§ 53 Sursele de temperatură ca surse de lumină
La limita atmosferei pământului, aproximativ 2 calorii pe centimetru pătrat de energie radiantă emise de Soare cade în 1 minut. O cantitate considerabil mai mică de energie atinge suprafața Pământului: aproximativ 25% se pierde în atmosferă datorită absorbției.
În Fig. 202 prezintă distribuția energiei în spectrul solar la limita atmosferei și pe suprafața Pământului. Proprietățile ochiului uman ca urmare a selecției naturale sunt într-o anumită măsură compatibile cu această distribuție a energiei. uman
ochiul reacționează exact la regiunea spectrului care corespunde unei fracții semnificative din fluxul total de radiație solară. În ciuda dimensiunilor colosale, Soarele de pe Pământ poate fi privit ca o sursă punctuală de lumină, deoarece diametrul Soarelui este doar o mie de distanțare față de Pământ. Luminozitatea suprafeței Soarelui este de ordinul mărimii, luminozitatea aparentă este oarecum mai mică datorită absorbției în atmosferă. Pentru comparație, vom sublinia că cea mai mică strălucire care poate fi văzută de ochi.
Razele directe ale soarelui produc la ora 12 de pe Pământ în jurul valorii de iluminare la care se adaugă lumina difuză a cerului în apropierea cursului, aceste date sunt puternic dependente de latitudine, anotimp, și ora meteo (fig. 203).
Fig. 202. Distribuția energiei în spectrul solar: 1 - pe suprafața Pământului; 2 - la limita atmosferei pământului.
Lumina împrăștiată a cerului are un spectru care este puternic diferit de spectrul soarelui: o parte de undă scurtă este amplificată foarte mult în ea (§33).
Scopul surselor de lumină artificială este de a transforma energia furnizată în radiații vizibile. Problema tehnică este de a realiza transformarea energiei cu cea mai mare eficiență, adică este posibilă convertirea celei mai mari părți a puterii consumate în radiații vizibile.
În prezent, predomină sursele de lumină cu corpuri strălucitoare luminoase. Natura strălucirii flacării și a lămpii electrice moderne este aceeași - radiația de temperatură. Lămpile omniprezente moderne diferă de scânteie numai în modul în care încălzirea corpurilor luminoase: în timp ce filament încălzit curent lampă electrică, funingine flacără lumânare căldură încălzit ardere.
Cu o creștere a temperaturii, intensitatea integrală a radiației corpului negru crește proporțional cu a patra putere a temperaturii absolute (§ 49).
Conform legii lui Wien (§49), când este încălzit, maximul radiațiilor se apropie treptat de regiunea vizibilă
Cu o precizie de 10%, putem presupune că puterea consumată pe filamentul filamentului unei lămpi electrice se transformă complet în radiație. Din faptul că radiația totală crește proporțional cu a patra putere de temperatură, rezultă că puterea necesară pentru încălzirea părului lămpii este, de asemenea, proporțională cu a patra putere a temperaturii. În același timp, luminozitatea B observată de ochi este proporțională cu a zecea putere a temperaturii.
Fig. 203. Dependența iluminării la timpul anului.
Fig. 204. Radiația corpului negru la diferite temperaturi.
Prin urmare, eficiența este proporțională cu a șasea putere a temperaturii absolute.
Acest lucru se aplică, în mod strict vorbind, eficienței și ieșirii luminoase a radiației unui corp absolut negru. Pentru radiatoarele reale, relațiile cantitative vor fi oarecum diferite, dar imaginea va rămâne calitativ la fel. Pentru orice radiator de temperatură cu temperatură în creștere, atât luminozitatea cât și puterea luminii cresc foarte rapid.
Ca o consecință, întreaga istorie a unei lămpi electrice este în esență o luptă pentru atingerea unei temperaturi ridicate a filamentului în condiții de funcționare.
Prima adecvarea practică a incandescente au fost create de către inventatorul lor AN Lodygin în 1873 Lodygin nu a creat doar lampa cu incandescență, dar le-a aplicat pentru iluminatul stradal în St. Petersburg (t. II, § 1). Edison a perfecționat proiectarea lampă cu incandescență, dar revendicarea de prioritate în inventarea lampă cu incandescență a fost respinsă de o instanță din SUA.
