КПД тепловых источников излучения (ламп накаливания)
ГОУ ВПО НГПУ
ИФМИЭО
Кафедра общей
физики
Курсовая
работа
на тему: КПД
тепловых источников излучения (ламп накаливания)
Выполнила: студентка 3 курса Махарынец Е.А.
Руководитель: кандидат физико-математических наук доцент Погожих С.А.
Лампа накаливания электрическая - источник света, в котором
преобразование электрической энергии в световую происходит в результате
накаливания электрическим током тугоплавкого проводника.
В
1898-1908 в качестве тела накала испытывались металлы (Os <#"521237.files/image001.gif"> <#"521237.files/image002.gif"> <#"521237.files/image003.gif"> <#"521237.files/image004.gif"> <#"521237.files/image005.gif">
Он заключил в стеклянный баллон угольный стерженек, выпиленный из
реторного угля (полученного при сухой перегонке дерева), и пропустил через него
ток. Уголек разогревался и ярко светился. Кислород внутри баллона поглощался за
счет сгорания части угля (вакуумной техники тогда не было). Оставшаяся часть
угля относительно долго работала, излучая свет. Позже лампа была
Усовершенствована В. Ф. Дидрихсоном (рис. 2), который разместил в баллоне
несколько угольных стерженьков, автоматически переключавшихся по мере перегорания.
В 1876 г. русский изобретатель П. Н. Яблочков использовал для получения
света электрическую дугу. В лампе Яблочкова, которая вошла в историю под
названием «свеча Яблочкова» и представляла собой открытую угольную дугу, в
качестве электродов были применены два угольных стержня, расположенных
параллельно и разделенных промежутком из смеси каолина с магнезией.
В 1879 г. американский изобретатель Т.А. Эдисон усовершенствовал лампу А.
Н. Лодыгина, применив для тела накала угольный волосок, полученный обугливанием
длинных и тонких бамбуковых волокон, и откачав из баллона воздух (рис. В.2,а).
Конструкция лампы оказалась достаточно технологичной, что позволило
организовать промышленное производство ламп с угольной нитью (рис. В. 2,б).
Лампы накаливания начинают широко внедряться в практику электрического
освещения во многих странах, в том числе в России.
В 1890 г. А. Н. Лодыгин демонстрировал лампу с телом накала в виде нити
из тугоплавкого металла - молибдена. Эта идея оказалась очень плодотворной. Для
изготовления тела накала пытались применять платину, осмий, цирконий, тантал и,
наконец, вольфрам, который вытеснил впоследствии все другие металлы. Первые
образцы ламп с применением вольфрама появились в 1903 г., в 1906 г. начался
промышленный выпуск вакуумных ламп с прямой вольфрамовой тянутой нитью (рис.
3).
В 1913 г. американский ученый И. Ленгмюр предложил наполнять лампу
накаливания нейтральным газом и применять спирализованное тело накала вместо
нитевидного. Эти меры позволили уменьшить температурное распыление вольфрамовой
проволоки и за счет этого увеличить продолжительность горения (срок службы)
лампы. И. Ленгмюру принадлежит теоретическая и практическая разработка
спиральных вакуумных и газополных ламп (рис. 4,а, б).
В 1914 г. были изобретены газополные лампы накаливания с биспиральным
(дважды спирализованным) телом накала. Но они долго не получали практического
применения из-за сильного провисания тела накала. Только в 1935 г., после
разработки технологии изготовления формоустойчивого вольфрама, началось их
массовое производство. С 1936 г. в качестве газов-наполнителей лампы стали
применять криптон (рис. В.4,е) и ксенон.
