Как найти температуру нити накала лампы

Как найти температуру нити накала лампы

Известно, что ток, проходящий через электрическую лампу в момент включения, в двенадцать раз превышает рабочий ток. Температура лампы до включения 25 градусов Цельсия. Температурный коэффициент сопротивления вольфрама 5,1×10-3град-1
Необходимо определить температуру вольфрамовой нити накаливания электрической лампы в рабочем состоянии.

Дано: n=12; t°1=25°C; α=5,1×10-3град-1
Найти: t°2-?

Решение
Применив закон Ома, запишем формулы для тока включения I1 и рабочего тока I2
I_1=U/R_1, а I_2=U/R_2,
где U – напряжение на лампе; R1 и R2 — сопротивление нити накаливания лампы, соответственно при температурах t°1 и t°2.

Находим отношение данных токов:
I_1/I_2={U/R_1}/{U/R_2}=R_2/R_1=n

Для определения R1 и R2 воспользуемся следующей формулой:

R_{t^circ}=R_0(1+{alpha}{t^circ}), тогда
R_1=R_0(1+{alpha}{t^circ}_1),
R_2=R_0(1+{alpha}{t^circ}_2),
R_2/R_1={R_0(1+{alpha}{t^circ}_2)}/{R_0(1+{alpha}{t^circ}_1)}.

Так как R_2/R_1=n, то 1+{alpha}{t^circ}_2=n(1+{alpha}{t^circ}_1).

Получаем формулу для определения рабочей температуры нити накаливания лампы

{t^circ}_2={n(1+{alpha}{t^circ}_1)-1}/{alpha}={12*(1+5,1*10^{-3}*25)-1}/{5,1*10^{-3}}=2157^{circ}C

Ответ: в рассматриваемом примере температура вольфрамовой нити накаливания электрической лампы в рабочем режиме равна 2157 градусов Цельсия.

Источник

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.

Что такое лампа накаливания

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.

Модель с вольфрамовой нитью

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.

Классификация ламп для освещения

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.

Нить накала

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.

Лампа накаливания фото прибора

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.

Энергосберегающие лампы

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.

Источник

                 
Муниципальное
бюджетное общеобразовательное учреждение

                 «Средняя
общеобразовательная школа № 2 п.г.т. Актюбинский»

                  Азнакаевского
муниципального района Республики Татарстан

                     Тема проекта:
«Определение температуры нити накаливания»

                                           Исследовательский
 проект по физике

                                                                  Выполнили:
Хусаинова И., Синица П.

                                                                            ученицы
8А класса  МБОУ

                                                                            «СОШ
№2 п.г.т. Актюбинский»

                                      Руководитель
проекта: Хисматова М.С., учитель физики

                                                
Азнакаево, 2015 год

                                                               Содержание

1.     Введение

2.     Практическая
часть

2.1. Расчет температуры
нити накаливания лампы

3.     Выводы

4.     Заключение

Список литературы

1.     Введение

       Температура
является одним из трех основных параметров, характеризующим состояние вещества.
В промышленности измерение температуры занимает до 80 % объема всех измерений. Температура
определяет степень нагретости тела, она характеризует тепловое состояние
вещества и пропорциональна средней кинетической энергии его молекул.

       На практике
измерение температуры непосредственно невозможно. Поэтому для измерения
температуры используют различные явления, происходящие под воздействием тепла,
например, расширение веществ, изменение электрического сопротивления, излучение
нагретых тел. Однако, количественная оценка возможна лишь при сопоставлении с
некоторой эталонной температурой.

Измерение
температуры любым из методов выполняется косвенно, т.е. значение измеряемой
температуры определяется по результатам прямых измерений другой физической
величины  – давления, термоэлектродвижущей силы, электрического сопротивления и
др.

Классификация
методов измерения температуры:

·       
Тепловое
расширение;

·       
Изменение
давления;

·       
Тепловое
излучение;

·       
Термоэлектрический
эффект;

·       
Изменение
сопротивления.

К  «измерениям»
относят последовательность действий, включающую констатацию наличия у объекта
некоторого свойства, качественную оценку этого свойства как определенной
величины, сопоставление величины, воспроизводимой на объекте, с единицей этой
величины, определение их количественного соотношения. С этих позиций имеют
право на существование как прямые, так и косвенные измерения.

Косвенными
измерениями называют расчет интересующей исследователя величины по известным
зависимостям, в которые входят величины, полученные прямыми измерениями,
например, измерения площадей таких плоских фигур, как треугольник или
параллелограмм.

Прямые и косвенные
измерения различают в зависимости от способа получения результата измерений.

Прямое
измерение
– измерение, при котором искомое значение физической величины получают
непосредственно. Примеры прямых измерений: измерение длины детали микрометром,
силы тока амперметром, массы на весах.

Косвенное
измерение
– определение искомого значения физической величины на основании результатов
прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой
величиной. Принципиальной особенностью косвенных измерений является
необходимость обработки (преобразования) результатов вне прибора (на бумаге, с
помощью калькулятора или компьютера), в противоположность прямым измерениям,
при которых прибор выдает готовый результат. Классическими примерами косвенных
измерений можно считать нахождение значения угла треугольника по измеренным
длинам сторон, определение площади треугольника или другой геометрической
фигуры и т.п. Один из наиболее часто встречающихся случаев применения косвенных
измерений – определение плотности материала твердого тела. Например, плотность ρ
тела цилиндрической формы определяют по результатам прямых измерений массы m ,
высоты h и диаметра цилиндра d, связанных с плотностью уравнением

ρ = m/ (0,25π d2
h).

Совокупные
измерения
– проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых
искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых
при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

Совместные
измерения
– проводимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин
для определения зависимости между ними. В качестве примера можно рассмотреть
одновременные измерения длин и температур для нахождения температурного
коэффициента линейного расширения.

Итак, мы, воспользовавшись
совместными и косвенными измерениями, узнаем температуру нити накаливания
лампы.

Цель:   измерить
температуру нити  накала косвенным методом,  изучить
зависимость сопротивления металлического проводника от температуры .

Гипотеза: возможно измерить
температуру нити накаливания лампы не применяя термометр.

Задачи
проекта.

1.     Определить
сопротивление нити накаливания в начальный момент.

2.     Определить
сопротивление нити спустя определенное  время.

3.     Найти
формулу зависимости сопротивления от температуры в теоретических источниках.

4.     Вывести формулу
температуру из формулы для зависимости сопротивления.

5.     Найти
значение температурного коэффициента сопротивления    

в таблице.

6.     Рассчитать
температуру нити накаливания.

Методы реализации
поставленных задач.

1.     Используя
лабораторное оборудование по электричеству собрать цепь, состоящую из источника
тока, лампы от карманного фонарика, соединительных проводов, амперметра и
реостата. Вольтметр присоединить к клеммам лампочки.

2.     Снять показания 
амперметра в начальный момент и спустя некоторое время.

3.     Снять  показания 
вольтметра в начальный момент и спустя некоторое время.

4.     Найти
сопротивление по формуле :

5.     Найти
сопротивление спустя некоторое время по формуле:

6.     Вывести из
формулы:

Формулу
температуры. 

Здесь используется
температурный коэффициент. Что же это такое?

Если при
температуре, равной  0 0С, сопротивление проводника равно R0
, а при температуре t  оно равно R  , то относительное изменение сопротивления,
как показывает опыт, приямо пропорционально изменению температуры t :   

Коэффициент
пропорциональности    α называют температурным коэффициентом сопротивления. Он
характеризует зависимость сопротивления вещества от температуры. Температурный
коэффициент сопротивления численно равен относительному изменению сопротивления
проводника при нагревании его на 1 градус. Для всех металлических проводников
коэффициент  α>0  и незначительно меняется с изменением температуры. Если
интервал изменения температуры невелик, то температурный коэффициент можно
считать постоянным и равным его среднему значению на этом интервале температур.

При
нагревании проводника его геометрические размеры меняются незначительно.
Сопротивление проводника меняется в основном за счет изменения его  удельного
сопротивления от температуры. Если в формулу       подставить
значения  R=ρl/s  и  R0=ρ0l/S  . Вычисления приводят к
результату     ρ=ρ0(1+αt)

Так как  α
мало меняется при изменении температуры проводника, то можно считать, что удельное
сопротивление проводника линейно зависит от температуры.

Увеличение
сопротивления можно объяснить тем, что, при повышении температуры увеличивается
амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки, поэтому свободные
электроны сталкиваются с ними чаще,теряя при этом направленность движения. Хотя
коэффициент   α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при
расчете нагревательных приборов совершенно необходим. Так сопротивление
вольфрамовой нити лампы накаливания увеличивается при прохождении по ней тока
более чем в 10 раз.

Из справочника
по физике   берем температурный кофэффициент   α=0,006  К-1

3. Практическая
часть

3.1.Расчет температуры
нити накаливания лампы.

1.    
Собираем
цепь из источника тока, лампы от фонарика, соединительных проводов, амперметра,
вольтметра и реостата.

2.    
Снимаем
показания  амперметра в начальный момент и спустя некоторое время.

3.    
Снимаем
показания  вольтметра в начальный момент и спустя некоторое время.

4.    
Нашли
формулу зависимости сопротивления проводника от температуры

5.    
Найдем
сопротивление в начальный момент по формуле        .

6.    
Найдем
сопротивление спустя некоторое время по формуле   

7.    
Рассчитаем
из формулы           температуру
нити.

8.    
Здесь  
температурный коэффициент  α=0,006  К-1

9.     Результаты
измерений приведены в таблице (Приложение 1)

4. Выводы.
Гипотеза
подтверждена.

     Мы измерили
температуру нити накала лампочки косвенным путем. Получили . Мы изучили зависимость сопротивления
металла от температуры. Убедились, что с ростом температуры, сопротивление
металла растет, сила тока и напряжение уменьшаются. 

5.Заключение.

Не используя
термометр, измерили косвенным путем температуру нити накаливания лампы. Таким
образом, мы с помощью изученной нами литературы, проведенных опытов, формул
смогли найти  метод для измерения температуры проводника не применяя термометр.

Проведение
косвенных измерений – один из методов познания в физике.

Список литературы

1.Справочник по физике и технике
.А.С. Енохович.

2.Физика 10 класс Г.Я. Мякишев,
Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский

3.Задачник 10-11 классов по физике.
А.П. Рымкевич.

4.www.newlitan.ru

5.studopedia.ru

Приложение
1

Результаты
проведенных измерений и вычислений

№ опыта

Сила
тока I,  А

Напряжение
U,  В

Сопротивление  
R,
Ом

Температура, 
t,
0С

1

     0,1

    5,2

    52

      20

2

    0,09

    5,19

   
57,66

     
222

Источник

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.

Источник

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: Rt = 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 – 3К-1.

Источник

Добавить комментарий