Физика-2 СМИРНОВА МАРИЯ школа 179 г. Москва

Физика-2
«ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ И
СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
ИСТОЧНИКОВ СВЕТА РАЗЛИЧНЫХ
ТИПОВ»
СМИРНОВА МАРИЯ
школа 179 г. Москва
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ
АНДРЕЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ ТАРЧЕВСКИЙ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение ламп разных видов: накаливания, галогенных, люминесцентных, светодиодов, сравнение
основных характеристик ламп и их светимости.
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ
Сегодня очень важно беречь энергию, а значительную часть электроэнергии потребляет освещение
квартир, офисов, рекламных стендов и общественных мест. Поэтому улучшаются и создаются источники
света, КПД (освещенность в видимом спектре к потребляемой мощности) которых
был бы
максимальным.
До сих пор широко используются лампы накаливания, которые, как известно, не являются самыми
эффективными в смысле коэффициента преобразования энергии источниками света. Приобрели
большую популярность источники света, работа которых основана на газовых разрядах
(люминесцентные лампы). Есть и другие виды
ламп, например, светодиодные источники.
Представляется интересным изучить и сравнить количественные характеристики разных видов ламп.
ХОД РАБОТЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ОСВЕЩЕННОСТЕЙ:
На одном столе стоит отражатель, патрон, лампа. На расстоянии 4,3 м находится датчик света
(измеряющий ИК (1 микрон) и видимый спектр). Перед датчиком стоит сосуд с водой, который можно
отодвигать. Сосуд нужен для того, что бы «избавиться» от ИК, а отраженный водой свет мал по
сравнению со всем потоком. Так можно считать, что лампочка это точечный источник
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ МЕРЦАНИЙ:
В плотно закрывающемся ящике находится патрон для ламп и солнечная батарея (фиксирует также свет
в ИК-диапазоне), подключенная к осциллографу. Патрон подключается к сети переменного тока.
УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМП
Труба длинной 1.6 м, в которую с одного конца помещается датчик света цифровой лаборатории
«Архимед», а с другого лампочка. Расстояние между датчиком и лампочкой можно менять, (это нужно
т.к. изучаемые лампы светят с разной яркостью). Так же использовались датчики для измерения тока и
напряжения на лампочке.
Работа состоит из двух частей : первая - изучение разных ламп, вторая – сравнение ламп.
часть I
ИЗУЧЕНИЕ ЛАМП
1) ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Лампа накаливания состоит из вакуумированного или заполненного инертным газом баллона,
вольфрамовой нити накала, цоколя.
Изучалась лампа накаливания на 3,5 Вт , 12 В. С помощью установки с лабораторией « Архимед» были
«сняты» ток, напряжение и освещенность. Из этих данных получаем вольт-амперную характеристику,
зависимость освещенности от потребляемой мощности. Так же, воспользовавшись справочником
(считаем, что нить вольфрамовая) и зная её сопротивление при комнатной температуре, можно получить
зависимость температуры нити от её сопротивления.
Фрагмент таблицы из
справочника
Т. К
3700
3500
Зависимость
температуры от
сопротивления
нити накала
3300
3100
2900
2700
2500
2300
2100
1900
1700
1500
1300
1100
900
700
500
300
3
13
23
33
43
53
Если предположить что:
Применив закон Стефана - Больцмана получаем систему:
Решая её, получим, что:
63
73 R, Ом
Аппроксимируя ВАХ, получим
. Расхождение в теории и экспериментальных данных возможно
из-за того, что зависимость температуры от сопротивления «не совсем линейна» или из-за того, что нить
накала изготовлена из сплава.
Вольт-амперная
характеристика и её
аппроксимация
степенной
зависимостью
Зависимость освещенности
исследуемой лампочки от
потребляемой мощности.
Из этого графика видно, что "выгодно" использовать лампу при повышенном напряжении.
Построив график зависимости температуры нити накала от потребляемой мощности и сравнив значения
с температурой плавления, т.е. когда лампа перегорает, можно сказать, что лампа накаливания более
эффективна при повышенных температурах нити, и что существует некоторый компромисс между
яркостью и сроком службы, т. к. испаряется вольфрам.
2) ГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ
Отличие галогенных ламп от ламп накаливания, в том, что нить накала находится в галогеновой среде
(как правило, йоде). Эта среда позволяет повысить температуру нити. Когда вольфрам испаряется с нити,
он соединяется с галогеном и галоген, попадая на нить накала, разлагается на галоген и вольфрам,
который остается на нити.
Для нити накала галогенной лампы я получила:
Вольт-амперная
характеристика галогенной
лампы
Можно получить и зависимость температуры от сопротивления, но принципиально она не будет
отличатся от этой зависимости для лампы накаливания, т.к. это характеристика вольфрама.
3) ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
Люминесцентные лампы по своему подключению к сети бывают двух видов: «обычные»:
и компактные:
.
Отличаются они тем, что «обычные» вставляется в панель с дросселем и стартером.
А в компактные лампы встроена электрическая схема.
Видно, что в этой схеме есть диодный мост, т.е. ток
выпрямляется. Поэтому компактным лампам все
равно, подавать на них постоянный или
переменный ток.
Люминесцентные лампы - это газоразрядные лампы, поэтому их вольт-амперную характеристику можно
найти в каждом учебнике, она выглядит так:
А если посмотреть зависимость тока от времени, он будет выглядеть так:
Один период колебания тока в
люминесцентной лампе.
ИЗМЕНЕНИЕ ОСВЕЩЕННОСТИ ОТ ВРЕМЕНИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАМП
Освещенность
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Люминесцентная 11 Вт
Люминесцентная 11 Вт 4 месяца
Люминесцентная 11 Вт 7 месяцов
Видно, что лампы «тускнеют» в процессе эксплуатации.
«РАЗГОРАНИЕ» ЛАМП
Люминесцентные лампы разгораются постепенно.
Изучено разгорание компактных и «обычных» ламп.
Разгорание компактной лампы:
Освещенность
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
t, с
Разгорание «обычной» люминесцентной лампы:
20,5
Освещенность
20
19,5
19
18,5
18
17,5
17
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
t, с
4) Светодиоды
Светодиод - полупроводник с p-n переходом или контактом металл-полупроводник. При пропускании
тока создается оптическое излучение.
Светодиоды могут работать только на постоянном токе, т.к. при изменении полярности тока диод
пробивается.
Вольт-амперная характеристика:
У светодиода есть
пороговое напряжение,
до достижения
которого он не будет
светиться.
Зависимость освещенности от потребляемой мощности:
Видно, что невыгодно
использовать светодиод на
повышенных мощностях
Т.к. имелся светодиод малой мощности, я сравнила его с лампочкой мощностью 1,1 Вт.
Лампочка 1,1 Вт
Светодиод 0,86 Вт
40 Лк
31 Лк
Пересчитав освещенность на единицу мощности:
Светодиод
лампочка
36,0
36,3
Значит, светодиод светится так же, как и лампа накаливания.
Часть II
СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМП
1) ИССЛЕДОВАНИЕ МЕРЦАНИЙ
Здесь представлен размах колебаний в процентах от максимальной освещенности.
16%
размах колебаний
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
Люминесцентная
(компактная) 11 Вт
Люминесцентная «обычная»,
освещение школы
Галогеновая 60Вт
Лампа накаливания 150 Вт
Светодиод не мерцает, т.к. работает на постоянном токе.
Компактная лампа мерцает на любом токе, из-за своей схемы.
