Лекції зі "Світлотехніки"

Вплив атомів, іонів металів

Основною хімічною властивістю  металів є здатність їхніх  атомів легко віддавати свої валентні електрони і переходити в позитивно заряджені іони. Типові метали ніколи не приєднують електронів; їхні іони завжди заряджені позитивно.

Легко віддаючи при хімічних реакціях свої валентні електрони, типові метали є енергійними відновлювачами.

Здатність до віддачі  електронів виявляється в окремих  металів далеко не в однаковому ступені. Ніж легше метал віддає свої електрони, тим він активніше, тим енергійніше вступає у взаємодію з іншими речовинами.

Опустимо шматочок цинку  в розчин якої-небудь свинцевої солі. Цинк починає розчинятися, а з розчину виділяється свинець. Реакція виражається рівнянням:

Zn + Pb(NO₃)2 = Pb + Zn(NO₃)2

З рівняння випливає, що ця реакція є типовою реакцією окислювання-відновлення. Сутність її зводиться до того, що атоми цинку віддають свої валентні електрони іонам двовалентного свинцю, тим самим перетворюючи в іони цинку, а іони свинцю відновлюються і виділяються у виді металевого свинцю. Якщо надійти навпаки, тобто занурити шматочок свинцю в розчин цинкової солі, те ніякої реакції не відбудеться. Це показує, що цинк більш активний, чим свинець, що його атоми легше віддають, а іони сутужніше приєднують електрони, чим атоми й іони свинцю.

Витиснення одних металів з їхніх сполук іншими металами вперше було докладно вивчене росіянином ученим Бекетовим, що розташував метали по їх убутній хімічній активності в так називаний “витіснювальний ряд”. В даний час витіснювальний ряд Бекетова називається рядом напруг.

У таблиці №2 представлені значення стандартних електродних  потенціалів деяких металів. Символом Me+/Me позначений метал Me, занурений у розчин його солі. Стандартні потенціали електродів, що виступають як відновлювачі стосовно водню, мають знак “–”, а знаком “+” відзначені стандартні потенціали електродів, що є окислювачами.

Ряд напруг характеризує хімічні властивості  металів:

1. Чим менше електродний потенціал металу, тим більше його _{відбудовна} здатність.
2. Кожен метал здатний витісняти(відновлювати) з розчинів солей ті метали, що коштують у ряді напруг після нього.
3. Усі метали, що мають негативний стандартний електродний потенціал, тобто, що знаходяться в ряді напруг лівіше водню, здатні витісняти його з розчинів кислот.

Необхідно відзначити, що представлений ряд характеризує поводження металів і їхніх солей тільки у водяних розчинах і при кімнатній температурі. Крім того, потрібно мати через, що висока електрохімічна активність металів не завжди означає його високу хімічну активність. Наприклад, ряд напруг починається літієм, тоді як більш активні в хімічному відношенні рубідій і калій знаходяться правіше літію. Це зв'язано з винятково високою енергією процесу гідратації іонів літію в порівнянні з іонами інших лужних металів.

Металогенні (МГЛ) лампи – один із різновидів ламп високого тиску.

 

ЛЕКЦІЯ №8

3.Основи теорії випромінювання  стовпа розряду низького тиску  

Тліючий розряд

Тліючий розряд спостерігається тільки при низьких тисках (десяті й соті частки мм рт. ст.). Для збудження  тліючого розряду напруга між електродами повинна складати всього лише кілька сотень вольтів, а іноді й менше.

На практиці тліючий розряд можна  одержати, якщо до електродів, впаяних у скляну трубку, прикласти напругу. Поступово викачуючи повітря, можна спостерігати тліючий розряд у вигляді світної звивистої нитки, що простягнулася від катода до анода. Якщо тиск знижувати і далі, то нитка ставатиме дедалі товщою, поки нарешті вся трубка, крім ділянки біля катода, не буде заповнена однорідним свіченням, що зветься додатним стовпом.

Позитивний стовп не впливає  на підтримку розряду. Це відбувається в інших частинах трубки. На навколокатодному несвітловому проміжку (катодному темному просторі) відбувається сильне прискорення заряджених частинок (електронів і катіонів), що стають здатними вибивати електрони з катода Електрони, що вилітають, іонізують молекули газу. Услід за цим позитивні іони, що утворюються, спрямовуються до катода і вибивають із нього все нові електрони. Таким чином, знову відбувається іонізація і т. ін. Безперервність цих процесів дозволяє підтримувати тліючий розряд.

