Что такое тепловые источники света

Тепловые источники света

Источники света, светильники и их характеристики

Электрическим источником оптического излучения, и в частности источником света, называют устройство для преобразования электрической энергии в лучистую энергию оптического спектра.

В применяемых электрических источниках оптического излучения электрическая энергия преобразуется в лучистую двумя основными способами: нагревом тела электрическим током и электрическим разрядом в газах и парах металлов. В соответствии с этим электрические источники оптического излучения (лампы) подразделяют на тепловые и разрядные. Возможна и комбинация указанных способов в одном источнике. Различные лампы отличаются между собой электроэнергетическими, светотехническими и эксплуатационными параметрами и характеристиками.

Тепловые источники света выполняют в виде различных ламп накаливания. Несмотря на многообразие ламп накаливания, все они работают по единому физическому принципу преобразования электрической энергии в оптическое излучение путем нагрева электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200. 2800 °С, а также имеют сходные основные конструктивные элементы.

Для защиты от окисления тело накала лампы, выполненное в виде вольфрамовой нити, помещают в стеклянную колбу, из которой удаляют воздух и которую для газонаполненных ламп заполняют инертным газом (аргоном, криптоном, азотом или их смесью). Для включения лампы в электрическую цепь её снабжают цоколем, который для различных условий эксплуатации может быть резьбовым, штифтовым, цилиндрическим фиксирующимся и т. д. Наряду с прозрачными стеклянными колбами для снижения яркости лампы применяют матированные, опаловые или “молочные” колбы. Однако в таких колбах теряется до 20% светового потока лампы. В отдельных случаях цокольная часть внутренней поверхности колбы имеет отражатель, выполненный в виде зеркального напыления.

Излучательная способность тела нагрева согласно закону Стефана—Больцмана зависит от температуры его нагрева в четвертой степени. С другой стороны, закон смещения Вина устанавливает связь положения максимума в спектре излучения черного тела с температурой его нагрева

l_max– длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения черного тела, нм;

С = 2898×10 3 нм×К – постоянная Вина; Т — абсолютная температура тела, К.

Из анализа формулы (2.1) следует, что с увеличением температуры нагрева максимум излучения черного тела смещается в более коротковолновую часть спектра. Установлено, что при максимуме излучения в видимой части спектра световой КПД потока излучения, выражаемый как отношение светового потока Фс к полному лучистому Фл, достигает максимума 14,5% при температуре около 6500 К. Реальные тела, используемые в качестве тепловых излучателей, не могут быть нагреты до такой температуры из-за нарушения их механической прочности (температура плавления вольфрама 3665 К). Поэтому реальный световой КПД ламп накаливания Фс /Фл с вольфрамовой нитью не превышает 4%. При этом в видимой части спектра ламп накаливания преобладают оранжево-красные излучения с длинами волн 600. 760 нм. Сине-фиолетовых излучений с длинами волн 380. 480 нм примерно в 10 раз меньше (рис.2.1).

Так как максимум излучения ламп накаливания расположен в инфракрасной части спектра излучения и в целом у них высокое значение энергетического КПД Фл /Рл = 0,7. 0,9, то они также находят широкое применение для различных целей инфракрасного нагрева. У специальных инфракрасных ламп температура тела накала меньше, чем у обычных осветительных. Поэтому их срок службы в б. 10 раз больше, чем у осветительных, для которых номинальный срок службы (средняя продолжительность горения) составляет 1000 ч.

Для уменьшения отрицательного влияния распыления вольфрамовой нити накала на показатели лампы накаливания внутрь стеклянной колбы вводят в ряде случаев небольшое количество йода или брома. Такие лампы называют галогенными.

Внешнее отличие галогенных осветительных ламп накаливания состоит в том, что их колба выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической трубки малого объема, у которой на концах имеются выводы для подключения. Вольфрамовая спираль на поддержках вытянута по оси трубки. Поэтому для нормальной работы галогенные лампы устанавливают только в горизонтальном положении.

Галогенные лампы накаливания по сравнению с лампами накаливания общего назначения имеют большую световую отдачу: 20. 35 лм/Вт против 8. 20 лм/Вт. Их номинальный срок службы в 2 раза больше. Световой поток к концу срока службы у галогенных ламп снижается всего на 2% вместо 20% у ламп накаливания общего назначения.

Существенные преимущества ламп накаливания — простота устройства, удобство в эксплуатации и относительно малая стоимость.

