Физические основы работы ЛН

Изучение зависимости температуры лампы накаливания от потребляемой мощности

Выполнил:

студент группы

14-АСБ

Кузьмин П.С.

Учебный шифр:

14-АСБ-206.

Санкт-Петербург

Цель работы:

1. Определение мощности электрической энергии, потребляемой лампой накаливания (ЛН) и изучение зависимости температуры нити ЛН от потребляемой мощности;

2. Определение геометрических размеров нити накаливания лампы.

Физические основы работы ЛН

ЛН представляет собой вольфрамовую нить, заключенную в вакуумный стеклянный баллон, по которой течет электрический ток. При прохождении тока увеличивается температура нити, и нить излучает энергию, в основном, в инфракрасном и видимом диапазонах длин волн.

При этом в лампе происходят процессы, соответствующие физическим законам:

1. Энергия электрического тока преобразуется в тепловую энергию по закону Джоуля-Ленца. При мощности тока

(1)

где - напряжение на лампе, I - сила тока в цепи питания ЛН; мощность теплового потока будет:

(2)

где R - сопротивление нити ЛН.

Так как сопротивление токопроводов значительно меньше сопротивления нити, то можно считать, что вся мощность тока преобразуется в тепловую на нити накала ЛН.

3. В соответствии с первым законом термодинамики нагревание нити приводит к увеличению энергии хаотического движения узлов кристаллической решетки, т. е. повышению температуры Т нити ЛН.

4. Температура ЛН могла бы возрасти до очень большой величины, если бы не существовало теплоотвода за счет контактной конвекции электропроводов и газовой среды и за счет лучеиспускания. Основным способом теплоотвода в ЛН является лучеиспускание. Согласно второму началу термодинамики осуществляется передача тепла от более нагретого тела (нити) к менее нагретому - стенкам ЛН. Этот процесс происходит до тех пор, пока не устанавливается динамическое равновесие между получаемой и излучаемой тепловой энергией.

Энергетической характеристикой теплового излучения нити ЛН служит Rэ интегральная излучательная способность нити Rэ. Rэ есть

величина потока энергии, испускаемого единицей поверхности излучающего тела в единицу времени по всем направлениям и во всем диапазоне частот излучения, измеряется в или в

Согласно закону Стефана-Больцмана, интегральная излучательная способность абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т.

(3)

где - постоянная Стефана-Больцмана.

Вольфрамовая нить не является абсолютно черным телом, поэтому излучение нити будет меньше, и это учитывается опытным коэффициентом к (к = 0,3), так что

Мощность теплового излучения ЛН будет:

(4)

где - площадь поверхности нити ЛН;

D - диаметр нити;

L - длина нити.

Как показано ранее, мощность излучения с достаточной для практики точностью равна мощности потребляемой электроэнергии, которая прямо пропорциональна абсолютной температуре лампы в четвертой степени Р ~ Т⁴ или

(5)

Это соотношение и следует экспериментально доказать в настоящей работе.

5.. Для определения температуры нити ЛН используется известная зависимость сопротивления металлического проводника от температуры:

(6)

где t - температура проводника, в °С;

R₀ — сопротивление нити при t = 0°С (дается на рабочем месте);

= 4,8 -10, k^-1 - температурный коэффициент вольфрама;

- сопротивление нити накала.

Температура нити по шкале Кельвина - Т = t + 273, К. Если ввести в (6) все указанные выше величины и соотношения, то получим формулу для определения температуры нити Т по шкале Кельвина:

(7)

Геометрические параметры диаметр D и длину L нити накаливания можно определить, используя следующие соотношения: Сопротивление металлической нити:

(8)

где - площадь поперечного сечения нити накала;

Ом·м - удельное сопротивление вольфрама при 0°С. Из (8)

(9)

Из формулы мощности теплового потока (4) следует

(10)

Совместное решение (9) и (10) дает значения D и L

Поиск по сайту: