cw5-zrodla_swiatla.pdf

Ćwiczenie laboratoryjne: ELEKTRYCZNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

1. Wprowadzenie

Światło jest jedną z postaci energii. Zakres fal elektromagnetycznych odpowiadający promieniowaniu

widzialnemu obejmuje długości fal od 380 do 760 nm. Poniżej tego zakresu znajduje się promieniowanie

nadfioletowe, zaś powyżej - podczerwone.

Elektrycznymi źródłami światła (lub lampami elektrycznymi) nazywa się urządzenia przetwarzające energię

elektryczną na światło. Rozróżnia się źródła światła:

żarowe (inkadescencyjne), wykorzystujące zjawisko świecenia ciał stałych podgrzanych prądem elektrycznym

do odpowiednio wysokiej temperatury (żarówki),

wyładowcze, wykorzystujące zjawiska świetlne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego

w gazach; wyróżnia się źródła luminescencyjne, do których zalicza się lampy fluoroscencyjne (świetlówki)

oraz lampy wyładowcze (rtęciowe wysokoprężne oraz sodowe nisko- i wysokoprężne).

Lampy rtęciowe i sodowe stosuje się do oświetlania hal fabrycznych oraz oświetlenia zewnętrznego. Ich wadą

jest wysoka cena oprawy z dławikiem i kondensatorem, wielka luminacja i stroboskopowość. Lamp tych nie

stosuje się do oświetlania małych i niskich pomieszczeń ze względu na rażącą wzrok barwę ich światła.

Ponadto produkowane są lampy jarzeniowe wysokonapięciowe, lampy ksenonowe i łukowe, płyty

elektroluminescencyjne i inne.

Każde źródło światła wysyła strumień energii promienistej, który określa się nazwą strumień świetlny

i oznacza literą . Jednostką strumienia świetlnego jest 1 lumen (1 lm):

jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 sr (steradian - kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli,

wycinający z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi jej promienia) przez punktowe źródło światła o

światłości 1 cd (1 kandeli):

1 lm = 1 cd 1 sr

Kandela jest prostopadłą światłością 1/60 cm 2 powierzchni wzorca ciała doskonale czarnego

w temperaturze krzepnięcia platyny.

Strumień może oświetlać dany przedmiot padając bezpośrednio ze źródła lub po odbiciu np. przez sufit,

ściany czy odbłyśniki opraw oświetleniowych. Stosunek strumienia świetlnego

padającego na jakąś

powierzchnię do pola tej powierzchni S nosi nazwę natężenia oświetlenia E :

E =

Jeżeli wyrazimy strumień świetlny w lumenach, a powierzchnię w m 2 , to otrzymamy natężenie oświetlenia

w luksach (lx):

Natężenie oświetlenia wynosi 1 luks wówczas, gdy na powierzchnię 1 m 2 pada strumień świetlny 1 lumena:

1 lx = 1 lm / 1 m 2

Im większe jest natężenie oświetlenia na danej powierzchni, tym silniejszych wrażeń świetlnych doznaje oko

podczas jej oglądania. Wielkość, na którą reaguje bezpośrednio oko ludzkie nazywamy luminancją (dawniej

jaskrawością) i oznaczamy symbolem L [cd/cm 2 ].

Luminancja wyraża stosunek światłości źródła światła (pierwotnego lub wtórnego) w kierunku patrzenia, do

powierzchni rzutu ciała świecącego na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku.

1.1. Żarówki

Żarówka wytwarza światło wskutek rozżarzenia się żarnika pod wpływem przepływającego prądu

elektrycznego. We współczesnych żarówkach stosuje się wyłącznie żarniki wykonane w postaci skrętki lub

dwuskrętki z wolframu, którego temperatura topnienia wynosi ok. 3400 o C. Rozpylony wolfram osadza się na

ściankach bańki szklanej i zmniejsza jej przezroczystość. Wskutek tego w miarę używania żarówki emitowany

przez nią strumień świetlny maleje. Ze względu na rozpylanie się wolframu w wysokiej temperaturze bańkę

szklaną opróżnia się z powietrza (żarówki o mocy znamionowej do 25 W) lub wypełnia się gazem obojętnym

(azotem, argonem, kryptonem lub ksenonem). W zależności od konstrukcji żarówki temperatura pracy żarnika

wynosi około 2100 do 2700 o C; przy wyższej temperaturze żarnika uzyskuje się wyższą wydajność świetlną oraz

barwę światła zbliżoną do białej.

Bańki żarówek wykonuje się ze szkła przezroczystego, matowego lub opalizowanego. Żarówki z bańką

nieprzezroczystą charakteryzują się bardziej równomiernym rozpraszaniem światła i zmniejszoną luminancją, lecz

emitowany strumień świetlny jest mniejszy o 5 - 15 %.

Wydajność świetlna żarówek zasilanych napięciem znamionowym wynosi od 8 do 20 lm/W. Zasilanie

napięciem wyższym o 5 % od znamionowego powoduje zwiększenie strumienia świetlnego o 20 %, lecz

towarzyszy temu obniżenie o połowę (do około 500 godz.) trwałości żarówki. Sprawność (skuteczność świetlna,

wydajność świetlna) żarówek wynosi zaledwie 1,2 - 3 %, co oznacza, że tylko taka część mocy pobranej ulega

przemianie w światło, podczas gdy 97 - 99 % w ciepło. Miarą skuteczności świetlnej żarówki jest wartość

strumienia świetlnego przypadająca na jednostkę energii (1 W) zużytą przez żarówkę.

Wielkościami charakterystycznymi żarówek są: napięcie znamionowe, przy którym powinno się ich używać,

oraz pobór mocy przy tym napięciu. Wartości te producent najczęściej podaje na bańce szklanej, aby można było

je odczytać bez potrzeby wykręcania żarówki.

Żarówki włącza się do instalacji w układzie równoległym (wyjątek - komplety choinkowe). Napięcie

znamionowe żarówki powinno być równe napięciu sieci elektrycznej.

1.2. Świetlówki

Świetlówki (lampy fluorescencyjne) są to lampy rtęciowe niskoprężne wytwarzające światło w wyniku

wyładowania elektrycznego i fluorescencji zachodzącej w luminoforze, którym pokryte są wnętrza szklanych rur

lamp. Wyładowanie w rozrzedzonych parach rtęci (około 1 Pa) i gazie pomocniczym (argon o ciśnieniu 2,5-5 hPa)

wytwarza promieniowanie w zakresie widma niewidzialnego (185,0 i 253,7 nm). Odpowiednio dobrane

luminofory przetwarzają promieniowanie nadfioletowe na promieniowanie widzialne o pożądanej barwie światła

(dzienne, chłodnobiałe, białe lub ciepłobiałe).

Świetlówki wymagają opraw o odpowiednim wyposażeniu i układzie połączeń. Układ taki najczęściej

zawiera dławik stabilizujący oraz urządzenie zapłonowe (lampa neonowa z elektrodą bimetalową). W chwili

załączenia napięcia elektrody zapłonnika są otwarte. Prawie całe napięcie sieci pojawia się między elektrodami

zapłonnika. Niewielkie napięcie panujące w świetlówce jest zbyt niskie i nie wystarcza do zainicjowania

wyładowania w rurze. Występuje natomiast wyładowanie w zapłonniku. Wyładowania te nagrzewają elektrodę

bimetalową, która wygina się aż do zetknięcia z elektrodą stałą. Po zwarciu zapłonnika natężenie prądu w

obwodzie jest duże, co wywołuje rozżarzenie się elektrod świetlówki. Jednocześnie stygną i rozwierają się

elektrody zapłonnika. Powstający podczas przerwania prądu w obwodzie skok napięcia, wywołany samoindukcją

dławika, powoduje zapłon świetlówki.

Podczas pracy napięcie na zaciskach świetlówki wynosi około 100 V, co nie wystarcza do ponownego

zaświecenia lampki zapłonnika. Gdy zapłonnik jest źle dobrany lub uszkodzony i ma za niskie napięcie zapłonu,

może nastąpić ponowne zaświecenie lampki zapłonnika, nagrzanie jego elektrod i ich zwarcie - wtedy świetlówka

gaśnie, a po chwili następuje ponowny jej zapłon. Gdy świetlówka miga co kilka sekund - należy wymienić

zapłonnik.

Najczęściej stosuje się świetlówki o mocy 20 lub 40 W. Przy obliczaniu zapotrzebowania mocy przez

świetlówki należy uwzględnić całe urządzenie wraz z dławikiem; przykładowo - moc pobierana przez układ ze

świetlówką 40 W wynosi około 50 W.

Zalety świetlówki:

1. Skuteczność świetlna świetlówek wynosi około 30 - 60 lm/W, jest więc 3 - 4 krotnie większa niż skuteczność

świetlna żarówek.

2. Trwałość świetlówek jest większa niż żarówek i zależy od liczby włączeń; im dłuższy jest średni czas

świecenia przypadający na jedno włączenie, tym większa jest jej trwałość. W normalnych warunkach

eksploatacyjnych trwałość świetlówki wynosi około 2000 godz.