Якщо продовжувати викачувати із трубки повітря, то при тисках приблизно 1,3 Па свічення газу слабшає, але починають світитися стінки трубки. Природа цього свічення така. При низьких тисках імовірність того, що електрон зіштовхнеться з молекулою газу, дуже мала. Набагато частіше відбуваються зіткнення електронів зі стінками трубки. Вдаряючись об скло, електрони викликають свічення. Це явище називають катодолюмінесценцією.

Тліючий розряд широко використовується в багатьох областях техніки, але найактивніше – у виготовленні світних трубок для реклам, ламп денного світла і при напилюванні металів.

При виготовленні світних трубок немаловажну  роль відіграє той факт, що кожен  газ має специфічний колір  позитивного стовпа. Якщо трубку наповнити неоном, то свічення має червоний колір, якщо аргоном – синювато-зелений.

Катодне напилювання металів здійснюють, поміщаючи різні предмети поблизу катода. Речовина катода сильно нагрівається в тліючому розряді та переходить у газоподібний стан. Тоді всі предмети, що знаходяться поблизу, вкриваються рівномірним шаром того металу, із якого виготовлений катод.

Основи функціонування ртутних ламп низького тиску

Люмінесцентні, або газорозрядні дугові ртутні низького тиску лампи наповнені  парами металів і аргоном, що перебувають  під тиском 0,4–0,5 кПа (3–4 мм рт. ст.). Світіння настає тільки при нагріванні електродів (вольфрамова нитка, покрита пастою з оксидів лужно-земельних металів) до 800–1000°С.

Останнім часом на виробництві  використовують люмінесцентні лампи  денного світла (ЛД), лампи денного світла з поліпшеною кольоропередачею (ЛДК), лампи холодного білого кольору (ЛХБ), лампи теплого білого (ЛТБ) і білого кольорів (ЛБ). Найближчим до природного світла є випромінювання ЛДК і ЛД. ЛБ дають випромінювання з меншим вмістом хвиль у синьо-фіолетовому діапазоні, їхнє світіння має жовтуватий відтінок. ЛХБ займають проміжне положення між ЛД і ЛБ.

Люмінесцентні лампи мають гігієнічні, світлотехнічні і економічні переваги порівняно з лампами розжарювання, а саме: 1) велику світловидатність (у 3–4 рази більшу), що зумовлює їхню високу економічність; 2) тривалий термін служби (4000–5000 год); 3) велику світну поверхню, яка забезпечує рівномірний розподіл освітленості в робочій зоні; 4) кольоропередачу, наближену до денного світла.

Крім позитивних якостей люмінесцентні  лампи мають і недоліки: пульсація  світлового потоку, шум дроселів, чутливість до температури навколишнього середовища.

 

Загальні властивості  розрядів

Газовий розряд – явище протікання електричного струму в газах.

Газ складається  із нейтральних атомів і молекул, тому для забезпечення електропровідності необхідне виникнення носіїв заряду – іонізація. Джерелом іонізації може бути зовнішне опроміннення високоенергетичними фотонами – ультрафіолетовими, рентгенівськими чи гамма-променями. Іонізація може виникнути також у сильному електричному полі, або ж за рахунок зіткнень із прискореними носіями заряду (ударна іонізація). Додатковим джерелом носіїв заряду може бути поверхнева іонізація, наприклад термоелектронна емісія з катоду.

При малих зовнішніх  електричних полях провідність  газів зумовлена зовнішніми джерелами  іонізації. Розряд, який виникає в таких умовах, називають несамостійним розрядом.

Розряди, які  виникають у сильних електричних  полях за рахунок іонізації, що виникає  при протіканні струму, називається  самостійним газовим розрядом.

Розрізняють наступні типи самостійних газових розрядів:

* Тліючий розряд

* Дуговий розряд

* Іскровий розряд

* Коронний розряд

Основною властивістю  газу є те, що він заповнює весь доступний  простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди змішуються. Газ – ізотропна  речовина, тобто його властивості не залежать від напрямку. Основною характеристикою газу є його густина, тобто маса газу в одиниці. Іншою характеристикою є тиск. За відсутності сил тяжіння тиск у всіх точках газу однаковий.

Основною властивістю  газу є те, що він заповнює весь доступний простір, не утворюючи поверхні. Гази завжди змішуються. Газ – ізотропна речовина, тобто його властивості не залежать від напрямку. Основною характеристикою газу є його густина, тобто маса газу в одиниці обєму. Іншою характеристикою є тиск. За відсутності сил тяжіння тиск у всіх точках газу однаковий (див. Закон Паскаля).

