Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ СРАВНИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
Цель работы состоит в изучении устройства, принципа действия и сравнении основных параметров наиболее распространенных типов электрических источников света.
Общие сведения
Свет представляет собой электромагнитные волны длиной 4×10-7¸8×10-7 м. Электрические волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Для того чтобы атом или молекула начали излучать, им необходимо передать определенное количество энергии. Излучая, они теряют полученную энергию, поэтому для непрерывного свечения необходим постоянный приток энергии извне.
Поток излучения,Физл – энергия, переносимая электромагнитными волнами за 1 секунду через произвольную поверхность. Единица измерения потока излучения Дж/с = Вт.
Энергетическая освещенность,Еэн (плотность потока излучения) – отношение потока излучения к площади равномерно облучаемой им поверхности. Единица измерения энергетической освещенности Вт/м2.
Световой поток,Ф – поток излучения, оцениваемый по его воздействию на человеческий глаз. Человеческий глаз неодинаково чувствителен к потокам света с различными длинами волн (наиболее чувствителен глаз при дневном освещении к свету с длиной волны 555 нм). Единицей измерения светового потока с точки зрения восприятия его человеческим глазом (яркости) является люмен (лм). Световой поток в 1 лм белого света равен 4,6×10-3Вт (1 Вт = 217 лм).
Освещенность, Е - отношение светового потока, падающего на поверхность, к площади этой поверхности. Измеряется в люксах (лк), где люкс – освещенность, при которой на 1 м2 поверхности равномерно распределен световой поток в 1 люмен.
Освещенность поверхности прямо пропорциональна световому потоку и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника.
Тепловое излучение - электромагнитное излучение тела, обусловленное возбуждением атомов или молекул тела вследствие их теплового движения. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы или молекулы. При столкновении друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения, которая затем превращается в световую.
Люминесцентное излучение связано с переходом излучающих атомов, молекул и ионов в возбужденное состояние и последующим их возвращением в нормальное или менее возбужденное состояние, сопровождающееся испусканием света (избыточное над тепловым при той же температуре). Это излучение может быть вызвано бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока, освещением вещества, видимым светом, рентгеновским и гамма-излучением, а также некоторыми химическими реакциями в веществе. Вещества, в которых происходит люминесценция, называются люминофорами.
Электрические источники света, их конструкции и параметры
Электрические источники света по способу генерирования ими излучения делятся на температурные (лампы накаливания) и люминесцентные (люминесцентные и газоразрядные лампы).
Принцип действия ламп накаливания основан на вышеописанном тепловом излучении. Лампа накаливания‑ электрический источник света с излучателем в виде накаливаемой током проволоки (нити) из тугоплавкого материала. Нить накала изготовляют из вольфрама, обладающего высокой температурой плавления и малой скоростью испарения при высоких температурax. Для предотвращения окисления раскаленной нити лампы откачивают до 10-4 ‑ 10-6 мм рт. ст. (вакуумные лампы).
Основные недостатки ламп накаливания:
§ низкий КПД (около 2 %), так как подавляющая часть потребляемой электроэнергии этими лампами преобразуется не в световую, а в тепловую энергию;
§ низкий срок службы, который в среднем составляет около 1000 часов, ограничиваемый сроком службы спирали, которая работает при больших температурах. Срок службы ламп накаливания снижается при их вибрациях, частых включениях и отключеньях, не вертикальном положении.
Кроме того, свет ламп накаливания отличается от естественного преобладанием лучей желто-красной части спектра, что искажает естественную расцветку предметов.
Несмотря на указанные недостатки, в настоящее время лампы накаливания все еще находят широкое распространение в связи с их простотой в эксплуатации, надежностью, компактностью и низкой стоимостью.
Лампы накаливания могут быть вакуумными,газонаполненными и галогенными. В газонаполненныхлампах, заполняют инертным газом до давления, близкого к атмосферному, в составе газового заполнения колбы используются малотеплопроводные, инертные газы (аргон, криптон, ксенон) с примесью 5 ‑‑ 15% азота.
Галогенные лампы являются разновидностью ламп накаливания, основное отличие которых заключается в повышенном сроке службы, как правило, до 2000 часов. Это достигается за счет того, что в состав газового заполнения колбы галогенной лампы накаливания добавляется йод, который при определенных условиях обеспечивает обратный перенос испарившихся частиц вольфрама спирали со стенок колбы лампы на тело накала.
Люминесцентная лампа ‑ искусственный источник света, основанный на двойном преобразовании энергии — превращении электрической энергии в энергию ультрафиолетового излучения и ультрафиолетового излучения в видимое свечение люминесцирующих веществ. По сравнению с лампами накаливания люминесцентнаялампа обладают существенными преимуществами: в несколько раз большей экономичностью; резко улучшенными цветовыми свойствами и повышенным сроком службы.
Люминесцентнаялампа представляет собой стеклянную трубку, наполненную парами ртути и аргоном, с нанесенным на внутреннюю поверхность люминесцирующих вещества. В оба конца трубки впаяны электроды в виде вольфрамовых спиралей; они покрыты оксидной пастой (смесь окислов бария, стронция и кальция), облегчающей выход электронов. При работе на переменном токе электроды поочередно служат катодом и анодом и нагреваются разрядом. При этом работает лишь небольшая часть катода (катодное пятно). Излишний нагрев электродов в анодный полу период снижается приваренными к ножкам электродов никелевыми отростками, которые принимают на себя более половины разрядного тока.
Давление ртутных паров благодаря наличию избытка жидкой ртути зависит от температуры стенок лампы. При нормальной температуре (40°С) оно составляет около 10-2 мм рт. ст.; давление аргона около 4 мм рт. ст. Существенную роль в установлении нормальной температуры стенок играет внешняя температура которая должна быть 18—25°С. При низких внешних температурах люминесцентнаялампа нуждаются в теплоизоляции. Нормальная температура стенок лампы достигается через несколько минут после включения (время прогрева), и тогда только устанавливается стабильное значение светового потока.
При работе люминесцентнойлампы электрический ток в несколько десятых долей, проходит между электродами сквозь газовую среду, возбуждая свечение паров ртути. Аргон не возбуждается, но улучшает условия возбуждения паров ртути и замедляет разрушение электродов. Ртутные пары при низких давлениях и малом токе испускают главным образом ультрафиолетовое излучение. Видимое свечение люминофора возбуждается ультрафиолетовым излучением и составляет основную часть светового потока люминесцентнойлампы. Его спектральный состав зависит от состава люминофора и может быть любым. В излучении люминесцентнойлампы общего освещения значительно усилена желто-зеленая часть спектра, к которой особенно чувствителен человеческий глаз. В основных типах люминесцентныхламп применяется смесь обычно двух люминофоров: вольфрамита магния (голубое свечение) и цинк-бериллий силиката (оранжевое свечение). В зависимости от типа люминофора и пропорции смеси изготовляются люминесцентнойлампы дневного света, холодно-белого света, белого света и тепло-белого света, а также солнечного света, дающие не только видимое, но и ультрафиолетовое излучение, и специальные люминесцентныелампы, дающие ультрафиолетовое излучение.
Экономичность источника света (лампы) оценивают световой отдачей – значением светового потока, приходящегося на единицу мощности лампы (лм/Вт).
Светоотдача люминесцентнойлампы в 34 раза выше, чем у ламп накаливания и зависит от длины трубки и спектрального состава излучения. В нормальных эксплуатационных условиях срок службы люминесцентнойлампы около 3000 часов (в 3 раза больше, чем у ламп накаливания).
Основные недостатки люминесцентнойлампы:
§ величина светового потока периодически изменяется с частотой, равной удвоенной частоте питающего тока
§ появляющийся стробоскопический эффект
§ необходимость специального светильника
§ в результате старения люминофоров световой поток после 2000—2500ч горения снижается ~ на 30%. Причинами, снижающими срок службы люминесцентнойлампы, являются колебания напряжения в сети, питающей люминесцентныелампы, и большое число включений, при которых особенно разрушаются электроды.