Ca materiale pentru filament, primii designeri ai lămpii electrice au ales cărbune din cauza refractării sale (punctul de topire circa 4000 ° K). Sa dovedit totuși că, chiar și la temperaturi relativ scăzute, peste 2200 ° K, se observă rapid o pulverizare extrem de puternică a părului cărbunelui care duce la moartea sa. Deoarece una dintre cerințele esențiale pentru lampa este durabilitatea, temperatura a trebuit să fie limitată la aproximativ 2200 ° K, la care lampa poate ilumina 500-1000 ore.
Fig. 205. Lampa lui Lodygin.
La această temperatură maximă admisă, lampa de cărbune are o putere luminoasă de toate, prin urmare, o eficiență a luminii de aproximativ 0,5%.
Era natural să se aștepte ca pulverizarea părului să fie mai mică, mai departe de punctul de topire este substanța care alcătui filamentul. Cu toate acestea, metalele au descoperit o rezistență neașteptată la temperaturi ridicate. Din metalele refractare, tungstenul se deosebește în special prin pulverizarea sa mică. Având un punct de topire de aproximativ 3700 ° K, tungsten rezistă la temperaturi ridicate mult mai mari decât cărbunele. Această proprietate a dus la utilizarea pe scară largă a tungstenului pentru filamentele lămpilor incandescente, în ciuda proceselor tehnologice complexe asociate procesării sale.
In 1890, A. N. Lodygin brevetat lămpi incandescente cu fir metalic (Fig 205.) Din tungsten, molibden și alte metale refractare (de exemplu II, § 27, 1959;.... Înainte de Ed § 33).
În tuburile vidate cu filament de tungsten sau, așa cum sunt ele numite, un păr economic este încălzit până la 2500 ° K cu aceeași durată de viață ca o lampă de cărbune.
tungsten incandescentă are un alt avantaj față de mangal: ca orice metal, acesta prezintă la o temperatură dată prin radiație, alta decât negru, în primul rând, intensitatea și, pe de altă parte, prin compoziția sa spectrală. De exemplu, la o temperatură de 2500 ° K, radiația totală a tungstenului este egală cu radiația de negru
corpul având o temperatură de numai 1800 ° K, dar în același timp, distribuția de energie a spectrului emis de acestea corespunde unui corp negru la o temperatură de 2560 ° C. Din punct de vedere k. n. d. o valoare mică a radiației totale nu este important, corpul ca radiind slab necesită în consecință un consum redus de energie pentru încălzire. Diferența în compoziția spectrală a radiației este importantă; aceasta se numește selectivitatea radiației: în același interval de temperatură de tungsten emite, la distribuția corespunzătoare de corp negru la temperatura mai ridicată. Modul în care acest lucru afectează luminozitatea poate fi văzut din tabel.
Dependența de întoarcere la lumină a temperaturii
Astfel, filamentul metalic poate crește semnificativ luminozitatea lămpii datorită temperaturii ridicate admise și datorită selectivității radiației. Din alte metale refractare (tantal, osmiu, rodiu) tungsten diferă radiație de înaltă selectivitate, temperatură de topire ridicată și sputtering scăzută la o temperatură apropiată de punctul de topire. Producția de lumină a unei lămpi cu păr de tungsten atinge ceea ce corespunde unei eficiențe de puțin mai mult de 1%.
Pulverizarea metalelor încălzite limitează posibilitatea unei creșteri suplimentare a temperaturii. Experiența arată că un fir metalic încălzit înconjurat de un gaz este mult mai puțin atomizat. Desigur, pentru aceste experimente se utilizează gaze inerte (azot, argon) care nu se alătură substanței filamentului.
Temperatura filamentului admisă rata de pulverizare (500-1000 de ore pe parcursul vieții cu filament) poate fi redusă la 3000 ° K sau chiar mai sus, totuși, în acest caz, practic, lampa nu este alveolară încă economic: efect al gazului care circulă într-un balon de răcire, este atât de mare încât, pentru a realiza Temperatura necesară necesită un curent foarte ridicat.