Практическое использование свечения электрического разряда в газе для
целей освещения началось в 1893 г., когда американский инженер Ф. Мур предложил
конструкции светящихся трубок, наполненных разреженными газами (азот и
углекислота). Этому событию предшествовали исследования многих ученых в области
создания источников тока, получения вакуума, изучения свойств и разновидностей
газового разряда. В 1910 г. для светящихся трубок стали применять неон, аргон и
другие газы, что позволило упростить их конструкцию. Параллельно создавались
лампы и светящиеся трубки с парами металлов. Первой такой лампой, использующей
свечение ртутных паров, была ртутная лампа И. Репьева, предложенная в 1879 г. В
1900-1901 гг. в эти лампы были введены конструктивные усовершенствования,
которые сделали их Удобными для практического применения. В результате начатых
в 1904 г. работ, связанных с использованием для ртутных ламп кварцевых колб,
была создана надежная конструкция ламп с металлическими вводами (1912-1913 гг.)
и твердыми оксидными катодами (1930-1932 гг.). Эти лампы были интенсивными
источниками излучения в ультрафиолетовой области спектра.
г. ознаменовался крупным событием, открывшим новую страницу в развитии
тепловых источников света, были созданы галогенные лампы накаливания в
кварцевой колбе. Введение галогенов (например, йода) в лампу обеспечивало при
определенных условиях обратный перенос испарившихся частиц вольфрама со стенок
колбы на тело накала. При этом колба в процессе работы лампы остается
прозрачной, световой поток - более стабильным, что позволяет существенно
уменьшить размеры лампы по сравнению с обычными лампами той же мощности.
Относительно малые размеры этих ламп и высокая прочность их кварцевых оболочек
позволили повысить давление наполняющей лампы среды до 4 - 5*105 Па (3000-4000
мм рт. ст.) и тем самым существенно увеличить срок службы галогенных ламп
(примерно в 2 раза) по сравнению с обычными лампами накаливания. В СССР в
настоящее время создано и выпускается свыше 100 типоразмеров галогенных ламп
накаливания, используемых для инфракрасного нагрева, прожекторного освещения,
кино-, теле- и фотосъемок, автотранспорта, оптических приборов и других целей
(рис. В.8).
Важным достижением последнего времени является разработка и освоение
производства натриевых ламп высокого давления.
Создание таких ламп (типа ДНаТ), имеющих световую отдачу до 110-120
лм/Вт, срок службы около 20 тыс. ч и удовлетворительную цветопередачу, стало
возможным в связи с созданием свето-' прозрачных трубок-колб из
поликристаллической окиси алюминия. Такие колбы могут работать при более высокой
температуре, чем кварцевые, и хорошо противостоят воздействию разряда в парах
щелочных и щелочноземельных металлов.
Развитие источников света, совершенствование конструкций происходили на
основе использования достижений фундаментальных наук, в тесной связи с
развитием других отраслей науки и техники. Важнейшими научными предпосылками
явилось открытие теплового действия электрического тока (1800 г.), открытие
электрической дуги и возможности получения от нее света (1802 г.), исследование
и формулирование законов теплового излучения тел (вторая половина XIX в.),
развитие теории светящегося электрического разряда в газе (работы английского
физика М. Фарадея, начатые в 1838 г.), развитие исследований в области техники
освещения и облучения. К главным техническим предпосылкам развития источников
света можно отнести изобретение гальванического элемента, электрификацию,
создание вакуумной техники, получение вольфрамовой проволоки, развитие техники
обработки стекла, получение кварцевого стекла, организацию промышленного
получения азота, аргона, криптона и ксенона и снижение их стоимости и др.
Отметим основные пути и направления дальнейшего развития электрических
источников света. Главная проблема - повышение эффективности преобразования
электрической энергии в световую, увеличение световой отдачи источников света.
В тепловых источниках света это может быть достигнуто за счет отыскания новых
материалов для тела накала, совершенствования конструкции тел накала и
оптимизации окружающих их сред, дальнейшего исследования возвратных
(регенеративных) циклов и совершенствования на этой основе галогенных ламп
накаливания, развития работ по применению антистоксовых люминофоров в лампах
накаливания и др.
Важными научно-техническими задачами в области газоразрядных ламп
являются улучшение цветности натриевых ламп высокого давления; повышение срока
службы ламп типа ДРИ; повышение стабильности светового потока практически всех
типов газоразрядных ламп и прежде всего люминесцентных ламп низкого давления;
создание люминесцентных ламп с улучшенной цветопередачей и в колбах специальной
формы для жилых помещений; развитие люминесцентных ламп повышенной
интенсивности; создание безбалластных газоразрядных ламп; расширение
ассортимента ламп типов ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и др.
Требование повышения эффективности преобразования электрической энергии в
световую не является абсолютным. На него накладываются ограничения в связи с
необходимостью обеспечить разумную долговечность источников, необходимый
спектральный состав излучения, достаточно низкую стоимость ламп, удобство их
эксплуатации в осветительных приборах и т. п. Поэтому оценка эффективности
источников света как преобразователей энергии должна осуществляться по
критериям, учитывающим эти ограничения. В области создания таких критериев
сделано уже немало.
В настоящее время главенствующее положение в светотехнике занимают
источники света, основанные на использовании различных свойств электричества.
Известно, что при прохождении электрического тока через проводник последний
нагревается; это свойство электричества легло в основу создания тепловых
источников света - ламп накаливания. Если к двум электродам, помещенным в
пространство, заполненное инертным газом, подвести напряжение, то при
определенных условиях между электродами возникнет электрический разряд,
сопровождающийся свечением. Это явление легло в основу создания разнообразных
типов газоразрядных ламп. Открытие люминофоров - веществ, способных
преобразовать поглощаемую ими энергию в видимое излучение (люминесцировать),
позволило создать, например, люминесцентные и электролюминесцентные источники
света, в которых на люминофоры воздействуют соответственно энергии
ультрафиолетового излучения и электрического поля.
Лампы накаливания изготовляются на напряжения от долей до сотен в,
мощностью до десятков квт. Например, прожекторная лампа мощностью 10 квт имеет
длину 475 мм и диаметр 275 мм. Увеличение напряжения на лампах накаливания
против номинального на 1% повышает световой поток на 4%, но снижает срок службы
на 15%. Кратковременное включение на напряжение, превышающее номинальное на
15%. выводит лампу из строя. Срок службы ламп накаливания колеблется от 5 ч
(например, самолётные фарные лампы) до 1000 ч и более (например, транспортные
лампы), поэтому лампы должны устанавливаться в местах, обеспечивающих лёгкость
их замены. Световая отдача ламп накаливания зависит от конструкции,
напряжения, мощности и продолжительности горения и составляет 10-35 лм/вт. В
табл. 1 и 2 приводятся значения световой отдачи некоторых ламп различных
конструкций.
Табл. 1. - Световая отдача некоторых ламп
|
Тип лампы
|
Световая отдача, лм/вт
|
Примечание
|
|
Керосиновая лампа Лампа накаливания: с угольной
<#"521237.files/image010.gif"> <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Spektrum_60W_ESL.jpg>
Спектр
излучения
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F>:
непрерывный 60-ватной лампы накаливания (вверху) и линейчатый 11-ватной
компактной люминесцентной лампы (внизу)
Преимущества:
· малая стоимость
· небольшие размеры
· ненужность пускорегулирующей аппаратуры
· при включении они зажигаются практически мгновенно
· отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие
необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
· возможность работы как на постоянном токе (любой полярности),
так и на переменном
· отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе
· непрерывный спектр излучения
· устойчивость к электромагнитному импульсу
· возможность
использования регуляторов яркости <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BC%D0%BC%D0%B5%D1%80>
· нормальная
работа при низкой температуре окружающей среды
Недостатки:
· низкая световая отдача
· относительно малый срок службы
· резкая зависимость световой отдачи и срока службы от
напряжения
· цветовая
температура <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0>
лежит только в пределах 2300-2900
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD>,
что придаёт свету желтоватый оттенок
· лампы
накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения
ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от
мощности следующих величин: 40 Вт - 145 °C, 75 Вт - 250 °C, 100 Вт - 290 °C,
200 Вт - 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба
нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт,
вспыхивает примерно через 67 минут. Световой коэффициент полезного действия
ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к
мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %
Вред ламп накаливания
лампа
накаливание сигнальный колба
Значительная часть излучения лампы накаливания лежит в коротковолновой
части инфракрасного спектра (длина волны 0,74-2,0 мкм). Для температуры
излучающей поверхности 2700К выход радиации в диапазоне 0,74-2,0 мкм будет
равняться 43 %. Это излучение, в отличие от полезного длинноволнового (длина
волны 50-2000 мкм), является вредным для организма человека, особенно для глаз.
При высокой плотности и продолжительности облучения наблюдаются следующие
последствия:
судорожная болезнь, вызванная нарушением водно-солевого баланса,
характеризуется появлением резких судорог, преимущественно в конечностях;
перегревание (тепловая гипертермия) возникает при накоплении избыточного
тепла в организме; основным признаком является резкое повышение температуры
тела;
тепловые удары возникают в результате проникновения коротковолнового
инфракрасного излучения (до 1,5 мкм) через покровы черепа в мягкие ткани
головного мозга;
катаракта (помутнение хрусталиков) - заболевание глаз, возникающее при
длительном воздействии инфракрасных лучей с λ = 0,78-1,8 мкм. К острым нарушениям органов
зрения относятся также ожог, конъюктивиты, помутнение и ожог роговицы, ожог
тканей передней камеры глаза. Обычно плотность излучения в домашних условиях не
способна причинить заметный вред человеку, однако это возможно если достаточно
мощная лампа будет располагаться в непосредственной близости, либо если в
помещении установлено слишком много ламп или они слишком мощные. К тому же люди
могут проводить под лампами накаливания значительное время, так что, вероятно,
даже не очень высокая яркость может негативно отразиться на здоровье в течение
длительных промежутков времени.
Специальные лампы
· Фотолампа, перекальная лампа - разновидность лампы
накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по
напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0>
(до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0>
(3300-3400К, по сравнению с 2700К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300
и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век)
практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных
устройств сравнимой и более высокой эффективности. В фотолабораториях обычно
осуществлялось питание таких ламп в двух режимах:
o Пилотное
освещение <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9F%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BE%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5&action=edit&redlink=1>
- напряжение снижено на 20-30 % с помощью ЛАТРа
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%90%D0%A2%D0%A0>. При этом лампа
работает с недокалом и имеет низкую цветовую температуру.
· Номинальное напряжение.
· Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для
дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран,
который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять
встречных водителей.
· Малоинерционная
лампа накаливания, лампа накаливания с тонкой нитью - использовалась в системах
оптической записи звука
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D0%BF%D0%B8%D1%81%D1%8C_%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%B0>
методом модуляции яркости источника и в некоторых экспериментальных моделях
Фототелеграфа
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84>.
Благодаря малой толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения,
модулированного сигналом звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц),
приводила к изменению яркости в соответствии с мгновенным напряжением сигнала.
К началу XXI века не находят применения благодаря наличию намного более
долговечных твердотельных излучателей света и намного менее инерционных
излучателей других типов.
Литература
1. ru.wikipedia.org
<http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница>
. www.electro-mpo.ru
<http://www.google.com/aclk?sa=L&ai=CSnoabKTaS8-8LYKm_gaKyJwis9XgvQG5m_nxD6aei_cBCAAQASDijKkXULXQzRtghI3thewdyAEBqQKGjmpscl9iPqoEHk_QfN-TKTGLAD2G4AdeEH5duOAwp7uTI95e_bKqsQ&sig=AGiWqty1hR21tceP2-mUAGhi3TwUMOft-Q&adurl=http://click02.begun.ru/click.jsp%3Furl%3DLr8WXC4sLSxPq8hYUYCbf0*tnQuQGRpuYtDUckXgIKN3JQqs8I*R4vzxnHbfMhWLcGhPTV2NWoOsn9tdMb8vXcKrk752Bqm*UxeM9T08ouXRhwoSkxUxjQnYS5kw7KsNBzS4QvL8lBxzBSizfWF1oQIlDG4neulv256fIw>
. otvet.mail.ru/question/10058789/
Похожие работы на - КПД тепловых источников излучения (ламп накаливания)
|