3. Niska temperatura świetlówki (ok. 50 o C) ułatwia konstruowanie opraw oświetleniowych.

4. Istnieje możliwość uzyskania dużej równomierności oświetlenia.

5. Luminancja świetlówek wynosi około 0,4-15 cd/cm 2 ; jest mała i nie razi wzroku nawet bez zastosowania

osłon.

Do wad świetlówek należy zaliczyć:

1. Duży koszt osprzętu (oprawa z dławikiem, zapłonnikiem).

2. Częste awarie zapłonnika.

3. Duże gabaryty świetlówek, zwłaszcza 40 W.

4. Strumień świetlny świetlówki pod koniec okresu jej eksploatacji jest prawie o 30% mniejszy od początkowego.

5. Zakres pracy świetlówek ogranicza się do temperatur pokojowych. Zarówno przy wzroście, jak i przy

obniżeniu temperatury skuteczność świetlna maleje. W temperaturze 0 o C ich wydajność świetlna maleje do

35-50 %, a zapłon jest utrudniony. Nie należy stosować świetlówek w pomieszczeniach, w których temperatura

przekracza 40 o C.

6. W czasie przejścia napięcia zasilającego przez zero (100 razy na sekundę) następuje przerwanie wyładowania

elektrycznego i zmniejszenie strumienia świetlnego do około 30-60 % wartości maksymalnej. Tętnienie

strumienia świetlnego może wywołać błędne wrażenia wzrokowe (tzw. zjawisko stroboskopowe ) . Tętnienie

światła można ograniczyć lub wyeliminować przez zasilanie lamp z różnych faz, włączenie kondensatora prze-

suwającego chwilę przejścia prądu przez zero w obwodzie jednej ze świetlówek lub zastosowanie opraw

zwiększających częstotliwość napięcia roboczego do kiloherców.

1.3. Warunki racjonalnego oświetlenia

Natężenie oświetlenia podczas wykonywania różnych czynności podają odpowiednie normy. Wymagania

norm są zróżnicowane w zależności od rodzaju źródeł światła i na ogół są większe przy oświetleniu świetlówkami

niż żarówkami. Przykładowe wartości wymaganego natężenia oświetlenia podano w Tabeli 1.

Jeżeli wymagane natężenie oświetlenia nie przekracza 100 lx przy oświetleniu żarówkowym lub 200 lx przy

oświetleniu fluorescencyjnym, stosuje się oświetlenie ogólne o żądanym natężeniu. Przy większych wymaganiach

natężenia oświetlenia dodatkowo stosuje się oświetlenie zlokalizowane samych miejsc pracy. Nie powinno się

stosować oświetlenia samych miejsc pracy bez oświetlenia ogólnego ze względu na powstawanie w

pomieszczeniach zbyt dużych kontrastów w natężeniu oświetlenia.

Ta bela 1. Przykładowe wartości wymaganego natężenia oświetlenia

Minimalne dopuszczalne natężenie

oświetlenia [lx]

żarówki

Rodzaj pracy

Przykład rodzaju pracy

świetlówki

mało dokładna

wyrób cegieł

średnio dokładna

prace montażowe

100

dość dokładna

prace ślusarskie, szycie na maszynie

100

200

dokładna

dokładne prace ślusarskie, kreślenie

200

300

precyzyjna

prace zegarmistrzowskie

500

700

Duże walory estetyczne i zdrowotne posiada oświetlenie światłem odbitym (od opraw, ścian czy sufitów), jest

ono jednak znacznie droższe w eksploatacji.

Przy doborze oświetlenia miejsca pracy należy uwzględnić następujące czynniki:

1. Natężenie oświetlenia powinno być tak duże, aby rozróżnianie szczegółów przedmiotów, a przy pracy biurowej

czytanie pisma, nie powodowało zmęczenia wzroku.

2. Oświetlenie nie powinno wytwarzać zbyt dużych kontrastów. Przejście z pomieszczenia ciemnego do jasno

oświetlonego powoduje przejściowe olśnienie wzroku. Przenoszenie wzroku z przedmiotów ciemnych na jasno

oświetlone powoduje zmęczenie oczu. Zmniejszenie kontrastów można osiągnąć przez jednoczesne

zastosowanie oświetlenia ogólnego całego pomieszczenia i oświetlenia miejscowego stanowiska pracy oraz

użycie opraw oświetleniowych.

