ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ІНЕРТНОГО ГАЗУ НА ТЕПЛОВІ ТА ЕНЕРГЕТИЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП РОЗЖАРЮВАННЯ

Мета роботи: Дослідити вплив інертних газів, якими наповнюються лампи розжарювання, на їх електричні та світлотехнічні характеристики.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Під впливом високої температури матеріал тіла розжарювання випаровується. Нитка тіла розжарювання тоншає, електричний опір її збільшується, а випромінювання світла зменшується по причині зниження температури тіла розжарювання і у зв'язку з потемнінням колби внаслідок осідання на ЇЇ внутрішній поверхні частинок вольфраму.. Врешті решт спіраль перегоряє у найбільш тонкому місці. Відносна втрата маси тіла розжарювання, при якій воно перегоріло, називається критичною втратою маси q_Kp і виражається в процентах:

q_кр= [(G_o-G_τ)/С_о] 100%

де G₀ - початкова маса тіла розжарювання;

G_τ - маса перегорівшого тіла розжарювання. Процес розпилення тіла розжарювання визначається рядом факторів, і насправді набагато складніше, иііж тут написано. Одначе, при інших рівних умовах завжди справедливе твердження: чим більша швидкість випаровування вольфраму, тим менша тривалість горіння лампи. Тому однією з основних задач конструктора є створення умов, які б забезпечили найменшу швидкість випаровування матеріалу тіла розжарювання в лампі.

Цього можна досягнути, наприклад, підбором відповідного матеріалу для спіралі, одначе резерви тут хоч і є, але обмежені. Другий напрямок - створити в середині лампи (навколо тіла розжарювання) таке середовище, яке б сповільнювало випаровування вольфраму. Таким середовищем являються гази або їх суміші, які знаходяться при якомусь тиску. Характеристики наповнюючих газів, їх процентний вміст і тиск - найважливіші параметри середовища, яке оточує тіло розжарювання в лампі.

У вакумній лампі атоми вольфраму, відриваючись від поверхні тіла
розжарювання, не зустрічають ніяких перешкод і тому рухаються в просторі по
прямих лініях. Досягаючи поверхні колби, вони утворюють на ній темний,
відносно рівномірний осадок. В газоповній лампі тіло розжарювання оточено
інертним газом або сумішшю газів, які знаходяться при певному тиску. Молекули
інертного газу заважають дифузії атомів вольфраму, які випаровувалися, і
відкидають частину атомів, які відірвалися, назад на спіраль. У зв'язку з цим
випаровування тіла розжарювання у газоповній: лампі іде повільніше і

потемніння колб менше виражено, ніж у вакуумній лампі. Зменшення швидкості випаровування матеріалу тіла розжарювання - основне призначення газу, що наповнює лампу.

Швидкість випаровування вольфраму з поверхні прямолінійної вольфрамової нитки у вакуумі при температурі Т визначається співвідношенням:

m_τ = M/(St), (1)

де М - маса вольфраму, який випаровується за час t;

S - площа поверхні, з якої відбувається випаровування.

Якщо швидкість випаровування вольфраму у вакуумі m_τ, а в газі – m^’_τ,

m^’_τ = m_τ - m^’’_τ (2)

де m^’’_τ - швидкість повертання вольфраму на тіло розжарювання після

випаровування.

Рівняння (2) показує перевагу газоповних ламп у порівнянні з вакуумними,

що виражається у меншій швидкості випаровування вольфраму.

Одначе газ у лампі відіграє не тільки позитивну, але і негативну роль. При горінні газоповних ламп в газовому середовищі, яке оточує тіло розжарювання, має місце явище теплопровідності і конвекції. Теплопровідність зумовлена різницею температур тіла розжарювання та газу і здатністю газових молекул передавати одна одній при зіткнені енергію. Результат теплопровідності - передача теплоти від тіла розжарювання до зовнішньої границі оточуючого Його так званого стаціонарного (застійного) шару і далі до колби. Конвекція представляє собою направлене переміщення в різній степені нагрітого газу під впливом сили тяжіння. Приблизна схема конвекційних потоків в лампі, показана на рис. 3.1.

Рис. 3.1

а) прямокутник в центрі-це тіло розжарювання;

б) суцільні лінії - теплові потоки в середині лампи;

в) пунктирні лінії - теплові потоки навкруги лампи.

Конвекційні потоки захоплюють з собою (переважно вгору) частину-атомів
вольфраму, які відірвалися від тіла розжарювання, що зумовлює нерівномірне

потемніння колб газоповних ламп. Наявність процесів ™™£™™ °^ '
конвекції газів у газоповних лампах приводить до того, що температура колб у
них вища у порівнянні з вакуумними, де діє тільки нагрівання випромінюванням;
іншим виходить і розприділення температури по поверхні колб рис. 3.2. У вакуумних ламп різні ділянки колб нагріваються тим сильніше, чим ближче вони до тіла розжарювання, а у газоповних степінь нагріву окремих ділянок колби залежить ще й від теплопровідності і конвекції газів.

Газ, який наповнює лампу, відводить частину теплоти від тіла розжарювання і збільшує тим самим втрати енергії в в лампі. Втрати енергії визнані теплопровідністю і конвекцією, носять назву теплових втрат або втрат потужності через газ і позначаються Р_r. Для оцінки таких втрат вводять поняття відносних теплових втрат через газ:

К=P_n/P_л ,

Де P_л - потужність лампи.

Рис. 3.2. Температура колби і цоколя вакуумного і газоповного

Варіантів лампи 100 Вт, 220 В при однаковій температурі тіла

розжарювання:

1 – вакуум, 2,3,4, - технічний аргон при тиску 380, 400 та 500 мм. рт. ст.

Значення Р_r можна визначити експериментально як різницю потужностей, яку споживає лампа при нагріванні в колбі газового наповнення (Р_л.г..) і без нього (Р_л.н.) при однаковій температурі тіла розжарювання

Р_r = Р_л.г. – Р_л.н. (3)

Оскільки при цьому використовується одне і теж тіло розжарювання, то рівність його температури у вакуумному і газоповному виконанні лампи може бути встановлено по рівності світлових потоків.

Для газоповної лампи баланс потужності має слідуючий вигляд:

Р_л.г. = Р_фг + Р_т + Р_т, (4)

де Р_т - потужність, яка підводиться до ламп;

Р_фг - потужність, яка перетворюється у випромінювання;

P_т - потужність, яка відводиться тримачами і електродами.

Для вакуумних ламп втрати через газ Р_г ~ 0, тому

Р_л.в. = Р_ф.г. + Р_т (5)

З (4) і (5) можна отримати висновок, що при однакових температурі, розмірах і формі тіла розжарювання світлова віддача газоповної лампи світлова віддача лампибуде менша, ніж вакуумної η_в

η_в = (6)

З (6) випливає, що для підвищення світлової віддачі газоповної лампи необхідно підняти температуру тіла розжарювання до значення,вище того, яке воно мало у вакуумі, і знизити втрати потужності через газ. Останнє може бути досягнуто за рахунок:

а) забезпечення максимальної компактності тіла розжарювання;

б) вибору для наповнення лампи такого складу і тиску газів, яке забезпечило б найменшу теплопровідність середовища.

В загальному випадку умову доцільності наповнення лампи розжарювання загального призначення газом можна Сформулювати так: при незмінному строку служби світлова віддача лампи з газом повинна бути вище світлової відд^ач1 лампи без газового наповнення.

При виборі наповнюючого газу треба,щоб газ не вступав в хімічні з'єднання з матеріалом тіла розжарювання і іншими внутрішніми деталями лампи як в неробочому стані, так і під час горіння лампи. Така властивість притаманна інертним газам Аг, Кг, Хе, N2 і їх сумішам. В табл. 3.1 наведені основні властивості вказаних газів.

Таблиця 3.1

Промислове отримання газів здійснюється з атмосферного повітря шляхом виконання двох основних операцій:

1) зрідження повітря шляхом глибокого охолодження;

2) розділення рідкого повітря на складові частини, основаного на різниці температур кипіння і випаровування газів, які входять в склад повітря. Чим менше об'ємний вміст газу у повітрі, тим важче добувати цей газ і тим дорожче він коштує.

