Как найти температуру нити лампы накаливания

Теоретическая часть

Тема: Определение температуры нити лампы накаливания.

Цели и задачи:Определить температуру нити лампы накаливания по вольтамперной характеристике.

Приобретаемые умения и навыки: планирование проведения опыта; выбор наиболее оптимальных способов проведения эксперимента, конструирование установки по схеме; проведение наблюдения; снятие показаний с физических приборов; составление таблиц зависимости величин; оценивание и вычисление погрешностей измерений; анализ реальности полученных результатов, сравнение полученных результатов с табличными значениями величины, написание отчета, и формулировка выводов по проделанной работе

Оснащение рабочего места:Лампа, амперметр, вольтметр, реостат ,ключ, провода, монтажная панель, соединительные провода.

Теоретическая часть

Зависимость электрического сопротивления металлов от температуры объясняется увеличением хаотичного движения ионов металла и оказания ими дополнительного препятствия установлению электрического тока в проводнике. Температуру нити лампы накаливания можно узнать, пользуясь зависимостью сопротивления от температуры: R_t = R₀(1+at). Для этого, измерив предварительно сопротивление нити лампы в холодном состоянии тестером, снять вольтамперную характеристику лампы. По найденным значениям силы тока и напряжения найти сопротивление нити и её температуру. Однако необходимо учесть, что сопротивление металлов зависит от температуры не совсем линейно. Особенно это становится заметно при больших перепадах температуры (как в данном случае). Поэтому, при измерении сопротивления в холодном состоянии выбирается a₁ = 5*10 ^{– 3} К^-1, а в горячем

a₂ = 5,8*10 ^{– 3}К^-1.

В настоящее время используется большое количество осветительных приборов. Широко внедряются энергосберегающие светильники. Несмотря на их широкий выбор, многие до сих пор применяют классические лампы накаливания различных мощностей. Простая конструкция лампы (колба, спираль, цоколь) определяет её небольшую стоимость.

Основные характеристики ЛН

В лампе накаливания преобразуется электрическая энергия, переходящая через вольфрамовую спираль в световую, тепловую. Большая часть мощности, которую имеет лампа, идет на выделение тепла. При работе происходит повышение температуры нити накаливания, вызванное её сопротивлением току. Высокая температура вольфрамовой нити (2600–3000 градусов Цельсия) приводит к уменьшению срока эксплуатации прибора. Для снижения времени перегрева вольфрамовую спираль размещают в стеклянной вакуумной колбе.

Емкость более совершенной галогенной лампы наполняется инертным газом. Для измерения, определения температуры нити берется температура прибора до включения в сеть, учитывается тепловой коэффициент сопротивления вольфрама, находится отношение тока включения к рабочему.

Полученная формула дает возможность определить уровень накаливания вольфрамовой нити во время работы. Спираль обладает высоким сопротивлением, поэтому быстро нагревается, передавая тепло колбе, цоколю.

Использование ЛН основано на их преимуществах перед другими типами светильников:

• свет появляется сразу после включения в сеть;
• небольшие размеры;
• низкая стоимость;
• экологически чистое изделие;
• стойкость к влажности окружающей среды.

Одновременно их использование сопровождается недостатками:

1. яркий свет, требующий в ряде случаев применения защитных очков;
2. нагретая колба, которая может взорваться при попадании на её поверхность воды. При контакте с обнаженным участком кожи возможен ожог;
3. при эксплуатации происходит большое потребление энергии;
4. не подлежат ремонту;
5. быстро заканчивается срок службы лампы из-за повреждения спирали при частом включении-выключении.

Тепловое состояние различных видов осветительных приборов

Зависит от потребляемой мощности источника освещения, времени использования, точек замеров (колба, патрон, основание). Температура лампы накаливания в 25 ватт составляет 100, 75-ватной — 250, колбы фотолампы – 550 оС.

Основные показатели иных моделей светильников

Широкое распространение имеют люминесцентные, представляющие собой трубкообразную герметическую колбу, наполненную парами ртути, инертным газом. Электрический заряд создает в парах ртути ультрафиолетовое излучение, преобразующееся при помощи люминофора в видимый свет.

Энергосберегающая характеристика позволяет применять 5-В люминесцентную вместо 60-ватовой накаливания. Максимальный нагрев у основания колбы 15-ватных люминесцентных ламп составляет 139, по всей поверхности – чуть выше 70 оС. Недостатком является постоянное, чуть заметное мерцание, негативно влияющее на органы зрения человека.

Светодиодные лампы выпускаются в различных вариантах, имеют низкий нагрев из-за алюминиевого корпуса, теплорассеивающей пластмассы. Температура светодиодных ламп составляет около 65 оС, что выделяет их среди ламп накаливания и люминесцентных. Кроме того, энергопотребление такого источника освещения на порядок меньше лампы накаливания, на 35 % ниже люминесцентной. Работа светодиодных светильников при низких температурах не отражается на качестве освещения. Это позволяет в различных климатах использовать светодиодные лампы как оптимальные. Круглогодичный режим работы негативно влияет на интенсивность распределения световой энергии. Время жизни лампы зависит от качества сборки, условий её эксплуатации, неисправности электропроводки, светильника. Светодиодная лампа греется при работе – около 60 % электрического тока рассеивается в виде тепла, которое отводится радиатором из материала с высокой теплопроводностью. Отсутствие большого нагрева лампы Gx53 позволяет её устанавливать на подвесных потолках без опасения возгорания.

Преимущества эксплуатации

Особенностями применения светодиодных устройств являются:

• прочная конструкция. Внутренности пробора защищены прочным металлическим корпусом, противоударным термопластовым стеклом;
• экологическая чистота. Прибор не содержит ртути, иных вредных веществ. Полностью безопасен для человека;
• экономическая выгода. Применение позволяет экономить на электропотреблении, регулярном обслуживании, частой замене вышедших из строя светильников. Могут при непрерывной работе безаварийно прослужить около 100 000 часов;
• оптическая система обеспечивает равномерность освещения, не создает полос, пульсаций. Осветительный прибор не реагирует на частые перепады напряжения, возникающую вибрацию. Светодиодные с цоколем Е27 служат для замены ЛН. Чтобы узнать, какие светодиодные лампы обладают повышенной мощностью, необходимо использовать таблицу соответствия мощностей источников света (200 Вт в лампе накаливания соответствуют 25–30 Вт светодиодной).

Недостатком устройств является их высокая стоимость. При длительном использовании положительные качества приборов дают ощутимую финансовую экономию.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили светодиоды – полупроводниковые приборы, преобразующие электрический ток в световой и создающие оптическое излучение. Температура светодиодов зависит от управляющего тока, качества теплоотвода, нагретости окружающей среды. Практически температура приборов не превышает 60 оС.

Энергосберегающие источники света

Широкую популярность при монтаже освещения приобретают гибкие ленты с размещенными печатными платами, светодиодами. Источником является электрический ток 12 вольт напряжения. Применение более высокого вольтажа (24 В) позволяет уменьшить температуру нагрева, увеличить длину запитки использованной ленты. Температура светодиодной ленты не превышает +45 градусов Цельсия. Рабочая температура -40…80 оС не отражается негативно на её работе. Низкое электропотребление позволяет считать ленту прекрасным заменителем люминесцентных ламп. Схема подключения простая: анод соединяется с плюсом источника тока, катод – с минусом. При неправильном подключении схема не работает, требует переключения. Электрическая энергия переходит на светодиоды и не должна превышать 80 % указанной мощности блока питания.

Эксплуатировать ленточное освещение можно как рекламную подсветку, для создания разноцветного освещения фасадов зданий, витрин магазинов. В кристалле светодиода появляются примеси, с которыми связана яркость свечения. Через некоторое время она снижается. Срок службы ленты заканчивается, когда свечение поверхности уменьшается на треть от первоначальной, и не зависит от времени, указанного в технической документации. Практика показывает, что выдерживает светодиодная лента около 10 000 часов эксплуатации. Её качество освещения изменяется только после четырех лет применения.

Преимущества лент, повышающие их популярность

Современный искусственный источник света имеет преимущества перед другими используемыми световыми светильниками:

1. небольшое потребление электроэнергии;
2. одномоментное с включением зажигание диодов;
3. мизерная теплоотдача;
4. широкий диапазон рабочих температур;
5. высокая светоотдача;
6. большой срок эксплуатации.

Используя характеристики применяемых в настоящее время световых светильников, можно сделать вывод, что наиболее высокая потеря мощности из-за нагрева присуща лампам накаливания. Их использование увеличивает расходы на оплату электроэнергии, на приобретение часто выходящих из строя источников света. Наиболее привлекательными, экономически обоснованными источниками освещения являются энергосберегающие светильники. Для освещения больших площадей перед жилыми корпусами, дорожными трассами, витринами супермаркетов наилучшими являются светодиодные ленты. Их применение дополнительно создает атмосферу праздника, хорошего настроения.

You really are asking two questions.

First – how do we calculate the temperature:

At the typical temperatures of a halogen bulb, the large majority of heat loss is due to thermal radiation (although there is some conductive loss in a halogen bulb as the bulb is not evacuated). Because of this, the most important factor is the “apparent size” of the filament. I say “apparent” because when you have a tightly wound coil, the parts of the coil facing other parts of the coil don’t contribute to a net heat loss.

If you took for example a 5 mm long, tightly wound filament with a mean diameter (after winding) of 0.5 mm, you would have a surface area of approximately $5·π·0.5 sim 8 textrm{ mm}^2$. If you had 10 W of emission, you would use the Stefan Boltzmann law to get the power per unit area:

$$I = sigma T^4$$

from which we get a temperature of

$$T = sqrt[4]{frac{10}{8cdot 10^{-6}cdot5.67cdot 10^{-8}}} approx 2100 K$$

Getting more accurate numbers is quite hard – there are lots of subtle effects (conduction down the support wires, heat lost to the filler gas, and “true effective area” to name just three).

Second – how do we measure the temperature. For such high temperatures, the disappearing filament pyrometer is very effective: you send a current through a calibrated filament, and compare its color against the color of the object of interest. When the filament “disappears” against the background, the temperatures are matched. Often, filters are used to do the comparison in a narrower range of wavelengths; the result can give resolution down to 10C according to the above linked article. There are obvious problems with this is the emissivity of the object of interest is very different than that of the filament – but if you are trying to determine the temperature of a filament that is not likely to be a problem.