Отклонения питающего напряжения от номинального значения существенно влияют на характеристики ламп накаливания и, прежде всего, на их срок службы. Например, повышение температуры нити накала всего на 1 % увеличивает распыление вольфрама почти в 2 раза. Учитывая это обстоятельство, лампы накаливания выпускают на определенные диапазоны питающего напряжения: 125. 135, 215. 225, 220. 230 В и т. д.

Мощность ламп накаливания общего назначения от долей ватта до 1000 Вт, галогенных — до 20 кВт.

Обозначение ламп накаливания общего назначения состоит из одной или нескольких букв: В — вакуумная, Г — газонаполненная (86% аргон, 14% азот); БК — биспиральная криптоновая (86% криптон, 14% азот) и т. д. Цифры после буквенного обозначения показывают диапазон уровней питающего напряжения в вольтах, далее номинальную мощность лампы в ваттах и затем порядковый номер разработки. Например, Г-215-225-200 — лампа накаливания газонаполненная моноспиралная на диапазон напряжений 215. 225 В номинальной мощностью 200 Вт при среднем расчетном напряжении питания 220 В.

Линейные галогенные лампы накаливания осветительные обозначают буквами КГ (кварцевая галогенная), инфракрасные — КГТ (кварцевая галогенная теплоизлучающая).

Лампы накаливания инфракрасные негалогенные обозначают буквами ИК, лампы с зеркальным отражателем дополнительно имеют букву 3, и, если колба цветная, далее следует буква цвета колбы: К — красная, С — синяя. Например, ИКЗК-215-225-250-1 — лампа накаливания инфракрасная (ИК), с зеркальным отражателем (3), колба красная (К), диапазон напряжений питания 215. 225 В, мощностью 250 Вт, номер разработки 1.

Тепловые источники света

К тепловым источникам света относят все лампы накаливания, в том числе галогенные и зеркальные. Отличие галогенных ламп накаливания от обычных состоит в том, что для уменьшения испарения вольфрама и осветления стенок колбы используется вольфрамово-галогенный цикл. В состав наполняющего газа вводится небольшое количество галогенов — соединений элементов седьмой группы таблицы Менделеева. В настоящее время чаще используют технологичные соединения брома — бромистый метан СН2Вr2 и бромистый метилен СН3Вr. Если у обычных осветительных ламп мощностью 500 Вт на напряжение 220 В световая отдача равна 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов, то у галогенной лампы такой же мощности эти параметры равны 19 лм/Вт и 1500 часов.

Галогенные лампы накаливания делятся на две большие группы — линейные и малогабаритные (компактные). Линейные лампы, как правило, имеют двухстороннюю цоколевку с торцевыми цоколями R7s. Лампы мощностью 2000 Вт и более часто делают без цоколей с гибкими проволочными выводами или плоскими контактами для зажима «под винт». Диапазон мощностей линейных ламп — от 100 до 20000 Вт; номинальное напряжение — 110, 127, 220 В (лампы зарубежного производства часто делают на 130 и 230 В). Лампы российского производства маркируются буквами КГ или КИ (кварцевые галогенные или йодные) и цифрами, обозначающими номинальное напряжение и мощность. Малогабаритные галогенные лампы с отражателями или в светильниках используются для акцентирующего освещения.

Газоразрядные источники света

К газоразрядным или просто разрядным источникам света относятся все люминесцентные лампы (в том числе компактные и безэлектродные), металлогалогенные, натриевые высокого и низкого давления, ксеноновые, неоновые и другие.

Люминесцентные лампы

Люминесцентная лампа — это типичный разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа, чаще всего — аргона. В середине 90-х годов на мировом рынке появилось новое поколение люминесцентных ламп, в рекламной и технической литературе называемое «серией Т5» (в Германии — Т16). У этих ламп наружный диаметр колбы уменьшен до 16 мм (или 5/8 дюйма, отсюда и название Т5). В конструкцию ламп внесено одно очень важное изменение — люминофор с внутренней стороны покрыт тонкой защитной пленкой, которая защищает люминофор от попадания на него частиц ртути, благодаря чему обеспечивается высокая стабильность светового потока в течение срока службы.

Однако люминесцентные лампы имеют и множество недостатков, которые необходимо знать и учитывать:

– в лампах содержится ртуть — очень ядовитый металл, что делает их экологически опасными;

– световой поток ламп устанавливается не сразу после включения, а спустя некоторое время;

– глубина пульсаций светового потока значительно выше, чем ламп накаливания. Это отрицательно сказывается на самочувствии людей, работающих при таком освещении;

– люминесцентные лампы, как и все газоразрядные приборы, требуют для включения в сеть дополнительных устройств. Самая простая и распространенная схема включения люминесцентных ламп — стартернодроссельная, когда для ограничения тока через лампу на требуемом уровне используется дроссель. Дроссели создают два неприятных момента — провоцируют сдвиг фаз между током и напряжением, а также создают гудящий звук той или иной интенсивности. Многие недостатки люминесцентных ламп и дросселей устраняются при использовании электронных высокочастотных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА) (рис.1).

Принципиальное отличие электронных схем включения люминесцентных ламп от стартерно-дроссельных заключается в том, что лампы в таких схемах питаются током высокой часто-ты, обычно 20 – 40 кГц, вместо 50 Гц. Высокочастотное питание ламп дает следующие положительные результаты:

1. Из-за особенностей высокочастотного разряда увеличивается световая отдача ламп;

2. Глубина пульсаций светового потока с частотой 100 Гц уменьшается примерно до 5 %;

3. Исключаются звуковые помехи, создаваемые дросселями;

4. Исключается мигание ламп при включении;

5. За счет исключения миганий при включении и точного прогрева электродов повышается срок службы ламп;

Таким образом, электронные пускорегулирующие аппараты устраняют большинство недостатков люминесцентных ламп со стартерно-дроссельными схемами включения.

Тепловые источники света;

Оптическая пирометрия.

Законы теплового излучения используются для измерения температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, звезд). Методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности энергетической светимости или интегральной энергетической светимости тел от температуры, называются оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температуры тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуры.

1. Радиационная температура — это такая температура черного тела, при которой его энергетическая светимость R_e, (см. (198.3)) равна энергетической светимости R_T(см. (197.2)) исследуемого тела. В данном случае регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по закону Стефана — Больцмана (199.1) вычисляется его радиационная температура:

Радиационная температура Т_р тела всегда меньше его истинной температуры Т. Для доказательства этого предположим, что исследуемое тело является серым. Тогда, используя (199.1) и (198.2), можно записать

С другой стороны,

Из сравнения этих выражений вытекает, что

Зная поглощательную способность А_l,T тела при той же длине волны, по яркостной температуре можно определить истинную. Переписав формулу Планка (200.3) в виде

и учитывая это в (201.2), получим

т. е. при известных А_l,T и l можно определить истинную температуру исследуемого тела.

4. Тепловые источники света. Свечение раскаленных тел используется для создания источников света, первые из которых — лампы накаливания и дуговые лампы — были соответственно изобретены русскими учеными А. Н. Лодыгиным в 1873 г. и П. Н. Яблочковым в 1876 г.

На первый взгляд кажется, что черные тела должны быть наилучшими тепловыми источниками света, так как их спектральная плотность энергетической светимости для любой длины волны больше спектральной плотности энергетической светимости не черных тел, взятых при одинаковых температурах. Однако оказывается, что для некоторых тел (например, вольфрама), обладающих селективностью теплового излучения, доля энергии, приходящаяся на излучение в видимой области спектра, значительно больше, чем для черного тела, нагретого до той же температуры. Поэтому вольфрам, обладая еще и высокой температурой плавления, является наилучшим материалом для изготовления нитей ламп.

Температура вольфрамовой нити в вакуумных лампах не должна превышать 2450 К, поскольку при более высоких температурах происходит ее сильное распыление. Максимум излучения при этой температуре соответствует длине волны » 1,1 мкм, т. е. очень далек от максимума чувствительности человеческого глаза (» 0,55 мкм). Наполнение баллонов ламп инертными газами (например, смесью криптона и ксенона с добавлением азота) при давлении »50 кПа позволяет увеличить температуру нити до 3000 К, что приводит к улучшению спектрального состава излучения. Однако светоотдача при этом не увеличивается, так как возникают дополнительные потери энергии из-за теплообмена между нитью и газом вследствие теплопроводности и конвекции. Для уменьшения потерь энергии за счет теплообмена и повышения светоотдачи газонаполненных ламп нить изготовляют в виде спирали, отдельные витки которой обогревают друг друга. При высокой температуре вокруг этой спирали образуется неподвижный слой газа и исключается теплообмен вследствие конвекции. Энергетический к.п.д. ламп накаливания в настоящее время не превосходит 5%.

Источники:

http://studopedia.ru/2_81346_teplovie-istochniki-sveta.html

http://studbooks.net/1936393/matematika_himiya_fizika/teplovye_istochniki_sveta

http://studopedia.su/11_126432_teplovie-istochniki-sveta.html