕЩЁННОСТИ И СВЕТОВОЙ КЛИМАТ В ПОМЕЩЕНИЯХ
Цель работы:1. Экспериментально проверить законы освещённости Е(τ) и Е(α).

2. Измерить освещённость поверхностей люксметром.

3. Исследовать световое поле источников света.

Приборы и принадлежности: установка для изучения законов освещённости, люксметр, источник света, диск со шкалой.

Краткая теория

Световой климат производственных, бытовых и животноводческих помещений играет огромную роль в жизни биологического объекта, прямо влияя на эффективность труда и психологическое состояние человека, развитие и состояние организма животного и растений.

Освещение помещений складывается из естественного и искусственного освещений. Суммарное освещение должно обеспечить достаточную освещённость помещения и находящихся в нём предметов, а также быть достаточно равномерным.

При естественном освещении освещённость помещения, создаваемая прямыми и рассеянными лучами, зависит от географической широты места, времени года и времени дня, а также от ориентации светоприемников, их формы и размеров. В помещениях, окна которых выходят на север и частично на запад и восток, попадает лишь рассеянный свет. В связи с этим, для достижения наилучшего дневного освещения окраска стен и потолка помещения должна быть светлой: свет, попадая на светлые поверхности, многократно отражается, что усиливает освещённость, попадая же на тёмные поверхности, свет поглощается.

В помещениях естественная освещённость сильно зависит и от потерь света при прохождении через оконные стёкла, световые свойства которых зависят от их качества. Если стёкла загрязнены (пылью, копотью и так далее), то в них теряется 15-30% светового потока.

Искусственная освещённость создаётся главным образом электрическими источниками света. Освещение может быть прямым, отражённым и полуотражённым. Прямое освещение неблагоприятно для зрения. Рабочее место при нём обычно освещено слишком сильно, но неравномерно. Глазам больно от ярких, блестящих предметов. Наиболее благоприятно для зрения отражённое освещение. Однако, отражённое освещение требует больших затрат электрической мощности. Поэтому наиболее широко распространено освещение полуотражённым светом, при этом на рабочее место падает часть света от светильника и часть отражённого света.

Обеспечение благоприятной освещённости является одной из задач светотехники. Изменяя при помощи линз и зеркал распределение светового потока, получают возможность концентрировать его на определённых участках поверхности и таким образом повысить их освещённость, уменьшив одновременно освещённость других участков. Этим целям служат всевозможные светильники, которые снабжаются различными отражателями и рассеивателями света.

Освещённостью Е называется физическая величина, численно равная световому потоку Ф, падающему на единицу площади поверхности S, нормальной потоку

. (1)

В СИ единицей освещённости является люкс (лк), равный освещённости, создаваемой потоком Ф в один люмен, равномерно распределённым по поверхности 1м2.


Рис. 1. Освещенность поверхности
Законы освещённости установлены для точечного источника света. Точечным называется источник, размеры которого малы в сравнении с расстоянием от него до освещаемой поверхности,

создаваемой точечным источником света,

пропорциональна силе света Iсв, косинусу угла падения α на эту поверхность и обратно пропорциональна квадрату расстояния R до поверхности S

. (2)

При увеличении расстояния освещенность убывает обратно пропорционально его квадрату. В случае наклонной или искривленной излучающей поверхности вместо площади S вводится так называемая кажущаяся поверхность, равная проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению распространения. Точечный источник света даёт любому направлению одну и ту же силу света. Источники света, используемые на практике, не являются точечными. Для протяжённых источников сила света в разных направлениях неодинакова.

Для оценки естественного освещения удобно сравнивать яркость внутренних поверхностей с яркостью видимого через светопроём внешнего пространства. Поэтому условия естественной освещённости принято характеризовать относительной величиной, которая называется коэффициентом естественной освещённости, К

, (3)

где - естественная освещённость, создаваемая в некоторой точке плоскости (характерного разреза помещения) внутри помещения светом неба непосредственно или после отражения;

- естественная освещённость, создаваемая светом полностью открытого небосвода, измеряемая в тот же момент времени, что и .

Для измерения полного потока какого-либо источника света, например лампы накаливания, применяется фотометрический шар Ульбрихта. Это полая сфера, внутренняя поверхность которой имеет высокий коэффициент отражения. Вследствие многократного отражения от стенок неравномерность распределения света сглаживается. Измеряется освещенность одного из участков стенки. Умножая ее на площадь поверхности шара 4 πr2 , находят полный световой поток. Освещённость измеряется специальным прибором – люксметром. Основной частью люксметра является селеновый фотоэлемент, воспринимающий дневной свет так же, как и глаз человека. Спектральная чувствительность у них одинакова, максимум её лежит в области жёлто-зелёного света с длиной волны нм.

Устройство и принцип действия селенового фотоэлемента показана на рисунке 2: стальная пластина - подложка, исполняющая роль одного из


Рис. 2. Устройство фотоэлемента
электродов – катода, покрыта тонким слоем селена Se, создающим область полупроводника p-типа. На него напыляется тончайший полупрозрачный слой серебра Ag, создающий область n-проводимости и служащий вторым электродом. В месте их контакта возникает p-n переход, обладающий односторонней проводимостью. Если освещать селен, то кванты света создают в нём электронно-дырочные пары. Контактная разность потенциалов в запирающем слое направлена от n к p проводнику и является ускоряющей лишь для дырок. Происходит разделение носителей тока. Между электродами установится разность потенциалов, численно равная фотоЭ.Д.С. В замкнутой цепи потечёт ток, прямо пропорциональный световому потоку, освещённости.

В нашей работе используется портативный люксметр Ю-16. Внешний вид его изображён на рисунке 3:


Рис. 3. Вид люксметра.
1 – приемник световой энергии – селеновый фотоэлемент, вмонтированный в оправу с ручкой 2, 3 – чувствительный гальванометр, подключенный с помощью гибких проводов к фотоэлементу.

Гальванометр имеет три шкалы, соответствующие трём пределам измерения при включении шунтов 0-25, 0-100 и 0-500 лк. Для изменения предела измерения на корпусе гальванометра имеется переключатель 4. Для измерении больших освещённостей на фотоэлемент одевается фильтр 5 из молочного стекла с коэффициентом пропускания 1%, что позволяет, повысит пределы измерения в 100 раз (0-2500, 0-10000 и 0-50000 лк).

Шкала гальванометра градуируется в люксах по стандартному источнику света со спектральным составом, близким к спектральному составу ламп накаливания средней мощности (200-300 Вт). Поэтому при измерении люксметром освещённости от источника света с другим спектральным составом вводят поправку. Например, при измерении освещённости от люминесцентных ламп типа ЛД показания люксметра надо умножить на 0,9, типа ЛБ – на 1,1, а при измерении естественной освещённости – на 0,8.

Из-за значительной инерционности селенового фотоэлемента ток в цепи люксметра устанавливается не сразу, а спустя примерно 4-5 секунд.

Чувствительность фотоэлемента значительно зависит от температуры . При температуре выше 20ºС чувствительность заметно уменьшается.

Необходимо беречь активную поверхность фотоэлемента, не прикасаться к ней руками и не засвечивать ее долго при освещенности, превышающей установленный предел измерений.

Селеновые люксметры имеют низкую точность (погрешность составляет 5, 10 и более процентов). Поэтому при необходимости измерить освещенность более точно применяют люксметры, в которых используются вакуумные фотоэлементы с внешним фотоэффектом и со спектральной чувствительностью, приведенной к спектральной чувствительности глаза с помощью коррегирующего светофильтра.

Целью данной работы является экспериментальная проверка законов освещенности, практическое измерение освещенности люксметром и исследование светового поля источников света.

Установка для проверки законов освещенности изображена на рисунке 4. Она состоит из камеры и разъемного корпуса прямоугольной формы, закрепленного на двух стойках.


Рис. 4. Установка для проверки законов освещённости.

Внутри камеры смонтирован селеновый фотоэлемент, зажимы от него выведены на торцевую часть камеры. Фотоэлемент установлен в оправе с поворотом на угол от 0° до 90°. Угловая шкала находится на лицевой стороне камеры. Корпус прибора имеет несколько ребер для предохранения фотоэлемента от отраженных лучей и выкрашен изнутри черной матовой краской для защиты его от бликов. На фотоэлемент направляется свет от лампы накаливания, питаемой от выпрямителя. Световой поток можно ограничить диафрагмой (3 или 6 см2) и сфокусировать свет на фотоэлементе линзой. Фототок регистрируется микроамперметром.

Порядок выполнения работы и обработка результатов

I. Проверка законов освещенности

    1. Установить фотоэлемент нормально лучу света ().

    2. Изменяя расстояние R между лампочкой и фотоэлементом, снять зависимость фототока I(R) при

    3. По формуле (2) подсчитать освещённость Е для взятых положений лампочки, зная ее силу света Iсв

    4. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Iсв = … , кд , N = …. , t α,N = …. . Таблица 1




R,м

Ii , 10-6А

Ei , лк

1










2










3










N











5. Проверить соотношение для любых двух значений R1 и R2.

6.Установить лампочку на заданном расстоянии R от фотоэлемента и, поддерживая его постоянным, снять зависимость I(cosα).

7.Результаты измерений занести в таблицу 2.

Таблица 2

R… = сonst



α

Ii

Ei

град

10-6А

лк

1










2










3










.










N











8. По формуле (2) вычислить освещенность Е для всех взятых углов α

9. Сравнить отношения для любых двух углов α1 и α2 .
II. Определение коэффициентов естественной освещенности

1. Люксметром измерить наружную освещенность Ен.

2. Одновременно вторым люксметром измерить освещённость в помещении (в одной из указанных преподавателем точек характерного разреза помещения).

  1. Аналогично измерить одновременно Ев и Ен в других, заданных точках характерного разреза.

4. Вычислить коэффициент естественной освещённости для всех заданных точек по формуле .

5. Измерения и повторить для каждой точки разреза несколько раз и вычислить среднее значение к.е.о. (коэффициент естественной освещенности) для каждой точки по формуле



6. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.

Таблица 3

№ точки




Ен, лк

Ев, лк

К,%


1

1










2










3










ср.











2

1










2










3










ср.










.

.

N

.



































7. Построить график зависимости , где r - расстояние исследуемой точки от светопроёма. Определить характер этой зависимости.

8. Измерить люксметром освещенность рабочих мест в аудиториях, в читальном зале, в коридорах и др. Сделать вывод о соответствии условий освещенности существующим нормам.
III. Исследование светового поля источника света

1. Закрепить исследуемый источник света в центре круга с градусной шкалой.

  1. Закрепить фотоэлемент на краю диска так, чтобы плоскость его была перпендикулярна лучам света.

  2. Перемещая фотоэлемент на 20-30° по краю круга, снять зависимость . Освещённость по данному азимуту найти по формуле , где Е – полная освещённость, создаваемая исследуемым источником света вместе с естественным освещением, а - естественная освещённость по данному азимуту (при выключенном источнике).

  3. В полярной системе координат отложить от центра в выбранном масштабе вдоль радиус - вектора найденное значение для каждого угла . Соединив все точки плавной линией, получить индикатрису.

  4. Сделать вывод о характере распределения света от данного источника.


Контрольные вопросы

1. Что называется световым потоком, силой света, освещённостью, коэффициентом естественной освещённости? В каких единицах они измеряются?

  1. Сформулируйте законы освещённости.

3. Какова роль светового климата в жизни и деятельности человека?

4. Какова роль светового климата в жизни животных и любых биологических объектов?

5. Какими факторами обеспечиваются к.е.о. и освещённость в данной точке помещения?