Чим більша молекулярна маса газу, тим в більшій степені він уповільнює випаровування вольфраму (рис. 3.3)

Рис. 3.3. рис. 3.4

При інших умовах швидкість випаровування в азоті складає 2…5%, а в аргоні 1,3...2% швидкості випаровування у вакуумі. Якщо прийняти швидкість випаровування в аргоні за 100%, то в криптоні вона складе 61 %, а в ксеноні 41%. Вибір газів з більшою молекулярною масою доцільніше також і з точки зору зменшення теплових втрат через газ. З ростом молекулярної маси газів знижується їх теплопровідність і відповідно зменшуються теплові втрати (рис. 3.4). Якщо прийняти теплопровідність аргону за 100%, то у кріптона складає 54%, а у ксенона 32%. У зв'язку з викладеним удосконалення газоповних ламп йшло по лінії застосування все більш "важких" газів. Зараз азот застосовується переважно лише в якості домішки до інших газів-наповнювачів для запобігання вимкнення в ламп електричного пробою через газ. Застосування в лампах кріптону і ксенону дозволяє значно вменшити розміри ламп, зберігаючи при цьому попередні температуру колби і цоколя і забезпечивши при цьому економію дорогих газів. Колбам кріптонових ламп придають форму грибка, що дозволяє розмістити тіло розжарювання на достатній віддалі від скла колби.

Прикладена до тіла розжарювання напруга створює електричне поле, а розжарене тіло розжарювання емітує електрони. Прискорені електричним полем, вони можуть іонізувати атоми газу, що може призвести до виникнення електричного розряду між кінцями тіла розжарювання. Це може призвести до перегорання тіла розжарювання. Тому до газів, якими наповнюють лампи, висувають ще одну вимогу, вони повинні мати достатньо високий потенціал іонізації для того, щоб напруга запалювання розряду в лампі U₃ перевищувала максимально можливі значення напруги на лампі.

На жаль, як видно з табл. 3.1, вказаній вимозі в меншій мірі задовольняють Аr, Кr, Хе - саме ті гази, які найбільш підходять для ламп розжарювання по світловій віддачі і строку служби. У зв'язку з цим лампи (особливо на напругу вище 36 В) не наповнюють чистими Аr, Кr, Хе. Длязменшення ймовірності виникнення розряду в лампі до вказаних газів додають невелику кількість N₂, який підвищує напругу запалювання розряду U₃. Одначе легкий і теплопровідний азот збільшує теплові втрати, тому добавка азоту повинна бути мінімальною. Чим менша робоча напруга і температура тіла розжарювання, тим меншу кількість азоту слід вводити в лампу. Наприклад, для біспіральних ламп на 127 В добавка азоту повинна бути 6-8%, а в лампах на 220 В - 10-12%. Для спеціальних низьковольтних ламп розжарювання прийнято застосовувати наступні дозування азоту з залежності від напруги лампи до 0,3 (при напрузі до 8 В), 1,5-2,5% (при 8-16 В), 4-6% (при 16-36 В).

Для зменшення швидкості випаровування вольфраму і зведення до мінімуму теплових втрат лампи розжарювання (ЛР) загального призначення потужністю 25 Вт і менше з тілом розжарювання з тонкої вольфрамової нитки діаметром менше 0,03...0,04 мм прийнято виготовляти вакуумними, а лампи більш потужні, з більш товстою вольфрамовою ниткою - газоповними.

Встановлено (рис. 3.3), що при будь-яких газах швидкість випаровування вольфраму знижується із збільшенням тиску в лампі, причому ця залежність найбільш яскраво виражена в межах до 150 мм. рт. ст.

1 гПа = 1,33 мм. рт. ст.

Рис. 3.5 Залежність строку служби від Рис. 3.6 Зміна світлової віддачі ламп

тиску наповнюю чого газу Г125-135-500 в залежності від

тиску наповнюючої газової суміші.

Зрозуміло, що уповільнення випаровування вольфраму при збільшені тиску газу супроводжується підвищенням строку служби ламп (при незмінній світловій

віддачі). На рис. 3.5 показана залежність строку служби від тиску наповнюючого газу, виміряна при кімнатній температурі. За 100% прийнятий строк служби при тиску наповнюючого газу 600 мм. рт. ст. З рис. 3.5 видно, що при збільшені тиску в дослідній лампі з 600 до 1200 мм. рт. ст. строк служби зріс на 40% при тій же

світловій віддачі.

