Fizikai optika » LED-ek tanulmányozása

Jelenség leírása

Optikai rács felhasználásával tanulmányozzuk különbözõ LED-ek (fénykibocsátó diódák) fényének monokromatikusságát: határozzuk meg, milyen tartományba esik a kibocsátott fény hullámhossza!

Eszközök

fényképezőgép, gyüjtőlencse, LED, optikai rács, vonalzó

Magyarázat

A mérés során felhasznált LED-ek többsége alkatrészboltban vásárolt eszköz volt, de elõfordultak más megoldások is. Juhász Anikó (Eger, Gárdonyi G. Gimn., 12. évf.) pl. karácsonyfa égõket vizsgált, Komjáthy Júlia (Szekszárd, Garay J. Gimn., 12. évf.) pedig egy kerékpárvillogóból szerelt ki egy fénykibocsátó diódát. Valamennyien vigyáztak arra, hogy a LED-ek burkolata átlátszó (víztiszta tokozatú, water clear) legyen. Az optikai rácsok és egyéb felszerelések (optikai pad, lencsék, tartók stb.) általában az iskolai szertárakból kerültek elõ. Többen kételkedtek a rácson feltüntetett karcolatszám valódiságában, ezért elõzetesen ismert hullámhosszúságú lézerfénnyel hitelesítették azt; így járt el Soós Gábor (Kiskunhalas, Bibó I. Gimn., 12. évf.) és Komjáthy Júlia is. A legtöbben maguk állították össze a LED mûködtetéséhez szükséges áramkört: egy ellenállást sorba kötöttek a LED-del és a 3 V-nál nagyobb feszültségû áramforrással (pl. 2 db 1,5 V-os ceruzaelemmel).

A legnagyobb problémát valamennyi mérõ számára az okozta, hogy a LED-ek igen kicsi fényerõssége miatt a rácson történõ elhajlás okozta interferenciakép egy nem túl távoli ernyõn még a legjobban elsötétített szobában is csak igen gyengén volt látható. Többféle ,,elmés'' megoldás is született arra, hogy a LED által kibocsátott fény minél nagyobb részét párhuzamosítva rávetítsék az optikai rácsra. Íme néhány ezek közül:

- Szilágyi Péter (Debreceni Egyetem Kossuth L. Gyak. Gimn., 11. évf.) egy kb. 20 cm hosszú alumínium csõvel ,,párhuzamosította'' a csõ egyik végébe helyezett LED fényét.

- Ambrózi Gergely és Varga Zoltán (mindketten a monori József A. Gimn. 11. évfolyamos tanulói, de különbözõ a mérésük) optikai padon elhelyezett lencsék segítségével állítottak elõ elég párhuzamos és erõs LED-fényt.

- Juhász Anikó és Szakál Alex (Bp., ELTE Apáczai Csere J. Gyak. Gimn., 11. évf.) egy vetítõgép izzójának helyébe szerelték be a LED-et, így a vetítõ kollimátor lencséi végezték el a párhuzamosítási feladatot.

- Szabó Áron (Debrecen, Fazekas M. Gimn., 11. évf.) a LED mint fényforrás és az ernyõ közé úgy helyezett el egy gyûjtõlencsét, hogy az ernyõn megjelenjen a LED valódi képe. A rácsot a lencse mögé helyezve az ernyõn jól látható és mérhetõ interferenciaképet kapott.

- Vigh Máté (Pécs, Babits M. Gyak. Gimn., 11. évf.) egy kis törõképességû gyûjtõlencsével gyûjtötte össze a lencse fókuszsíkjában az optikai rácson elhajló fényt (ún. Fraunhofer-elrendezés).

- Rakyta Péter (Révkomárom, Selye J. Gimn., 11. évf.) hosszú expozíciós idõvel fényképezve próbálta rögzíteni az interferenciaképet, de ez csak a vörös színû LED esetében sikerült. Bevallása szerint elég mulatságos volt olyasvalamit fényképezni, amit nem is látott, pedig 3 diódát is használt egyszerre, párhuzamosan kapcsolva õket.