В полі сил тяжіння  густина й тиск не однакові в кожній точці, зменшуючись із висотою за барометричною формулою. Відповідно в полі сил тяжіння неоднорідною стає суміш газів. Важчі гази мають тенденцію осідати нижче, а легші – підніматися вгору. В полі тяжіння на будь-яке тіло в газі діє Архімедова сила, яку використовують повітряні кулі, заповнені легкими газами або гарячим повітрям.

Газ має високу стисливість – при збільшенні тиску зростає його густина. При зростанні температури розширюються. При стискуванні газ може перейти в рідину, але конденсація відбувається не за будь-якої температури, а за температури, нижчій за критичну температуру. Критична температура є характеристикою конкретного газу й залежить від сил взаємодії між його молекулами. Так, наприклад, газ гелій можна зрідити тільки за температури, нижчій від 4,2 К.

Існують гази, які  при охолодженні переходять у  тверде тіло, оминаючи рідку фазу. Перетворення рідини в газ називається випаровуванням, а безпосерденє перетворення твердого тіла в газ – сублімацією

Принцип роботи

При роботі люмінесцентної лампи між  двома електродами, що знаходяться на протилежних кінцях лампи виникає електричний розряд. У лампі, яка заповнена парами ртуті, змінний струм приводить до появи УФ-випромінювання. Це випромінювання невидиме для людського ока, тому його перетворять у видиме світло за допомогою явища люмінесценції Внутрішні стінки лампи покриті спеціальною речовиною – люмінофором, що поглинає УФ-випромінювання і виділяє видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок одержаного світла.

Найбільш поширеним видом розрядних  ламп є люмінесцентні лампи.

Люмінесцентна лампа газорозрядне джерело світла, світловий потік  якого визначається в основному світінням люмінофорів, нанесених на внутрішню поверхню колби, під впливом ультрафіолетового випромінювання розряду Люмінесцентні лампи широко застосовуються для загального освітлення. Їхня світлова віддача приблизно в 5 разів більше, ніж у ламп розжарювання.

Світильники з люмінесцентними  лампами, які мають електромагнітні пускорегулювальні пристрої (баласти), мерехтять з частотою 100 Гц, що може негативно впливає на зір. Цей недолік усунуто в світильниках, в яких встановлені електронні пускорегулювальні пристрої. Люмінесцентні лампи застосовуються для освітлення приміщень висотою до 5 м. Для освітлення більш високих приміщень (цехів, складів, басейнів) застосовують інші види розрядних лампи: ртутні, натрієві і металогалогенні.

Останнім часом набули поширення  компактні люмінесцентні лампи. Вони бувають двох типів:

з інтегрованим у лампу електронним пускорегулювальним пристроєм (баластом) і, відповідно, із звичайним цоколем; з окремим електронним пускорегулювальним пристроєм (зазвичай такі лампи застосовується в настільних і у вбудованих у стелю світильниках).

Енергоекономічні лампи

Енергоекономічні лампи  – під цю назву можна піднести такі види ламп: світлодіоди LED споживають не багато енергії, термін служби розрахований на 100000 годин; люмінесцентні лінійні і компактні лампи споживають в п’ять раз менше енергії, ніж звичайні лампочки, и світять в десять раз довше; галогенні лампочки випромінюють на 10–100% більге світла, наж звичайні, і час служби перебільшують в 2–5 раз

 

ЛЕКЦІЯ №9

Робота люмінісцентних ламп в електричних мережах у  різних схемах вмикання

Люмінесцентні лампи вперше були представлені в 1939 році на виставці у Нью-Йорку. Вони швидко стали популярними в магазинах, офісах й інших адміністративних будинках, оскільки використовували менше електроенергії, забезпечуючи необхідне освітлення. Однак, їх не часто можна було зустріти в домівках – мерехтіння, час вмикання, шум та розмір тих ламп не влаштовували господарів. У 80 роках знайшли спосіб зменшити розмір трубок й люмінесцентні лампи стали вже більш схожими до ламп розжарювання за своїм зовнішнім виглядом. Зараз же виробникам вдалося позбутися більшості недоліків, й енергозберігаючі лампи стають дедалі більш популярними, а звичайні лампи розжарювання планують заборонити у найближчі роки в багатьох країнах світу.

Принцип роботи енергозберігаючих  ламп

Люмінесцентні лампи містять всередині суміш парів ртуті та інертного газу. Внаслідок електричного розряду між електродами створюється електричне поле, яке викликає виділення парами ртуті ультрафіолетового світла. Аби ультрафіолетове світло перетворювалось на видиме, на внутрішні стінки лампи наноситься люмінофор (речовина, яка активно випромінює світло при дії електромагнітного, ультрафіолетового чи іншого виду випромінювання). Більш детально розглянути будову й навіть навчитися ремонтувати енергозберігаючі лампи можна тут.