În 1913, Langmuir a construit o lampă plină cu gaz, care avea o ieșire a luminii mai mare decât un vid. Acest rezultat a reusit sa realizeze dupa ce a fost luat ca o grosime a firului de tungsten cu filament
Răcirea filamentului are loc de la suprafața sârmei, eliberarea căldurii pe măsură ce trecerile curente au loc în volum,
în consecință, filamentele groase ar trebui să fie mai avantajoase, deoarece raportul lor de volum la suprafața este mare. Cu toate acestea, o lampă cu o grosime a filamentului necesită un curent imens pentru incandescență, zeci de amperi, care în funcționare este inacceptabilă. În consecință, filamentul trebuie să fie fin și, în același timp, raportul volumului încălzit la suprafață trebuie să fie mare. Pentru a rezolva această contradicție, Langmuir a sugerat utilizarea unui fir spiralat.
Fig. 206. Firul lămpii cu gaz
lămpi umplute cu gaz moderne (numite adesea poluvattnymi) au păr de metal laminate într-o spirală strânsă cu 10-20, uneori, se aprinde (fig. 206). În apropierea filamentului incandescent se formează un strat subțire de gaz fixat, iar transferul de căldură are loc numai din cauza conductivității sale termice; această circumstanță face ca helixul să fie un tub solid similar. Cu cât sunt mai dense spiralele, cu atât mai avantajos este acest lucru, din moment ce suprafața de gazare este mai redusă.
Fig. 207. Firul lămpii bispirale.
Recent, au fost fabricate lămpi cu răsucire dublă a unui fir (Figura 207) - lămpi bispirale. Eficiența luminii a lămpilor bispirale este cu 20% mai mare decât lămpile cu o singură spirală.
Gazul care umple becul lămpii trebuie să fie cât mai puțin posibil conductiv termic. În acest sens, argonul este mult mai favorabil decât azotul. În prezent, este utilizat pe scară largă, în special pentru umplerea lămpilor de mare putere. Chiar mai avantajos este amestecul de krypton cu xenon - gaze inerte extrem de grele. Utilizarea unui amestec de crispton-xenon pentru lămpile cu putere redusă dă o creștere a producției de lumină de aproximativ 30%. (cu o singură spirală).
Eficiența costurilor de umplere cu gaze este evidentă din tabelul (pagina 228), care include lămpi moderne și cele mai avansate cu gaz.
Conform standardului, lămpile nu indică acum puterea luminii, ci fluxul luminos. Puterea medie a luminii poate fi obținută prin împărțirea fluxurilor în
Cea mai mare eficiență a lămpilor cu incandescență atinge abia 5% (figura 208). Iluminând o lampă electrică, îi aducem energie electrică, cea mai mare parte fiind disipată sub formă de radiație termică invizibilă. Radiația termică a lămpilor cu incandescență
Caracteristica lămpilor cu gaz
chiar și în ultimii ani a primit aplicații practice importante. A fost foarte economic să se usuce diverse obiecte cu ajutorul razelor infraroșii emise de lămpile incandescente. La întreprinderile din industria automobilelor au existat instalații pentru uscarea în infraroșu a corpurilor de autoturisme vopsite (fig.209). Aceleași fabrici funcționează cu succes în industria aviației și a industriei electrice.
Fig. 208. Distribuția relativă a energiei în spectrul radiației tungsten la K (sau corpul negru la ieșirea luminii - zona albă
Am văzut că o anumită îmbunătățire a lămpilor cu incandescență face posibilă creșterea temperaturii; dar va continua numai până la 6700 ° K, când poziția în spectrul maxim de emisie coincide cu cele mai puternice ale ochilor razele verzi La temperaturi mai mari, luminozitatea va continua să crească, în timp ce eficacitatea luminoasă începe să scadă la corpul negru în legătură cu miscarea ulterioara a regiunii celei mai mari radiatii catre undele scurte. În acest caz, eficiența luminoasă maximă a radiației la o temperatură egală cu 6700 ° K este de 14%. Selectivitatea radiațiilor de substanțe este prea nesemnificativă pentru a schimba situația în orice mod semnificativ. În plus, cu creșterea temperaturii, corpurile încălzite prin radiația lor
proprietățile abordează corpul absolut negru. Astfel, 14% reprezintă limita superioară a eficienței luminii pentru toate sursele de temperatură ale luminii.
Temperaturi mai mari de solide dă un arc electric între electrozi de carbon, deschis V. Petrov în 1802 (vol II, § 1 și 48, 1959 g.. înainte de Ed § 55..).
Într-un arc convențional de cărbune cu o intensitate curentă de 10-20 A, numai 5% din fluxul luminos este radiat de arcul propriu-zis; Restul de 95% cade pe ponderea temperaturii strălucite a cărbunelui.
Fig. 209. Tunel pentru uscarea autoturismelor cu raze infraroșii.
Dacă arcul arde la un curent constant, electrodul pozitiv este bombardat cu electroni și ioni negativi, care rezultă din deversarea străluciri deosebit de luminos. Craterul electrodului pozitiv (cavitatea formată în el) emite 85% din fluxul luminos total. Doar 10% cade pe catod. Suprafața electrozilor este încălzită la o temperatură extrem de ridicată. In temperatura craterului arc de carbon depășește în timp ce la catod este puțin peste 3000 ° C. Ca urmare, craterul radiatii considerabil mai intense decât catod.
În așa numitul arc intenționat (Figura 210) cu o intensitate enormă de curent (150-300 A), temperatura craterului atinge uneori 5000 ° K,
și luminozitatea - (tungsten la 3000 ° K are o luminozitate de numai 1257 sb). La o presiune a aerului deasupra lui Lummer, a fost posibil să se obțină o temperatură anodică de 5900 K, adică aproape egală cu temperatura suprafeței soarelui din anteriorul. ed. § 55).
Fig. 210. Arc de ardere intensă.
Din partea energiei, eficiența emisiilor de arce este extrem de mare în comparație cu lămpile cu incandescență. Cu toate acestea, performanțele lor sunt scăzute datorită necesității de a aplica o rezistență consistentă și un echipament complex asociat convergenței continue a cărbunelui ars. Arcurile electrice sunt de obicei folosite atunci când este necesară o sursă de lumină cu o luminozitate foarte ridicată (în proiectoare).
În Fig. 211 prezintă distribuția energiei în spectrul de emisie a arcului de ardere intensă. Maximele individuale corespund benzilor spectrale ale moleculelor formate în timpul arderii (de exemplu, moleculele cianogene
Fig. 211. Distribuția energiei în spectrul arcului de combustie intensă: a este arcul intens cu un corp negru la
Recent s-au folosit arce grele, în care descărcarea trece printr-un canal îngust format de un strat de apă care curge de-a lungul suprafeței interioare a unei conducte de metal. O limbă de plasmă izbucnește dintr-un astfel de tub, în care temperatura ajunge la 10.000-15.000 °. Cu toate acestea, ca surse de lumină, cum ar fi un arc de puțin timp cât consumă mai multă putere ajunge la mii de kilowați sunt voluminoase și construcția lor nu oferă o utilizare bună a fluxului luminos emis porțiuni luminoase cu descărcare. Arce de mare putere sunt utilizate în principal ca surse de temperatură ridicată (în special pentru testarea termică a materialelor).
Arcurile electrice ale unui dispozitiv special, în care radiația spațiului interelectrode joacă un rol important în fluxul luminii globale, sunt discutate mai jos (§ 76).
Folosind strălucirea gazelor, sa rezolvat problema creării de surse de lumină rece, care au o eficiență luminii foarte ridicată și dau lumină aproape de lumina zilei.
În scopuri fotografice, sursele de lumină pulsată prezintă un interes deosebit, dând lumină strălucitoare de lumină foarte scurtă pe termen scurt (flash-uri foto). Astfel de rachete sunt obținute ca urmare a descărcării unui condensator cu capacitate mare (de ordinul a 1000 μF) printr-o lampă adecvată cu descărcare în gaz. În funcție de designul lămpii și schema de alimentare, este posibil să se primească blițuri de durată de la până la secunde.
În Fig. 212 este o diagramă schematică a aprinderii unei lămpi cu impulsuri. Condensatoarele primesc o încărcare de la baterie atunci când comutatorul 1 este închis.
Fig. 212. Diagrama de pornire a unei lămpi cu impulsuri,
Timpul scurt de contact de filmare și comutator 2 sincronizare cu descărcările condensatorului prin înfășurarea primară a transformatorului de impuls care cauzează ionizare a gazului în tubul de impulsuri prin care condensatorul este descărcat instantaneu Ca rezultat al acestei lămpi este obținut bliț lumină puternică (durata msec). Compoziția spectrală a flarei este aproape de compoziția spectrală a luminii solare. După 5-10 secunde, condensatoarele sunt reîncărcate și lampa este pregătită pentru o altă bliț (lumina de avertizare se aprinde
Trimiteți-le prietenilor: