Лекция №3 свет.. Лекция 3 Законы теплового излучения. Лампы накаливания. Основные характеристики электрических источников излучения
 Скачать 199.04 Kb.
|
|
Лекция №3 Законы теплового излучения. Лампы накаливания. Основные характеристики электрических источников излучения. Искусственным источником ОИ называется устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в ОИ. Электрические источники ОИ бывают 2-х видов: - тепловые (излучение в результате нагрева тела электрическим током) - разрядные (свечение получается в результате электрического разряда в газе или парах металла).  - при нагреве тела электрическим током - при электрическом разряде в ксеноне Рис. 1. Спектры излучения нагретого твердого тела и электрического разряда в газе. На рисунке приведены спектры излучения нагретого твердого тела и электрического разряда в газе. Спектр излучения нагретого тела всегда сплошной - кривая 1. Для электрического разряда в газе или парах металла характерен либо полосатый спектр - кривая 2, либо линейчатый, состоящий из отдельных монохроматических излучений. Линейчатый спектр характерен для каждого химического элемента. Он создается излучением отдельных атомов химического элемента, находящихся в свободном состоянии. Линейчатый спектр зависит от строения электронных оболочек атомов данного элемента. Линейчатые спектры отличаются цветом, положением и числом отдельных линий. Полосатыми называются спектры, состоящие из цветных полос, разделенных темными промежутками. Полосатые спектры создаются излучением молекул. Для характеристики электрических источников ОИ используют следующие основные показатели: 1. Энергетические. Энергетический к.п.д. лампы  где Фе .л. - полный поток излучения лампы, Вт; Рл - мощность лампы, Вт. Эффективный к.п.д. лампы Фэф.л. - эффективный поток излучения лампы, Вт. Эффективный к.п.д. потока излучения лампы  Все энергетические показатели источника излучения взаимосвязаны: ηэф л = ηе л ∙ ηэф п 2. Светотехнические Спектральный состав излучения лампы –  , Вт/нмЭффективный поток излучения лампы Фэф.л. (световой - лм, витальный - вит, фотосинтезный - фт, бактерицидный - бк). Эффективная отдача лампы (лм/Вт, фт/Вт, вит/Вт, бк/Вт).  3. Электротехнические Номинальная мощность лампы Рл, Вт; Номинальное напряжение лампы, Uл н, В Номинальное напряжение сети, Uc н, В, на которое рассчитана лампа, 4. Эксплуатационные Полезный срок службы тл, час - средняя продолжительность работы лампы до момента изменения одного из ее параметров сверх пределов, установленных стандартом. Полезный срок службы - технически и экономически целесообразное суммарное время горения лампы. Полный срок службы - время работы лампы до ее выхода из строя. Зависимость параметров лампы от отклонения напряжения сети: Фэф.л.(Uc); Рл(Uc); τл(Uc). Тепловые источники излучения Основные законы теплового излучения Законы теплового излучения установлены для абсолютно черного тела (а.ч.т.) Абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение независимо от спектрального состава, направления падения и степени поляризации. Закон Кирхгофа (1859): Всякое вещество в основном поглощает те лучи, которые само может испускать. Поэтому спектры поглощения веществ соответствуют спектрам их излучения. Чем больше тело поглощает количества излучения, тем больше оно отдает количества излучения. Для двух тел, нагретых до одинаковой температуры, зависимость между излучательностью тел и их коэффициентами поглощения - прямо пропорциональная:   Закон Кирхгофа можно записать в виде: где Мет - излучательность а.ч.т., Вт/м2. Для тел, нагретых до одинаковой температуры, отношение излучательности к соответствующим коэффициентам поглощения есть величина постоянная, равная излучательности а.ч.т. при той же температуре. Для а.ч.т. а = 1, поэтому его называют полным излучателем. Закон Стефана-Больцмана:  где - Мет - излучательная способность а.ч.т. а - постоянная Стефана-Больцмана,  = 5,67 10-8 Вт/м2 · К4 Т - абсолютная температура, К. (Стефан - 1879г. - экспериментально; Больцман - 1884г. - теоретически). Излучательность а.ч.т. зависит только от его температуры и пропорциональна ее абсолютному значению в четвертой степени. Закон смещения Вина устанавливает связь между положением максимума в спектре излучения а.ч.т. и температурой нагрева:  где  длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения а.ч.т., нм;с – постоянная Вина, нм · К; с = 2,898 • 106  Т.е. с увеличением температуры а.ч.т. максимум смещается в более коротковолновую часть спектра. Действие рассмотренных законов наглядно проявляется в изменении функции спектральной плотности излучения тела, нагретого до различных температур. Видно, что доля излучения, приходящаяся на видимую область спектра, т.е. видимая глазом человека, очень мала. Изменение функции спектральной плотности излучения а.ч.т. при различных температурах Рис.2. Спектр излучения черного тела Зависимость светового к.п.д. излучения а.ч.т. от температуры. При нагреве до 1000 К видимое излучение отсутствует. С повышением температуры световой к.п.д. черного тела быстро увеличивается и достигает максимума - 14,5% при температуре около 6500 К. При этом max излучения находится в видимой области спектра. Дальнейшее повышение температуры приводит к смещению max излучения в соответствии с законом Вина в УФ область спектра. В результате световой к.п.д. снижается. Реальные тела, выполняющие роль тепловых излучателей, не могут быть нагреты до 6500 К. На практике до 3665 К может быть нагрет только вольфрам из-за нарушения механической прочности.
Реальный к.п.д. ламп накаливания с вольфрамовой нитью не превышает 3,5 %. Вместе с тем тепловой излучатель - высокоэффективный источник ИК излучения. Таким образом, лампы накаливания (ЛН) можно применять как для освещения, так и для облучения в технологических процессах. Тепловые излучатели, используемые для освещения, называются источниками света (ИС), или лампами. Источники, богатые ИК излучением, называются ИК излучателями. Принято также деление на «темные» и «светлые» источники. У «темных» доля видимого излучения не превышает доли процента, а температура тела накала обычно не выше 100(7 С. Это обычно ИК излучатели. У «светлых» доля видимого излучения и температура тела накала значительно выше (это ИС). Лампы накаливания. Достоинства ЛН: Простота обслуживания Удобство в обращении и дешевизна Разнообразие конструкций, напряжений и мощностей Малые первоначальные затраты при оборудовании ОУ Высокий уровень механизации производства Во многих областях применения ЛН не имеют равноценной замены. Недостатки: Низкая световая отдача (8-20 лм/Вт) Малый срок службы < 2000 час Неудовлетворительное качество цветопередачи Недостаточная прочность рядов типов специальных ламп. Устройство ЛН В общем балансе светового потока всех выпускаемых ламп на долю ЛН приходится 30-35 %. Основная часть - тело накала. Это W-проволока круглого сечения, помещенная в стеклянную колбу, из которой откачан воздух для защиты от окисления. W-проволока закреплена на держателях. Форма колбы - от цилиндрической до шарообразной. На колбе закреплен цоколь для включения в сеть. Виды цоколей Резьбовой Штифтовой Цилиндрический Фокусирующий Кроме прозрачных, колбы делают матированными или «молочными» для уменьшения слепящей яркости накала. Однако в таких колбах теряется до 20% светового потока. В лампах некоторых типов есть отражатель в виде зеркального или диффузного напыления на внутренней поверхности колбы. Светотехнические характеристики зависят от температуры накала, которая, в свою очередь, ограничена не только tnmBW, но и его интенсивным распылением. Вследствие распыления уменьшается сечение W-проволоки, а на колбе образуется напыленная пленка W, которая снижает прозрачность колбы. Для уменьшения испарения: наполняют колбу инертным газом делают нить в виде спирали, биспирали, триспирали. Чтобы снизить распыление W, внутрь лампы вводят дозированное количество йода. Эти лампы называют галогенными (ГЛН). Принцип работы ГЛН: при 300 - 1200 С пары йода соединяются на стенке колбы с частицами W, и образуется иодид W - WI2, концентрация которого у стенок колбы повышается. Под действием диффузии WI2 перемещается к центру колбы (испаряется при температуре выше 250-300°). Вблизи тела накала при 1400-1600°С молекулы WI2 распадаются и атомы W оседают на теле накала (и других деталях), имеющих температуру выше 1600°С. Освободившиеся атомы I диффундируют в объеме лампы и соединяются на стенках колбы с W, вновь образуя WI2. Условия образования иодно-вольфрамового цикла: Температура внутренней стенки колбы должна быть> 250°С и < 1200°С, наиболее предпочтительна - 500-600°С, поэтому колбу изготавливают из кварца и придают ей необходимую форму для обеспечения равномерной температуры. 2. Минимальная температура тела накала должна быть больше 1600°С. 3. I не должен образовывать на стенке лампы какие-либо другие химические соединения, кроме WI2 (поэтому недопустимо применять в лампе Ni, Mo, Al-Zr- и Р-газопоглотители, с которыми I активно взаимодействует. 4. Количество I дозировано, т. к. пары I заметно поглощают видимое излучение в области 500-520 нм. Иодно-вольфрамовый цикл, препятствуя осаждению W на колбе, не обеспечивает возвращение его в дефектные участки тела накала. Поэтому механизм перегорания тела накала остается таким же, как в обычных ЛН. Длинные линейные ГЛН имеют недостатки: их невозможно долго эксплуатировать в наклонном или вертикальном положении, т.к. при этом галогены и инертный газ из-за разности молекулярных масс отделяются друг от друга и регенеративный цикл прекращается. Преимущества ГЛН: Повышенная светоотдача - до 26 лм/Вт Повышенный срок службы - в 2-3 раза больше, чем у обычных ЛН Механически прочная кварцевая колба позволяет наполнять лампы до высоких давлений ксеноном, что позволяет еще больше повысить срок службы и светоотдачу. Применение ГЛН: в прожекторном освещении, для общего и местного освещения, для ИК-облучения, в автомобильных лампах-фарах, в кино- и фотосъемке, в аэродромном освещении и т.д. Классификация ГЛН по конструктивным признакам 1. С длинным спиральным телом накала при отношении l/d > 10 – линейные или трубчатые лампы. 2. С компактным телом накала при отношении l/d < 8 а) мощные б) малогабаритные, у которых электроды размещены с одной стороны. Лампы ГЛН для светильников общего освещения и прожекторов выпускаются на напряжение 220 В, мощностью от 1 до 20 кВт, светоотдача 20-26 Лм/Вт, срок службы 2000 ч, лампы трубчатые, положение горения – горизонтальное. ГЛН для ИК облучения выпускаются на напряжения 127, 220. 380 В мощностью от 0,5 до 5 кВт, срок службы повышенный – 2500…5000 ч, так как температура тела накала у них понижена – 2400…2700 К. Лампы трубчатые, положение – горизонтальное. Малогабаритные ГЛН разного назначения выпускаются на напряжение до 30 В (преимущественно 6, 12, 24 В) мощностью 15…650 Вт, форма тела накала – компактная. Поскольку от большинства этих ламп требуется высокая яркость, они имеют температуру тела накала 3000…3200 и срок службы несколько десятков или сотен часов, положение горения – любое. Основные характеристики ЛН. Показатели работы ЛН полностью зависят от температуры тела накала (в соответствии с законами теплового излучения). Энергетический КПД ЛН высокий – ηе = 70…90%, световой КПД – ηv ≤ 3,5%. В видимой части спектра преобладают оранжево-красные излучения с λ = 600…780 нм, а синих с λ = 380…450 нм в 10 раз меньше. Лампы накаливания ОН рассчитывают на одинаковый срок службы 1000 ч. вне зависимости от мощности и номинального напряжения. Очевидно, что при таком конструктивном решении для вольфрамовой нити большего диаметра можно допустить нагрев нити до более высокой температуры. Таким образом, большему диаметру вольфрамовой нити при одинаковом наполнении колбы ЛН соответствует более высокая световая отдача.
У ГЛН за вдвое больший срок службы, чем у ЛН, световой поток снижается не более чем на 2%, у ЛН – на 20%. У ИК ламп температура тела накала меньше, чем у обычных осветительных. Это позволило в 6…10 раз увеличить срок их службы при ИК КПД ηик = 80%. Необходимо отметить, что световая отдача ЛН зависит также от конструктивного исполнения и от наполнения колбы. При равных мощности и Uном световая отдача криптоновых ламп выше, чем аргоновых. Электротехнические параметры ЛН определяются областью их применения. ЛН выпускают на напряжение 1…380 В и мощностью от долей Вт до 20 кВт. ЛОН рассчитаны на включение в сеть напряжения с разбросом: 125…135 В 215…225 В 220…230 В 230…240 В 235…245 В. Полезный срок службы – в среднем для партии ламп составляет 1000 ч. Гарантированный срок службы – суммарное время горения любой лампы – 700 ч. Полезный срок службы ГЛН в 2 раза больше – 2000 ч. Срок службы ИК ламп 6000…10000 ч. Все показатели работы ЛН зависят от отклонений Uсети , с которыми связаны изменения температуры тела накала. Больше всего изменения температуры влияют на срок службы ламп. Например: - повышение температуры тела накала на 1% увеличивает распыление вольфрама почти в 2 раза; при отклонениях Uс на 5% продолжительность горения ЛН изменяется в 2,2 раза; изменение Uс на 1% вызывает изменение светового потока на ≈ 3,5%, световой отдачи на 2%.  Cпектры излучения нагретого твердого тела и электрического разряда в газе – при нагреве тела электрическим током – при электрическом разряде в ксеноне Закон Кирхгофа  Для тел, нагретых до одинаковой температуры, отношение излучательности к соответствующим коэффициентам поглощения есть величина постоянная, равная излучательности а.ч.т. при той же температуре. Закон Стефана-Больцмана  где - Мет - излучательная способность а.ч.т. α - постоянная Стефана-Больцмана, = 5,67 10-8 Вт/м2 · К4 Т - абсолютная температура, К. Излучательность а.ч.т. зависит только от его температуры и пропорциональна ее абсолютному значению в четвертой степени. Закон смещения Вина устанавливает связь между положением максимума в спектре излучения а.ч.т. и температурой нагрева: Произведение длины волны, соответствующей максимуму в спектре излучения черного тела, на его абсолютную температуру есть величина постоянная. где длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения а.ч.т., нм;с – постоянная Вина, нм · К; с = 2,898 • 106 Изменение функции спектральной плотности излучения а.ч.т. при различных температурах  Зависимость светового к.п.д. от температуры для разных излучателей
|