Штифт Нернста, силитовый излучатель, темные излучатели, трубчатые кварцевые излучатели Для работы в инфракрасной области спектра используют специфические температурные излучатели: штифт Нернста, глобар, темные излучатели и трубчатые кварцевые излучатели. Штифт Нернста изготавливают в виде цилиндра диаметром от 1 до 3 мм и длиной до 30 мм из оксидно-керамической массы, состоящей из окислов циркония и иттрия. К концам цилиндра припаивают электроды из платиновых проволочек. Нагревается штифт проходящим через него током. Поскольку штифт Нернста в холодном состоянии является диэлектриком, то его предварительно разогревают при помощи специальной спирали. Штифт потребляет ток до 1 А при напряжении питания 130– 220 В. Для уменьшения потерь штифт, как правило, помещают в кожух, в котором монтируется окно из материала, прозрачного для заданной области излучения. Температура нагрева штифта Нернста достигает 2000 К. Штифт Нернста является превосходным источником для исследований и опытов в области инфракрасных лучей до 15 мкм. Для него характерны: стабильность работы, отсутствие продуктов сгорания, способных портить аппаратуру, простота использования и интенсивное излучение в рассматриваемой области.
Рис. 8. Излучение лампы Нернста На рисунке справа видно, что при мощностях, соответствующих нормальному режиму работы лампы, при 2 мкм имеет место резко избирательное излучение, а ранее имевшийся второй максимум при 6 мкм исчезает. Очевидно, что с увеличением мощности интенсивность полос 1, 5 — 2 мкм возрастает быстрее, чем интенсивность полосы 6 мкм. В случае еще более значительного потребления энергии максимум при 6 мкм почти совсем исчезает. Это обстоятельство объясняет, почему применение штифта Нернста имеет смысл практически только для получения излучений с длиной волны не свыше 14— 15 мкм.
Глобар - силитовый излучатель представляет собой стержень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током. Обычно диаметр глобара 6– 8 мм, а длина — около 250 мм. Однако иногда глобары выполняют длиной до 1 м. Рабочая температура глобаров 1200– 1300 К. Часто глобары покрывают защитным слоем двуокиси тория, что позволяет повысить их рабочую температуру до 2273 К. При температуре 1773 К и выше глобар излучает, как серое тело. Штифт Нернста и глобар применяют для получения ИК-излучения в спектральных приборах. Темные излучатели являются ИК-источниками и представляют собой металлические трубки из жаропрочной (хромо-никелевой) стали с коэффициентом теплового излучения 0, 95. Трубку заполняют керамикой, внутри которой помещают нагреватель. Рабочая температура 1000 К. Средняя мощность излучения около 1 к. Вт на 1 м длины трубки. Трубчатые кварцевые излучатели. ИК-излучатели этого типа устроены следующим образом. На тонкий кварцевый стержень навивают спираль из хромоникелевой стали. На стержень надевают трубку из кварца, которая нагревается спиралью до 1400 К. Срок службы таких ламп достиает 5000 ч. Первая отечественная трубчатая кварцевая лампа была изготовлена в виде трубки из кварцевого стекла диаметром 10 мм, длиной 370 мм с температурой 723 К. Темные и трубчатые кварцевые излучатели используют в качестве нагревательных элементов.
В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов. При температуре 5770 K (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Температура в 5771 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
При достижимых практически температурах 2300— 2900 K излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным» , чем дневной свет. В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения — до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.
Конструкция современной лампы. На схеме: 1 — колба; 2 — полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 — тело накала; 4, 5 — электроды (токовые вводы); 6 — крючки-держатели тела накала; 7 — ножка лампы; 8 — внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя.
Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера для того, чтобы осаждаемый металл распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность. Газовая среда Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N 2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы: N 2 — 28, 0134 г/моль; Ar: 39, 948 г/моль; Kr — 83, 798 г/моль; Xe — 131, 293 г/моль).
Электротехнические параметры Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40— 50 микрон. Специальные лампы Коммутаторная лампа накаливания (24 В 35 м. А) коммутаторные лампы — разновидность сигнальных ламп. Они служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6 -50, КМ 12 -90, КМ 24 -35, КМ 24 -90, КМ 48 -50, КМ 60 -50, где первая цифра означает рабочее напряжение в вольтах, вторая — силу тока в миллиамперах; Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник. 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.
Галогенная лампа Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру спирали, больший КПД, больший срок службы и меньший размер колбы.
КПД и долговечность Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %. С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. При увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %. Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4 -5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
Тип Световая эффективность % Световая эффективность (Люмен/Ватт) Лампа накаливания 40 Вт 1, 9 % 12, 6[14] Лампа накаливания 60 Вт 2, 1 % 14, 5[14] Лампа накаливания 100 Вт 2, 6 % 17, 5[14] Галогенные лампы 2, 3 % 16 Галогенные лампы (с кварцевым стеклом) 3, 5 % 24 Высокотемпературная лампа накаливания 5, 1 % 35[15] Абсолютно чёрное тело при 4000 K 7, 0 % 47, 5[16] Абсолютно чёрное тело при 7000 K 14 % 95[16] Идеально белый источник света 35, 5 % 242, 5[15] Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник 100 % 683[17]
Разновидности ламп накаливания Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности): Вакуумные (самые простые) Аргоновые (азот-аргоновые) Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых) Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых) Галогенные (наполнитель I или Br, в 2, 5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл) Галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счет лучшего нагрева внутренней колбы) Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3 х раз ярче аргоновых) Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей) Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.
Ограничения импорта, закупок и производства В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные, светодиодные и др. ) лампы. 1 сентября 2009 года в Евросоюзе в соответствии с директивой 2005/32/EG вступил в силу поэтапный запрет на производство, закупку магазинами и импорт ламп накаливания (за исключением специальных ламп). С 2009 года запрещены лампы мощностью 100 Вт и более, ламп с матовой колбой 75 Вт и более (с 1 сентября 2010 года[20]) и др. Ожидается, что к 2012 году будут запрещены импорт и производство ламп накаливания меньшей мощности[21]. С 2005 года на Кубе ограничено использование ламп накаливания мощностью более 15 Вт. [источник не указан 405 дней] С 2009 года ограничения коснулись также Новой Зеландии и Швейцарии[источник не указан 405 дней], с 2010 года — Австралии.
В России 2 июля 2009 года на заседании президиума Государственного совета по вопросам повышения энергоэффективности Президент Российской Федерации Д. А. Медведев предложил запретить в России продажу ламп накаливания[22]. 23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Государственной думой и утвержденный Советом федерации закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [23]. Согласно документу, с 1 января 2011 года на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд; с 1 января 2013 года может быть введен запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года — мощностью 25 Вт и более.
Интересные факты В США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния) есть 60 -ваттная[31] лампа ручной работы, известная под именем «Столетняя лампа (англ. )русск. » [32]. Она практически постоянно горит уже более 110 лет, с 1901 года[33]. Такой ресурс лампе обеспечила в основном работа на малой мощности (4 Bаттa), в глубоком недокале, при очень низком КПД. Лампа включена в Книгу рекордов Гиннесса[34] в 1972 году. Пока лампа Томаса Эдисона не завоевала популярность, люди спали по 10 часов в сутки[35]. Для изготовления обычной лампочки требуется как минимум 7 металлов[36]
Источником света называют преобразователь какого-либо вида энергии в излучение, воспринимаемое человеком как свет. С точки зрения физических процессов источники света бывают: тепловые; люминесцентные, светодиоды; и лазеры. По принципу действия условно их можно разделить на лапы накаливания, разрядные лампы и светодиоды. . . Тепловые источники света - Лампы накаливания - Разрядные источники света При люминесценции (по физике к ней относят все источники света, кроме тепловых и лазеров) возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в оптическое излучение, чем при тепловом возбуждении, поскольку люминесценция в принципе не требует нагрева. Вообще же в разрядных лампах оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях. Дальнейшее преобразование первичного оптического излучения (часто невидимого – ультрафиолетового) в видимый свет осуществляется с помощью свечения люминофоров под воздействием этого первичного излучения.
Таким образом, световая отдача современных разрядных источников света в 5. . . 10 раз превышает световую отдачу ламп накаливания, а срок службы у них в 10. . . 20 раз больше, чем у тех же ламп накаливания. Однако по качеству света люминесценция уступает лампам накаливания, поскольку спектр люминесценции состоит, из отдельных линий, при излучении атомов или ионов, отдельных полос, при излучении молекул, и отдельных участков, при излучении жидкостей и твёрдых тел Спектр излучения: непрерывный 60 -ватной лампы накаливания (вверху) и линейчатый 11 -ватной компактной люминесцентной лампы (внизу)
Кроме качества света, к недостаткам разрядных источников относят то, что ни один из них не может быть включен в сеть напрямую, как лампа накаливания, им всем нужны дополнительные устройства для инициации разряда и поддержания рабочих параметров. Вот в отношении удобства, надёжности, цветопередачи и, конечно, эффективности, не прекращаются исследования и усовершенствования разрядных источников света. Люминесцентные лампы Первые образцы из наиболее массовых — линейных люминесцентных ламп, были созданы в СССР в 1936. . . 1940 годах под руководством С. И. Вавилова, и в США в 1938 году на фирме «General Electric» . Разрядные лампы высокого давления Разряды в лампах высокого и сверхвысокого давления имеют в десятки и сотни раз большую яркость чем разряды в лампах низкого давления и яркость ламп накаливания. Светодиоды
Скачать презентацию Штифт Нернста силитовый излучатель темные излучатели трубчатые кварцевые
12-2_лампы накалив.ppt