Die App zum Jahr des Lichts
Die App Physics Toolbox Light Sensor misst mit Hilfe des in Smartphones integrierten Lichtsensors die Beleuchtungsstärke.
Die meisten Smartphones besitzen einen Lichtsensor (Ambient Light Sensor, ASL). Dessen spektrale Empfindlichkeit entspricht im sichtbaren Bereich annähernd derjenigen unseres Auges für das Tagsehen. Deshalb ist es möglich, den gemessenen Photostrom als Beleuchtungsstärke darzustellen. Sie ist das Verhältnis des Lichtstroms zur Größe der beleuchteten Fläche und wird in Lux (lx) angegeben (1 lx = lm/m²). Genaugenommen entspricht die Leuchtdichte dem Helligkeitseindruck, den eine beleuchtete Fläche im Auge hervorruft. Da die Leuchtdichte jedoch von den Reflexionseigenschaften der angestrahlten Fläche abhängt, wird die Beleuchtungsstärke als davon unabhängige Größe genutzt, um beispielsweise Beleuchtungsanlagen zu planen.
Die App Physics Toolbox Light Sensor bietet eine sehr komfortable Möglichkeit, die Beleuchtungsstärke über einen beliebigen Zeitraum zu messen. Mit ihr kann man die gewonnenen Daten zur Weiterverarbeitung speichern und teilen. Physics-Toolbox-Apps gibt es auch für viele andere Sensoren, wobei die Benutzeroberfläche und die Handhabung immer gleich sind.
Den Anwendungsmöglichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt. Exemplarisch sei hier das Verhalten von Leuchtstoffröhren gezeigt. Kompaktleuchtstoffröhren (Energiesparlampen) werden nach dem Anschalten nur langsam heller. Mit immer besserer Vorschaltelektronik ließ sich die Zeit bis zum Erreichen der maximalen Helligkeit verkürzen.
Das Vorschaltgerät sorgt zuerst für einen hohen Spannungsimpuls, um die Gasentladung zu starten. Besonders durch Stöße mit der Gefäßwand und elastische Stöße der Elektronen mit den Quecksilberatomen erwärmt sich die Energiesparlampe. Die Anzahl der inelastischen Stöße der Elektronen mit den Gasatomen, die für die Aussendung von Strahlung verantwortlich ist, ist temperaturabhängig. Somit ist auch die Beleuchtungsstärke von der Umgebungstemperatur abhängig.
Mit der Erwärmung der Lampe steigen die Helligkeit und auch die Stromstärke. Während des Betriebs muss die Stromstärke begrenzt werden. Das Vorschaltgerät sorgt deshalb nicht nur für das Starten der Gasentladung, sondern auch für eine Strombegrenzung und somit für einen stabilen Betriebszustand. Beide Prozesse, der Einschaltvorgang sowie die Betriebszeit, können mit Hilfe des ALS untersucht werden.
Abb. Zunahme der relativen Beleuchtungsstärke nach dem Einschaltvorgang von drei verschiedenen Kompaktleuchtstoffröhren.
Die Abbildung zeigt den Einschaltvorgang von drei vergleichbaren Energiesparlampen unterschiedlicher Anbieter (je 11 W). Da die absolute Beleuchtungsstärke in diesem Beispiel nicht von Bedeutung ist, wurde eine relative Beleuchtungsstärke benutzt. Diese bezieht sich auf den jeweils erreichten Wert nach einer Brenndauer von zwei Minuten.
Es sind deutliche Unterschiede zu erkennen, die wohl auf eine unterschiedliche Vorschaltelektronik zurückzuführen sind. Während die eine Lampe (grün) ihre maximale Helligkeit bereits nach 80 Sekunden erreicht hat, steigt sie bei den beiden anderen auch nach zwei Minuten noch an. Auch in der Regelung der Stromstärke gibt es Unterschiede. Interessant ist der starke Rückgang der Beleuchtungsstärke kurz nach der Zündung bei der Lampe mit dem roten Graphen.
Auf diese Weise lassen sich weitere Messungen mit Energiesparlampen realisieren, wie ein Vergleich der Beleuchtungsstärke verschiedener Lampen bei konstantem Abstand oder den Alterungsprozess einer Lampe.
Michaela Schulz, Uni Bielefeld; Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt; Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern
Mehr über die Handhabung der App sowie ein weiteres Messbeispiel finden Sie in der jüngsten Ausgabe von Physik in unserer Zeit, wo der Originalbeitrag erschienen ist. Er steht Ihnen hier bis zum 22. August 2015 zum freien Download zur Verfügung (danach nur noch mit Online-Abo).