3. Źródło światła nie powinno być zbyt jaskrawe. Gdy źródło punktowe wysyła duży strumień świetlny w

kierunku oka - powoduje olśnienie. Jaskrawość źródeł światła można eliminować przez stosowanie

odpowiednich osłon lub powiększenie powierzchni świecącej za pomocą kloszy z materiałów częściowo

przepuszczających światło.

4. Kolor światła ma wpływ na samopoczucie człowieka i zmęczenie wzroku; przyjemniejsze i mniej męczące są

odcienie żółte i różowe, zaś męczące - odcienie niebieskie i fiołkowe.

Zasady racjonalnego oświetlenia sprowadzają się do wyboru poziomu jaskrawości, zapewnienia

równomierności oświetlenia oraz unikanie olśnienia.

Pomiary natężenia oświetlenia wykonuje się przy użyciu światłomierzy cyfrowych - tzw. luksomierzy.

2. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych wielkości z dziedziny oświetlenia elektrycznego oraz budowy

i działania sztucznych źródeł światła.

Zakres ćwiczenia obejmuje:

wyznaczenie charakterystyki żarówki,

wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej i prądowo-napięciowej świetlówki,

pomiary natężenia oświetlenia w pomieszczeniu laboratoryjnym.

3. Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników

3.1. Charakterystyka prądowo - napięciowa żarówki

Charakterystykę prądowo-napięciową żarówki wykonuje się w układzie przedstawionym na Rys. l. Żarówka

stanowi typową rezystancję nieliniową, więc w celu wykreślenia charakterystyki należy wyznaczyć co najmniej 10

punktów. Pomiary wykonuje się dla zimnej (nie pracującej) żarówki, najpierw zwiększając wartość napięcia

zasilającego od zera do około 1,2 U n , a następnie zmniejszając napięcie od 1,2 U n do zera. Napięcie reguluje się za

pomocą autotransformatora AT. Typ żarówki i zakres pomiarowy poda prowadzący ćwiczenie.

Rys. 1. Układ do wyznaczania charakterystyki żarówki:

AT - autotransformator regulacyjny, Ż - badana żarówka

Zakres czynności obejmuje:

zmontowanie zestawu pomiarowego zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.l i ustawienie pokrętła

autotransformatora w położeniu ,,0",

zanotowanie danych znamionowych badanej żarówki,

akceptację połączeń przez prowadzącego ćwiczenie,

włączenie autotransformatora do sieci prądu przemiennego 230 V,

włączenie zasilania układu pomiarowego (włącznik 0 –1 w położenie 1),

zwiększenie pokrętłem autotransformatora napięcia zasilającego żarówkę do podanej wartości

i zanotowanie w tabelce (Tabela 3.1) napięcia U i natężenia prądu I,

wykonanie następnych pomiarów do wartości 1,2 U n i z powrotem do zera,

wyłączenie zasilania i rozmontowanie zestawu pomiarowego.

Tabela 3.1. Wyniki pomiarów charakterystyki żarówki

Dane znamionowe żarówki: . . . . . V, . . . . . W, typ . . . . . .

Parametry

L.p.

Uwagi

U [V]

I [A]

R [

]

...

Na podstawie uzyskanych wyników należy wyznaczyć charakterystyki: I = f(U) i R = f(U), wyznaczyć napięcie,

przy którym rozpoczyna się żarzenie włókna żarówki i jej świecenie oraz skomentować rezultaty badania.

3.2. Charakterystyka zewnętrzna i prądowo - napięciowa świetlówki

Charakterystyka zewnętrzna świetlówki wyraża się zależnością między napięciem na świetlówce (U św )

a napięciem zasilającym (U zas ): U św = f (U zas ). Charakterystykę prądowo-napięciową świetlówki opisuje zależność

między napięciem na świetlówce (U św ) a natężeniem prądu (I): U św = f (I). Zależności powyższe wyznacza się

w układzie przedstawionym na Rys.2. Po zmontowaniu zestawu pomiarowego, pomiary wykonuje się zwiększając

napięcie zasilające od zera do 220 V i z powrotem do zera (za pomocą autotransformatora AT) co 20 V, odczytując

każdorazowo wskazania woltomierzy V1 i V2 oraz amperomierza A. Wyniki pomiarów należy zanotować

w tabelce (Tabela 3.2).

Rys. 2. Układ do wyznaczania charakterystyki zewnętrznej świetlówki:

AT - autotransformator regulacyjny, W - wyłącznik, Z - zapłonnik, Dł - dławik,

V1, V2 - woltomierze, A – amperomierz.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: