Натрієва лампа низького тиску

Натрієва газорозрядна лампа

Неперевірена версія

Натрієва газорозрядна лампа (НЛ) — електричне джерело світла, світлодайним тілом якого служить газовий розряд в парах натрію. Тому переважним у спектрі таких ламп є резонансне випромінювання натрію; лампи дають яскраве помаранчево-жовте світло. Ця специфічна особливість натрієвих ламп (монохроматичність випромінювання) викликає при освітленні ними незадовільну якість передачі кольору. Через особливості спектру та суттєве мерехтіння на подвоєній частоті живильної мережі дані лампи застосовуються в основному для вуличного освітлення, утилітарного, архітектурного та декоративного. Для внутрішнього освітлення виробничих площ використовується у випадку, якщо немає вимог до високого значення індексу передачі кольору джерела світла.

Залежно від величини парціального тиску парів натрію лампи підрозділяють на натрієві лампи низького тиску (НЛНТ) і високого тиску (НЛВТ).

Попри недоліки, натрієві лампи є одним з найефективніших електричних джерел світла. Светоотдача натрієвих ламп високого тиску досягає 150 Лм/Вт, низького тиску — 200 люмен/Ватт. Термін служби натрієвої лампи до 28,5 тис. годин.

Натрієва лампа низького тиску

Історично першими з натрієвих ламп були створені НЛНТ. У 1930-і рр. цей вид джерел світла швидко ширився Європою. У СРСР велися експерименти з освоєння виробництва НЛНТ, існували навіть моделі, що випускалися серійно, однак впровадження їх у досвід загального освітлення перервалося через освоєння технологічніших ртутних газорозрядних ламп, які, в свою чергу, стали витіснятися НЛВТ. Схожа картина спостерігалася у США, де НЛНТ у 1960-і рр. були повністю витіснені металогалогенними лампами. Однак у західній Європі НЛНТ досі поширені досить широко. Одним з їх застосувань є освітлення заміських шляхів.

Лампи низького тиску відрізняються рядом особливостей. По-перше, пари натрію вельми агресивні стосовно скла. Через це внутрішня колба зазвичай виконується з боросилікатних скелець. По-друге, ефективність НЛНТ сильно залежить від температури довкілля. Для забезпечення прийнятного температурного розпорядку колби остання поміщається в зовнішню скляну колбу, що грає роль «термоса».

2. Основні закони теплового випромінювання

Теплове випромінювання э результат перетворення внутрішньої енергії тіл в енергію електромагнітних коливань. При попаданні теплових променів (хвиль) на інше тіло їх енергія частково поглинається ним, перетворюючись знову в внутрішню. Так відбувається променевий теплообмін між тілами.

Теплообмін випромінюванням відбувається безупинно між тілами, довільно розташованими в просторі. Теплове випромінювання властиво всім тілам: твердим, рідким і газоподібним, якщо їхня температура більше 0 С⁰.

Теплове випромінювання як процес поширення електромагнітних хвиль характеризується довжиною хвилі λ та частоти коливань ν= с /λ, де с – швидкість світла (в вакуумі с = 3 10⁸ м/с).

Спектр випромінювання більшості твердих і рідких тіл безперервний. Ці тіла випускають промені, що розрізняються між собою довжиною хвилі λ, а отже, і своїми властивостями.

Розрізняють наступні види випромінювання: космічне, γ-випромінювання, рентгенівське, ультрафіолетове, видиме, інфрачервоне й радіовипромінювання. У теплотехніку найбільший інтерес представляє теплове випромінювання при λ = 0,8 – 80 мкм. При температурах випромінюючого тіла до 1500° С таке випромінювання в основному інфрачервоне й частково видиме (світло λ = 0,4 – 0,8 мкм).

Променистою енергією Q називають фізичну величину, яка дорівнює кількості випроміненої, перенесеної та сприйманої енергії випромінювання. Одиниця променистої енергії в СИ - джоуль (Дж), як й інших видів енергії.

Відношення променистої енергії за час випромінювання називають променистим потоком:

де Ф — променистий потік; Q — промениста енергія; t — час випромінювання. Якщо Q виражено в Дж, t — c, то Ф повинне бути виражене у ватах (Вт).

Тепловий потік, випромінений на всіх довжинах хвиль з одиниці поверхні тіла по всіх напрямках називається поверхневою густиною потоку інтегрального випромінювання Е, Вт/м.

Е = Ф/S.

Потік випромінювання залежить в основному від температури випромінюючого тіла, площі його поверхні й від її фізичних властивостей.

Променистий потік, що падає на яку-небудь поверхню реально існуючого тіла Е _пад (Рис.13.1), частково їм поглинається, частково відбивається й частково проходить крізь тіло.

 

Позначимо поглинену частину потоку випромінювання через E_A, відбиту від тіла

— через E_R і пропущену крізь тіло — через E_D.

Очевидно, що

E_A + E_R + E_D = E _пад, (14.1)

де Е _пад — променистий потік.

Розділивши обидві частини цієї рівності на E _пад, одержимо рівняння теплового балансу в безрозмірній формі: A + R + D = 1. (14.2)

Величина A = E_A/ E _пад називається коефіцієнт поглинання; R=E_R/ E _пад - коефіцієнт відбиття; D=E_D/ E _пад - коефіцієнт пропускання.

Якщо поверхня поглинає весь падаючий на неї потік випромінювання (А = 1; R = 0, D = 0), то вона називається абсолютно чорною. Якщо гладка поверхня відбиває весь падаючий на неї потік випромінювання (A = 0; R = 1; D = 0), причому під тим же кутом, під яким він падає на неї, то таку поверхню називають дзеркальною. Якщо ж поверхня поглинає теплові промені, але не поглинає світові то вона не кажеться чорною (промінь, що падає на неї, розщеплюється при відбитті в різних напрямках). Більш того, наш зір може сприймати таку поверхню як білу (наприклад сніг для якого А= 0,98). Така поверхня називається білої, а відбиття — дифузійним.

Якщо крізь тіло проходить весь падаючий на неї потік випромінювання, то таке тіло називається прозорим (A + R = О-, a D =1)

У природі чорних, білих і прозорих тіл не існує; вони розглядаються як наукові абстракції, але деякі реальні тіла по своїх властивостях можуть більш-менш наближатися до цих абстракцій.

Все реально існуючі тіла називаються сірими. Для них А˂ 1 і він не залежить від довжини хвилі падаючого випромінювання.

Більшість твердих і рідких (краплинних) тіл випромінюють хвилі всіх довжин від 0 до ∞, тобто мають суцільний спектр випромінювання. Гази можуть випромінювати енергію тільки в певних інтервалах довжин хвиль (смугах спектра), тобто мають лінійний спектр. Поза цими смугами гази прозорі для теплових променів, тобто не можуть випромінювати енергію. Це значить, що випромінювання чистих (не окислених) металів та газів носить виборчий (селективний) характер.

В більшості твердих та рідких тіл поглинання теплових променів відбувається в тонкому поверхневому шарі, тобто не залежить від товщини тіла. Для цих тіл теплове випромінювання в більшості випадків розглядається як поверхневе явище. В газах, в силу значно меншої концентрації молекул, процес променевого теплообміну носить об’ємний характер. Коефіцієнт поглинання газу завісить від розмірів газового об’єму та тиску, тобто концентрації поглинаючих молекул. Одно і двохатомні гази прозорі для теплових променів. Практичне значення мають непрозорі три - і багатоатомні гази, особливо вуглекислий газ і водяна пара, що є продуктами згоряння палива.

Сума потоків особистого та відбитого тілом випромінювання називається його ефективним випромінюванням:

Е _еф = Е + RЕ _пад (14.3)

Сумарний процес взаємного випускання, поглинання, відбиття та пропускання енергії випромінювання в системах тіл називається променевим теплообміном.

Варто мати на увазі, що енергія випромінювання, що випускає чорним тілом, розподіляється нерівномірно по окремих довжинах хвиль. Кожній довжині лучачи при певній температурі відповідає певна спектральна інтенсивність випромінювання J (к).

Із курсу фізики відомо, що спектральна густина потоку випромінювання абсолютно чорного тіла J₀ = dE₀/dλ (всі характеристики які повязані з абсолютно чорним тілом будемо позначати з індексом «нуль»), яка характеризує інтенсивність випромінювання на даній довжині хвилі λ_і має максимальне значення на конкретній довжині хвилі λ_м.

 

Варіант № 21

1. Лампа розжарювання. Будова, принцип дії, основні характеристики, структура позначень, переваги та недоліки.

У лампі розжарення використовується ефект нагрівання провідника (нитки розжарення) при протіканні через нього електричного струму. Температура вольфрамової нитки розжарення різко зростає після увімкнення струму. Нитка випромінює електромагнітне випромінювання відповідно до закону Планка. Функція Планка має найвище значення, положення якого на шкалі довжин хвиль залежить від температури. Це найвище значення змінюється з підвищенням температури у бік менших довжин хвиль (закон зміщення Віна). Для отримання видимого випромінювання необхідно, щоб температура була порядку декількох тисяч градусів, в ідеалі 6000 K (температура поверхні Сонця). Чим менша температура, тим менша частка видимого світла і тим більше «червоним» здається випромінювання. Частину спожитої електричної енергії лампа розжарення перетворює у випромінювання, частину - на виділення тепла. Лише мала частка випромінювання лежить в області видимого світла, основна частка припадає на інфрачервоне випромінювання. Для підвищення ККД лампи та отримання «найбілішого» світла необхідно підвищувати температуру нитки розжарювання, яка у свою чергу обмежена властивостями матеріалу нитки — температурою плавлення. Ідеальна температура 6000 K недосяжна, оскільки при такій температурі будь-який матеріал плавиться, руйнується і перестає проводити електричний струм. У сучасних лампах розжарювання застосовують матеріали з найвищими температурами плавлення — вольфрам (3410 °C) і, дуже рідко, осмій (3045 °C).

При практично досяжних температурах 2300—2900 °C випромінюється далеко не біле і не денне світло. Лампи розжарювання випускають світло, яке здається більш «жовто-червоним», ніж денне світло. Для характеристики якості світла використовується т.з. кольорова температура. У звичайному повітрі при таких температурах вольфрам миттєво перетворився б на оксид. З цієї причини вольфрамова нитка захищена скляною колбою, заповненою нейтральним газом (зазвичай аргоном). Перші лампочки робилися з вакуумованими колбами. Проте у вакуумі при високих температурах вольфрам швидко випаровується, роблячи нитку тоншою і затемнюючи скляну колбу осадом. Пізніше колбу стали заповнювати хімічно нейтральними газами. Вакуумні колби зараз використовують лише для ламп малої потужності.

Частка електричної енергії, яка перетворюється на світло, тим більша, чим більша температура розжарення спіралі у лампі. Є дві причини, які заважають підвищувати температуру:

· випаровування вольфраму, унаслідок якого чорніє скляний балон і потоншується нитка розжарення;

· повзучість нитки під дією сили ваги, магнітних та електростатичних сил.

Щоб зменшити випаровування вольфраму до балону додають композиційний газ (наприклад аргон з домішкою галогену йоду). Пара йоду реагує з парою вольфраму та конденсатом вольфраму. Сполука потрапляє на розжарену спіраль, розкладається. Вольфрам осідає на дріт, відновлюючи його діаметр до початкової величини і знову починається дія йоду.

Щоб зменшити повзучість нитки, до вольфраму вводять частинки двоокису торію. Вони блокують рух дислокацій за площинами ковзання, а також ускладнюють поширення мікротріщин. Тому спіраль стає менш крихкою. Довговічність лампи зростає в 2-3 рази, тепловіддача - на 20-30%. Економія в межах України - 50-100млн.грн..

Конструкція

Лампа розжарення складається з цоколя, контактних провідників, нитки розжарення, запобіжника та скляної колби, яка захищає нитку розжарення від навколишнього середовища.

1. Скляна колба 2. Інертний газ 3. Нитка розжарення 4. Контактний дріт (з'єднується з ніжкою) 5. Контактний дріт (з'єднується з цоколем) 6. Тримачі 7. Скляна ніжка (лопатка) 8. Вивід контакту на цоколь 9. Цоколь лампи 10. Ізоляційний матеріал 11. Контактний носик

Колба

Скляна колба захищає нитку від згорання у навколишньому повітрі. Розміри колби визначаються швидкістю осідання матеріалу нитки. Для ламп більшої потужності потрібні колби більшого розміру, для того, щоб матеріал нитки, який осідає, розподілявся на велику площу і не робив сильного впливу на прозорість.

Інертний газ

Колби перших ламп були вакуумовані. Сучасні лампи заповнюються інертним газом (окрім ламп малої потужності, які як і раніше роблять вакуумними). Це зменшує швидкість випаровування матеріалу нитки, яке виникає при цьому. Втрати тепла за рахунок теплопровідності зменшують шляхом вибору газу до складу якого входять молекули з великими значеннями молекулярної маси. Суміш азоту з аргоном є прийнятим компромісом у сенсі зменшення собівартості. Дорожчі лампи містять криптон чи ксенон (атомні маси: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль).

Нитка розжарення [ред. • ред. код]

Докладніше: Нитка розжарення

 

Подвійна спіраль Лампи розжарення (Osram 200 Вт) з контактними провідниками і підтримувачами нитки

Горіння вольфрамової нитки на повітрі з утворенням оксиду вольфраму при розгерметизації колби лампи. При відносно цілій колбі, але при наявному в ній повітрі лампа раптово стає матовою, з жовтуватим відтінком.

Нитка розжарення у перших лампочках робилася з вугілля (точка сублімації 3559 °C). В сучасних лампочках застосовуються майже виключно спіралі з осмієво-вольфрамового сплаву. Дріт часто має вигляд подвійної спіралі, з метою зменшення конвекції за рахунок зменшення ленгмюрівського шару. Лампи виготовляють для різних робочихнапруг. Сила струму визначається за законом Ома () і Потужність за формулою , або . При потужності 60 Вт і робочій напрузі 220 В через лампочку повинен протікати струм 0,26 А, тобто опір нитки розжарення повинен становити 882 Ом. Для досягнення такого опору необхідно використовувати довгий та тонкий дріт, оскільки метали характеризуються малими значеннями питомого опору. Товщина дроту у звичайних лампочках становить 40—50 мікрон. При кімнатній температурі опір нитки розжарення набагато менший робочого опору. Тому, безпосередньо при увімкненні, протікає електричний струм, що у два-три рази більше робочого струму. У міру нагрівання нитки її опір зростає, а струм зменшується. На відміну від сучасних ламп, ранні лампи розжарення з вугільними нитками при увімкненні працювали за зворотним принципом — при нагріванні їх опір зменшувався, і світіння потроху наростало. У миготливих лампочках послідовно з ниткою розжарювання вбудовується біметалевийперемикач. За рахунок цього такі лампочки самостійно працюють в миготливому режимі.

Враховуючи високу робочу температуру лампм розжарення, у холодному стані опір нитки розжарювання помітно нижчий від робочого, що часто стає причиною раптового перегорання нитки розжарювання в момент включення лампи, особливо, коли на момент включення напруга струму сягає максимального значення синусоїди змінного струму.

Приблизний опір нитки розжарення ламп розжарення на 220/230В із цоколем E27:
Вт Ом
25 136
40 102
60 65
100 37