A különbözõ színû LED-ek által sugárzott fény hullámhosszát, illetve hullámhossz-tartományát valamennyi versenyzõ az elsõrendû (esetleg magasabb rendû) maximumoknak a központi (nulladrendû) maximumtól mért távolságából számították ki (a rácsállandó és a rács-ernyõ távolság ismeretében). Csakhogy az ernyõn látható interferencia-maximumok nem pontok, hanem többé-kevésbé nyújtott foltok, amint azt többen, pl. Vigh Máté is vázolta. Ha a fénynyalábban elõforduló legkisebb hullámhosszúságú fény elsõrendû maximuma a nulladrendûtõl \Delta\ellmin  távolságra van, a legnagyobb hullámhosszúságúé pedig \Delta\ellmax -ra, akkor ezen értékeket megmérve \lambdamin  és \lambdamax  meghatározható. Szabó Áron mérési adatai szerint a zöld LED fényének hullámhossza 550 és 630 nm közé esik, a piros LED-re 598 és 686 nm, a sárgára pedig 562 és 640 nm a hullámhosszak határa. A mérés során fellépõ hibaforrások közül a spektrum elmosódottsága a leglényegesebb. A fõ spektrális összetevõtõl távolodva a fény intenzitása csökken, nehéz megállapítani a színkép szélét. Szilágyi Péter a szögmérés közvetlen hibáját 0,1 fokra becsülte, a LED domináns spektrum-komponensének hullámhossz-bizonytalanságát kb. 10 nm-nek, míg a spektrum kiszélesedésének abszolút hibáját 20 nm nagyságrendûnek adta meg.

!!\small!!17 dolgozat érkezett. 6 pontot kapott Szilágyi Péter és Vigh Máté megoldása. Kicsit hiányos (5 pont) Juhász Anikó, Rakyta Péter, Szabó Áron, Szakál Alex, Szekeres Balázs és Tátrai Dávid dolgozata. Hiányos (2-4 pont) 9 dolgozat.

Szerzők

  • Gnadig Péter

Forrás, irodalom, hivatkozás

  • Szilágyi Péter
  • Varga István
  • Vigh Máté
  URI STRING  
/show/240/F-I-C
  CLASS/METHOD  
show/index
  MEMORY USAGE  
621,192 bytes
  BENCHMARKS  
Loading Time Base Classes  0.0010
Controller Execution Time ( Show / Index )  0.0095
Total Execution Time  0.0105
  GET DATA  
No GET data exists
  POST DATA  
No POST data exists
  DATABASE:  kiserletek   QUERIES: 9   
0.0007   INSERT INTO `sessions(`session_id`, `ip_address`, `user_agent`, `last_activity`) VALUES ('2ae5c99e9771213a80e748dd3e0b40ad''18.232.124.77''CCBot/2.0 (https://commoncrawl.org/faq/)'1566734198) 
0.0007   SELECT `label`, trim(item) as item
FROM 
(`categories`) 
0.0006   SELECT *
FROM (`experiments`)
WHERE `eid` = '240' 
0.0008   SELECT *
FROM (`exp_kwd`)
JOIN `keywordsON `keywords`.`path`=`exp_kwd`.`path`
WHERE `eid` = '240' 
0.0007   SELECT *
FROM (`exp_cat`)
JOIN `categoriesON `categories`.`label`=`exp_cat`.`label`
WHERE `eid` = '240' 
0.0003   SELECT `name`
FROM (`materials`)
WHERE `eid` = '240' 
0.0003   SELECT `source`
FROM (`sources`)
WHERE `eid` = '240' 
0.0005   SELECT *
FROM (`exp_authors`)
JOIN `authorsON `exp_authors`.`monogram`=`authors`.`monogram`
WHERE `exp_authors`.`eid` = '240' 
0.0004   SELECT *
FROM (`media`)
JOIN `media_typeON `media_type`.`format`=`media`.`format`
JOIN `exp_mdaON `media`.`mid` = `exp_mda`.`mid`
WHERE `exp_mda`.`eid` = '240'