Під оптимальним тиском даної газової суміші р_опт слід вважати такий тиск в працюючій лампі, при якому забезпечується максимальна світлова віддача при заданому строку служби. Значення оптимального тиску можна оцінити шляхом аналізу експериментально отриманих залежностей світлової віддачі від тиску в лампі при незмінному строку служби.

На рис. 3.6 показана така залежність для лампи Г 125-135-500, яка наповнена сумішшю 86% Аг + 14% N₂. З рисунка видно, що оптимальний тиск

лежить в області до 2255 мм. рт. ст.

Із збільшенням тиску газової суміші зростає напруга запалювання електричного розряду в лампі. Це досить позитивний факт, який дозволяє дещо знизити вміст азату в суміші і без погіршення електричної міцності ламп

підвищити світлову віддачу.

Чистота газового наповнення ЛР постійно змінюється внаслідок газовиділень скла. Це підсилює швидкість розпилення вольфраму. Інтенсивність газовиділень скла неоднакова при різних температурах (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Кількість газів ΔQ, які Рис. 3.8. Залежність строку служби

виділяються з скла при нагріванні низьковольтних ЛР від температури

колби: 1- аргонові ЛР, 2- вакуумні ЛР

Скло має початковий максимум газовиділення, який спостерігається при прогріванні скла при збиранні ламп менше 200 º, і вторинний максимум газовиділення, який наступає при 350...400 ºС, після проходження якого область починає безперервно виділяти гази. Між цими максимумами заходиться область “спокійного ” стану скла (200…300°С), при якій скло має мінімальне газовиділення. Треба підкреслити, що не слід добиватися дуже низької температури деталей з скла, тому що це призведе до збільшення розмірів ламп і їх подорожчанню.

ОПИС ДОСЛІДНОЇ ПАНЕЛІ ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Елементи, необхідні для виконання лабораторної роботи, закріплені на панелі, яка представляє собою три абсолютно одинакових лампи розхсарювання за формою і конструкцією, але одна з них вакуумна, друга-наповнена Аr, третя -Кr. Всі лампи закріплені в патронах і включені в мережу через вимикачі.

Крім вказаних трьох ЛР, на панелі закріплені також дві абсолютно одинакові ЛР, одна з яких не має скляного балона, це ЛР4 та ЛР5.

Всі необхідні для виконання лабораторної роботи прилади знаходяться на столі лабораторного стенда. Це ЛАТР, амперметри, вольтметр.

ЗАВДАННЯ

А. Виконується при підготовці до роботи

Визначити яскравість горіння ЛР різних типів в схемах рис. 3.9 та 3.10. ЛР абсолютно однакові за конструкцією і по потужності, але мають різне газонаповнення. Кожна з ЛР розрахована на напругу 4 В і струм 1 А. Типи ЛР для кожної бригади приведені в табл. З.2.

Рис. 3.9 Рис. 3.10

Таблиця 3.2

В. Виконується в лабораторії

Зібрати схему рис. 3.11 з абсолютно однаковими по формі і конструкції, але з різними наповненням газовою сумішшю ЛР.

Рис. 3.11

При замкнутих всіх трьох ключах К₁, К₂, К₃, плавно підвищуючи напругу,

зафіксувати:

а) яка з ЛР почне світитися першою, яка другою і яка третьою;

б) при замкнутому ключі К₁ і розімкнутих К₂ та К₃ підняти напругу до
таких значень, щоб ЛР1 почала яскраво світитися. За допомогою люксметра
зафіксувати величину освітленості (в поділках) і записати значення напруги,
струму і величину освітленості по шкалі люксметра;

в) при замкнутому ключі К₂ і розімкнутих К₁ та К₃ підняти напругу до
таких значень, щоб ЛР2 давала освітленість таку ж, як і ЛР1 в попередньому
досліді. Записати значення напруги та струму;

г) при замкнутому ключі К₃ і розімкнутих К₁ та К₂ підняти напругу до
таких значень, щоб ЛРЗ давала освітленість таку ж, як і ЛР1 в попередньому
досліді. Записати значення напруги та струму.