2) СРАВНЕНИЕ «ЭКВИВАЛЕНТНЫХ» ЛАМП
8
7
6
5
4
3
2
1
0
накалив ания 60 Вт
Люминесцентная 11 Вт
Галогенная 60 Вт
Лампа накаливания 40 Вт
3) СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАМП РАЗНЫХ ВИДОВ
Многие производители компактных люминесцентных ламп утверждают, что люминесцентная лампа на
11 Вт светит так же, как 60 Вт лампа накаливания.
Из экспериментов видно, что лампа накаливания светит на 26 % ярче, но галогенная лампа светит как
люминесцентная.
Но если сравнить освещенность на единицу потребляемой мощности, то можно сказать, что
люминесцентные лампы выгоднее.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
накалив ания 60 Вт
Люминесцент ная 11 Вт
Галогенная 60 Вт
Отношение освещенности к потребляемой мощности для различных видов ламп.
4) СРАВНЕНИЕ СПЕКТРОВ
Спектры, полученные мной
Спектры из литературы
Человеческий глаз наиболее чувствителен в зеленом спектре.
ИК излучение
Перед датчиком стоял фильтр – вода, который не пропускал ИК излучения.
Проведены измерения для галогенной лампы 150Вт и люминесцентной лампы 11 Вт.
Освещенность с фильтром
Освещение без филтра
Галогенная лампа 150 Вт
6 у.е.
13 у.е
Люминесцентная 11 Вт
5 у.к
6 у.е
Вывод: половина света регистрируемого солнечной батереей от галогенной лампы, находится в ИК
диапазоне. Для люминесцентных ламп 11 Вт излучения в ИК области нет. Небольшая разница показаний
для люминесцентной лапы обьясняется отражением и поглощением света в аквариуме.
СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ РАЗНОЙ
ПОТРЕБЛЯЕМОЙ МОЩНОСТИ
Зависимость освещенности от потребляемой мощности
Освещенность, Лк
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
N, Вт
Освещенность практически пропорциональна потребляемой мощности.
В опытах использовались лампы 40, 60, 75, 100, 150 Вт. Потребляемая мощность несколько ниже из-за
напряжения в сети 223В.
ИТОГИ РАБОТЫ
1)
Получены и изучены зависимости светимости светодиодов, галогенных ламп и ламп
накаливания от потребляемой мощности.
Лампы накаливания и галогенные лампы имеют близкие эффективности. В наших опытах лампы
накаливания оказались несколько более экономичными.
2) Изучена зависимость температуры нити накала от потребляемой мощности для ламп
накаливания и галогенных ламп.
При повышении температуры освещенность увеличивается, но срок службы уменьшается. Галогенные
лампы лучше приспособлены для работы при высоких температурах нити накаливания.
3) Выполнено сравнение эффективностей (отношение освещенности в видимом диапазоне к
потребляемой мощности) внутри классов ламп – накаливания, галогенных, люминесцентных.
Для ламп одного вида светимость практически пропорциональна потребляемой мощности.
4) Выполнено сравнение эффективности ламп накаливания и люминесцентных ламп.
Люминесцентные лампы значительно эффективнее ламп накаливания.
5) Изучено излучение люминесцентных, галогенных и ламп накаливания в ИК области
спектра.
Галогенные лампы и лампы накаливания сильно излучают в инфракрасном диапазоне, у
люминесцентных ламп излучение в ИК диапазоне почти отсутствует.
ЛИТЕРАТУРА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ САЙТЫ
1)Физические величины. Справочник под редакцией И.С. Григорьева - М.: Энергоатомиздат, 1991
2) Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. - М.: "Энергия", 1977.
3) Айзенберг Ю.Б. Энергосбережение в освещении - М.: Знак, 1999.
4) Варламов С.Д., Зильберман А.Р., Зинковский В.И. Экспериментальные задачи на уроках физики и
физических олимпиадах - М.: МЦНМО, 2009.
5) Статьи о светодиодах и свете. http://led22.ru/ledstat.html
6) Электронный журнал «Современная светотехника». http://www.lightingmedia.ru/