По результатам дослідів визначити, яка з ЛР вакуумна, яка аргонова і яка кріптована.

2. Зібрати схему рис. 3.12

Рис. 3.12

Плавно підвищуючи напругу зафіксувати, яка з ЛР горить найбільш яскраво, яка менш яскраво і яка тьмяно. Зробити висновки стосовно наповнення ЛГ.

3. Зібрати схему рис. 3.13.

Плавно підвищуючи напругу, слідкувати за яскравість свічення тіл розжарювання ЛР4 та ЛР5. Як тільки тіло розжарювання ЛР4 (без скляної з колби) почне трохи світитися, зафіксувати струм через ЛР і напругу на кожній з ламп.

Рис. 3.13

По результатам розрахунків потужностей, які споживають ЛР4 та ЛР5, яскравості свічення ламп зробити висновки.

4. Зібрати схему рис. 3.14.

Рис. 3.14

Таблиця 3.3

фіксувати якісно яскравість горіння ЛР4 і ЛР5 (В_лр4 та В_лр5)

По результатам табл. 3.3 побудувати на одному графіку залежності

R_лр4=f(U_м) та R_лр5= ψ(U_лк). Зробити висновки.

5. Підключити кип’ятильник, який знаходиться в банці з двома термометрами, до мережі. Слідкувати за показами термометрів. Воду гріти до тих пір, поки покази верхнього термометра не встановляться на позначці 95 град. Показа термометрів записувати в таблиці 3.4 кожні 5 хв під час нагрівання та остигання води. Побудувати та пояснити графіки залежності температури від часу.

Таблиця 3.4

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Розкажіть механізм перегорання тіла розжарювання ЛР.

2. Що таке критична втрата маси тіла розжарювання?

3. Назвіть шляхи зменшення ' швидкості випаровування матеріалу тіла розжарювання.

4. Розкажіть, як відбувається процес випаровування матеріалу тіла розжарювання у вакуумі і в середовищі інертного газу.

5. Від чого залежить швидкість випаровування вольфраму в ЛР?

6.Яку роль відіграє газ у ЛР (позитивну, негативну)?

7. Дайте визначення теплопровідності і конвекції.

8. Яка різниця між передачею тепла теплопровідністю, конвекцією і

випромінюванням?

9. Дайте визначення поняття - відносні теплові втрати через газ.

10. Запишіть вирази балансу потужності для вакуумних і газоповних ЛР.

11. У яких ЛР, вакуумних чи газоповних більша світлова віддача?

12. Чим треба керуватися при виборі наповнюючого газу для ЛР?

13. Як здійснюють промислове отримання газів з атмосферного повітря?

14. Назвіть основні властивості таких інертних газів,як N₂, Аr, Кr, Хе.

15. Як впливає молекулярна маса інертних газів на швидкість випаровування вольфраму?

16. Чому інертні гази, якими наповнюють ЛР, повинні мати достатньо

високий потенціал іонізації?

17. Яку роль виконує азот в ЛР?

18. Як залежить кількість азоту, який треба ввести в ЛР, від напруги

живлення ЛР?

19. Які ЛР виготовляють вакуумними?

20. Як залежить строк служби від тиску наповнюючого газу?

21. Як залежить строк служби ЛР від тиску наповнюючої газової суміші?

22. Що таке оптимальний тиск суміші наповнюючих газів ЛР і яке його

значення?

23. Яка залежність кількості газів ΔQ, які виділяються зі скла, від

температури?

24. Б яких межах повинна знаходитися температура колби ЛР?

25. Як впливає інтенсивність газовиділення скла і інших деталей ЛР на

строк служби?

ЛІТЕРАТУРА

Пляскин П.Б., Федоров В.В., Буханов Ю.А. Основы конструирования электрических источников света. -М.: Энергоатомиздат, 1983, -360с

Тимофеев Ю.П. и др. Преобразование света. -М.: Наука, 1985, 222с.

Лабораторна робота №4

Поиск по сайту: