Колледж инновационных технологий и предпринимательства

ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Физика»

на тему:

«Изучение принципа работы люминесцентной лампочки»

Оглавление

Введение. 2

1.Основная часть. 3

1.1 История создания лампочки. 3

1.2 Основные элементы люминесцентной лампы. 5

1.3 Принцип работы люминесцентной лампы. 6

1.4 Разновидности и формы ламп. 6

1.5 Технические характеристики. 8

2. Практическая  часть. 9

2.1 Устройство люминесцентной лампы. 9

2.2 Принцип работы люминесцентной лампочки. 10

2.3 Особенности подключения к сети. 11

Заключение. 12

Библиографический список. 14

Введение

     Актуальность: использование компактных люминесцентных энергосберегающих ламп в быту – это увеличение эффективности освещения в доме, а значит реальный способ помощь природе, сэкономить энергию и собственные деньги.

     Объект исследования: люминесцентная лампа.

     Цель работы: разобрать основные элементы люминесцентной лампы,  рассмотреть разновидности и формы ламп и их технические характеристики, выявить преимущества и недостатки, рассмотреть область применения, изучить принцип ее работы.

          Люминесцентные лампы — второй в мире по распространенности источник света, а в Японии они занимают даже первое место. Ежегодно в мире производится более одного миллиарда люминесцентных ламп.

     За 70 лет существования они прочно вошли в нашу жизнь, и сейчас уже трудно представить какой-нибудь крупный магазин или офис, в котором не было бы ни одного светильника с люминесцентными лампами.

Рисунок 1 - Люминесцентные лампы.

1.Основная часть

1.1 История создания лампочки.

     История люминесцентной лампы достаточно объемна как по времени, так и по количеству сопутствующих изобретений. До того момента, как в частных домах и офисах появились первые лампы дневного света в том виде, который мы наблюдаем и по сей день, ученым и инженерам пришлось изобрести вакуумную трубку, поэкспериментировать с различными инертными газами, создать долговечные электроды и разработать состав флуоресцентного покрытия.

    Справедливости  ради стоит начать с Михаила Васильевича Ломоносова, который еще в 18 веке наблюдал свечение заполненного водородом стеклянного шара под действием электрического тока. Ломоносов не ставил перед собой задачу создать источник электрического света, поэтому до изобретения люминесцентной лампы как таковой было еще далеко.

    Первая газоразрядная лампа (в виде экспериментальной установки) увидит свет в 1856 году, и это будет трубка Гейслера. Немецкий стеклодув Генрих Гейслер отличался изобретательским талантом, и благодаря вакуумному насосу собственной разработки, Гейслер откачал воздух из стеклянной колбы.  При помощи высоковольтной катушки Гейслеру удалось возбудить в вакуумированной колбе зеленоватое свечение. Заполненная газом, колба меняла оттенок свечения под действием высоковольтных токов. Это изобретение получило название в честь ученого — трубка Гейслера.                                    

     Основательные эксперименты с явлением электролюминесценции различных веществ проводил Александр Эдмон Беккерель. Именно он в 1859 году предложил покрыть трубку Гейслера тонким слоем люминесцирующих веществ. И хотя трубки ученого излучали недостаточно сильный свет и были недолговечны, именно он впервые заставил люминофор светиться под воздействием электрического тока.

     В мае 1891 года американский ученый, Никола Тесла, проведет в Колумбийском университете яркую демонстрацию с трубками Гейслера, где покажет свечение вакуумированных трубок в электрическом поле высокочастотной катушки. Тесла отметит зависимость характера свечения от внутреннего покрытия трубок, например иттрий в качестве внутреннего фосфоресцирующего покрытия трубок давал яркий белый свет, интенсивности которого было достаточно для чтения. Тесла использовал электростатическое поле высокой напряженности, и мог разместить трубку без электродов в любом месте комнаты, и она светилась только благодаря индукции.

    В 1894 году американский инженер электрик и изобретатель Даниель Макфарлан Мур изобрел лампу дневного света, в которой использовались инертные газы диоксид углерода — для белого света, и азот для светло-розового света. Лампа отличалась сложной конструкцией, и лишь начиная с 1904 года, после усовершенствований, именно лампа Мура стала применяться в офисных помещениях и магазинах для искусственного освещения.

Рисунок 2 - Применение люминесцентных ламп в офисных помещениях.

      Томас Эдисон также предпринял попытку практически развить применяемость трубки Гейслера, и в 1896 году он разработал покрытие из вольфрамата кальция для рентгеновских трубок, позже, в 1907 году, изобретение будет запатентовано как люминесцентная лампа. Однако для освещения такая лампа не годилась, в итоге Эдисон остановился на продвижении своих ламп накаливания, с которыми он уже тогда добился определенного коммерческого успеха. Хотя, еще в 1893 году сам Эдисон выступил на выставке в Чикаго, где показал люминесцентное свечение (вероятно, желая не отставать от Тесла и Мура).  

     В 1901 году американский инженер электрик и изобретатель Питер Купер Хьюитт продемонстрировал первую ртутную лампу. Пары ртути давали мягкий сине-зеленый свет, а эффективность превосходила лампочку Эдисона. Тем не менее, сине-зеленый свет не подошел для повсеместного внедрения ламп Хьюитта для искусственного освещения. Хотя, позже именно лампы системы Хьюитта будут всюду на фонарных столбах (с 1930 года).

     В 1926 году немецкий изобретатель Эдмунд Гермер вместе с коллегами, занимаясь поисками эффективного искусственного источника ультрафиолетового излучения, обнаружили, что увеличив давление внутри колбы покрытой флуоресцентным порошком, можно получить ровный белый свет, гораздо более яркий, и потому более пригодный для искусственного освещения, чем давали лампы накаливания. Эдмунд Гермер считается изобретателем люминесцентной лампы дневного света.

     Компания General Electric выкупила у Гермера патент и, к 1938 году, довела лампы дневного света до широкого массового использования. Эффективность люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания поразит всех. Сообщения о 35 люменах на ватт, достигнутых лабораторией General Electric к августу 1934 года, перевернут мир искусственного освещения, и уже в декабре 1934 начнется производство ламп в США. К 1938 году 48 дюймовые трубчатые лампы дневного света на 40 ватт можно будет увидеть в каждом офисе.

1.2 Основные элементы люминесцентной лампы.

     Основные элементы конструкции:

-  колба, внутри которой находятся электроды;

- цоколь в количестве 1 или 2 шт. в зависимости от исполнения лампы;

- пускорегулирующий аппарат (может быть встроенным или вынесенным).

      В состав пускорегулирующего аппарата входит:

- дроссель;

- стартер.

 Задача дросселя – ограничение силы тока до нужного значения, стартер же ответственен за более быстрый нагрев электродов, а значит, и ускоренное срабатывание лампы.

1.3 Принцип работы люминесцентной лампы.

     При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, горит дуговой разряд. Стеклянная колба лампы заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий через газ электрический ток приводит к появлению УФ-излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки стеклянной колбы покрыты специальным веществом - люминофором, которое поглощает УФ-излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок свечения лампы. В качестве люминофора используют в основном галофосфаты кальция и ортофосфаты кальция-цинка.

     Дуговой разряд в лампе поддерживается за счёт термоэлектронной эмиссии заряженных частиц (электронов) с поверхности катода. Для запуска лампы катоды разогреваются либо пропусканием через них тока, либо ионной бомбардировкой в тлеющем разряде высокого напряжения («лампы с холодным катодом»).

1.4 Разновидности и формы ламп.

     Все разнообразие люминесцентных ламп характеризуется достаточно большим спектром параметров. Но в рамках данного проекта рассмотрим наиболее отличительные из них:

   По форме колбы:

- линейные (прямые) исполнения;

- кольцевые;

- U-образные;

- сложная фигура.

Рисунок 3 - Люминесцентные лампочки с разными формами колбы.

  По величине давления газа внутри колбы:

- Высокого давления – такие люминесцентные приборы выдают плотный световой поток насыщенных цветовых оттенков. Применяются в достаточно мощных моделях с номиналом от 50 до 2000 Вт, характеризуются сроком службы от 6 тыс. до 15 тыс. часов.

- Низкого давления – отличается относительно небольшой плотностью газа в емкости, применяется для освещения помещений в быту или на производстве.

     По конструкции цоколя:

- Е- стандартный цоколь с числовым обозначением, указывающим диаметр самого цоколя газоразрядного источника;

- G - штыревой, в котором число после буквенной маркировки показывает расстояние между контактами, а перед на количество пар контактов;

- W и F-используются довольно редко.

Рисунок 4 - Люминесцентные лампочки с разной конструкцией цоколя.

     По цветовой температуре свечения:

- горячим желтым свечением;

- холодным синим спектром.

 Также существуют варианты нейтрального цвета свечения. Цветовые температуры подбираются в соответствии с поставленными задачами: теплые для жилья, холодные для производственных объектов.

Рисунок 5 – Схема цветовой температуры ламп.

1.5 Технические характеристики.

     Оценка эффективности работы люминесцентных ламп осуществляется на основании соответствия их параметров тем условиям, при которых планируется их эксплуатация.

   Люминесцентные лампы отличаются такими характеристиками:

1)Обозначение изделия. Дневной свет определяется буквой Д.

2)Диаметр колбы. Данный параметр влияет на продолжительность работы: чем больше его значение, тем дольше будет функционировать изделие.

3)Значение мощности, благодаря чему определяется возможность лампочки осветить требуемый участок. Если сравнить с лампой накаливания, то рассматриваемый аналог экономит до 80% энергии благодаря невысокому уровню мощности.

4)Тип цоколя. В линейных исполнениях обычно применяется держатель G13.

5)Напряжение источника питания. Различают люминесцентные лампы, которые рассчитаны на 220 или 127 В.

6)Форма колбы.

7)Цветовая температура. В зависимости от модели осветительный элемент может характеризоваться температурой в пределах от 5 000 К и выше.

8)Индекс цветопередачи – показывает, насколько качественное освещение.

9)Диаметр трубки.

10)Световой поток изделия.

Рисунок 6 - Маркировка лампочек, в соответствии с их характеристикам.

2. Практическая  часть.

2.1 Устройство люминесцентной лампы.

Рисунок 7 - Устройство люминесцентной лампы.

1-стеклянная цилиндрическая колба;

2-стеклянная ножка;

3-электроды;

4-контактные штырьки;

5-цоколь;

6-штенгель (отверстие для откачивания воздуха из колбы);

7-инертный газ;

8-капля ртути;

9-люминофор.

     Конструктивно люминесцентные лампы представляют собой стеклянную колбу, внутренняя поверхность которой покрывается специальным составом – люминофором. Он состоит из галофосфата кальция и  других примесей, некоторые варианты содержат редкоземельные элементы – тербий, европий или церий, но такие комбинации являются довольно дорогими.

     Из колбы на этапе изготовления откачивается весь воздух, а емкость заполняется смесью инертных газов, чаще всего аргона, и паров ртути. Внутри газовой смеси располагается вольфрамовая нить накала, которая покрывается эмитирующим покрытием.

2.2 Принцип работы люминесцентной лампочки.

     Принцип действия люминесцентной лампы заключается в такой последовательности электрохимических процессов:

 - На контакты газоразрядной ртутной лампы подается напряжение питания, за счет чего в цепи нити накаливания начинает протекать электрический ток.

 - При протекании электрического тока с поверхности нити начинает распространяться тепловая энергия и частицы эмиттеры, которые активируют инертный газ и обуславливают выделение ультрафиолетового излучения.

 - Свечение газов имеет относительно низкий процент видимого спектра, так как большая часть приходится на ультрафиолетовые волны. Но при достижении ультрафиолетом стеклянной колбы газоразрядной лампы, происходит  активация и последующей свечение люминофора. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения лампы.

2.3 Особенности подключения к сети.

- При включении питания, ток протекает через дроссель, попадает на первую вольфрамовую спираль. Далее, через стартер попадает на вторую спираль и уходит через нулевой проводник. При этом вольфрамовые нити понемногу раскаляются, как и контакты стартера.

 - Стартер состоит из двух контактов. Один неподвижный, второй подвижный биметаллический. В нормальном состоянии они разомкнуты. При прохождении тока биметаллический контакт разогревается, что приводит к тому, что он изгибается. Согнувшись, он соединяется с неподвижным контактом.

 - Как только контакты соединились, ток в цепи мгновенно вырастает (в 2-3 раза). Его ограничивает только дроссель.

 - За счет резкого скачка очень быстро разогреваются электроды.

 - Биметаллическая пластина стартера остывает и разрывает контакт.

 - В момент разрыва контакта возникает резкий скачок напряжения на дросселе (самоиндукция). Этого напряжения достаточно для того, чтобы электроны пробили аргоновую среду. Происходит розжиг и постепенно лампа выходит на рабочий режим. Он наступает после того, как испарилась вся ртуть.

     Рабочее напряжение в лампе ниже сетевого, на которое рассчитан стартер. Потому после розжига он не срабатывает. В работающем светильнике его контакты разомкнуты и он никак в ее работе не участвует.

Заключение

     В связи с жесткой конкуренцией на рынке люминесцентные осветительные приборы принято сравнивать с параметрами работы ламп другого принципа действия.

К преимуществам  следует отнести:

1). Большая световая отдача. Если сравнивать их с лампами накаливания, то при той же мощности, люминесцентные аналоги отдают в 1,5–2 раза больше света.

2). Излучаемое ими освещение близко к естественному. При таком свете нет нагрузки на зрение, глаза не устают.

3). Не чувствительны к броскам тока. Отсюда и больший, чем у ламп накаливания срок службы. Средняя продолжительность работы – 8000 часов.

4). Среди ламп освещения – люминесцентный вариант считается недорогим. Цена на лампу дневного света чуть выше цены лампы накаливания, а превосходство по работе отличается значительно. Средний срок работы обыкновенной лампы накаливания – 1000 часов. Как видим у люминесцентных ламп очевидное превосходство при такой же низкой стоимости.

5). Отсутствие ослепляющего эффекта. На источник люминесцентного освещения можно спокойно взглянуть. Их свечение мягкое, не давящее на глаза.

6). Низкая температура колбы. В работе люминесцентное освещение тёплое. Температура поверхности около 50 градусов. Такая температура не способна воспламенить какую-либо поверхность, а следовательно, данный тип ламп можно считать пожаробезопасным. Сюда же можно добавить то, что при их замене обжечься просто невозможно.

     Казалось бы люминесцентные лампы – идеальный вариант. И дёшевы, и долго служат. Однако – нет. Кажущаяся идиллия нарушается недостатками. Они присутствуют.

     Минусы :

1). Сложное схематическое включение. Чтобы зажечь лампу будут нужны, как минимум – дроссель и стартер. Это затратно и хлопотно. Подключением двух концов тут не обойдёшься.

2). Снижение световой мощности. Данный эффект наблюдается к окончанию срока службы.

3). Потери в потребляемой энергии. Она расходуется не только на зажигание и работу газов, содержащихся в колбе, но и на пусковые элементы. К потребляемой мощности прибавляется ещё процентов 30 от этого значения. Существенно? В плане экономии, видимо да.

4). Нуждаются в обязательной утилизации. Они содержат ртуть и просто разбить, выкинуть их будет не благоразумно и опасно, как для собственного здоровья, так и для окружающей среды.

5). Отмечается шумность в работе. Щелчки при зажигании, гул похожий на фон переменного тока. Такой эффект может сильно досаждать. Связано это с работой пусковых элементов. Гул от дросселя, щелчки от стартера.

6). При сильном морозе или понижении напряжения лампа частенько отказывается работать. Инертный газ в колбе, при таких условиях не может зажечься.

     Итак, перед нами прямо равенство какое-то. Количество плюсов и минусов одинаково. Отсюда и возникающие разногласия по практике их использования.

   Однако всё та же практика показывает, что в большинстве случаев данный тип ламп просто незаменим. В 21 веке их не сменили ни светодиоды, ни энергосберегающие. А значит – люминесцентным лампам в нашем настоящем – однозначное да!

Библиографический список.

1.      Люминесцентная лампа [Электронный ресурс]  // Википедия свободная энциклопедия  – URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%Люминисцентная_лампа (Дата обращения 07.02.22)

Аннотация: В статье идет речь о люминесцентной лампе (история создания, принцип работы, область применения).

2.      Что такое люминесцентная лампа и как она работает? [Электронный ресурс] //ASUTPP Заметки электрика – URL: https://www.asutpp.ru/lyuminestsentnaya-lampa.html (Дата обращения 07.02.22)  

 Аннотация: В статье идет речь о люминесцентных лампах, о их разнообразии.

3.      Подробно о лампах дневного света [Электронный ресурс] // PRO OSVESCHENIE.RU- URL: http://proosveschenie.ru/proizvodstvennye-pomeshheniya/lampy-dnevnogo-sveta-lyuminescentnye-vse-podrobno (Дата обращения 07.02.22)

Аннотация: В статье идет речь о том, какие бывают люминесцентные лампы, их достоинства и недостатки.

4.      Люминесцентные лампы. История и принцип работы люминесцентных ламп. [Электронный ресурс]// Техника-URL: http://www.i-kiss.ru/rubrika/lampy_lyuminescentnye (Дата обращения 07.02.22)                                                            

  Аннотация: В статье говорится об истории создания люминесцентной лампы.

5.      Люминесцентные лампы. Преимущества и недостатки. [Электронный ресурс]// infolamps - URL: http://www.lamps.ru/stati/lyuminescentnye-lampy/  (Дата обращения 07.02.22)

 Аннотация: В статье говорится о плюсах и минусах люминесцентных ламп.

6.       Принцип работы люминесцентной лампы и устройство прибора. [Электронный ресурс]// ПРО ПРОВОДА Электрика и освещение дома - URL: https://proprovoda.ru/osveshhenie/lampy/princip-raboty-lyuminescentnoj-lampy.html (Дата обращения 07.02.22)

Аннотация: В статье говорится о принципе работы люминесцентной лампы, схема подключения к сети.

7.      История создания люминесцентной лампы. [Электронный ресурс]// Популярная электрика - URL: http://scsiexplorer.com.ua/index.php/istoria-otkritiy/1274-istorija-sozdanija-ljuminestsentnoj-lampy.html (Дата обращения 07.02.22)                                                                        Аннотация: В статье говорится об истории создания люминесцентной лампы.

8.      Люминесцентные лампы - от расцвета до заката. [Электронный ресурс]// Electric info - URL: http://electrik.info/main/fakty/1217-lyuminescentnye-lampy-ot-rascveta-do-zakata.html (Дата обращения 07.02.22)                                                                                       

Аннотация: В статье говорится об истории создания люминесцентных ламп.

9.      Принцип работы люминесцентных ламп. [Электронный ресурс]// NashProrab.com - URL: https://nashprorab.com/princip-raboty-lyuminescentnykh-lamp/ (Дата обращения 07.02.22)

 Аннотация: В статье описывается принцип работы люминесцентных ламп.

10. Схемы подключения люминесцентных ламп. [Электронный ресурс]// Стройчик. Строительство и ремонт.- URL: http://proosveschenie.ru/proizvodstvennye-pomeshheniya/skhema-vklyucheniya-lyuminescentnykh-lamp.html (Дата обращения 07.02.22)

Аннотация: В статье представлены схемы подключения люминесцентных ламп.

Скачано с www.znanio.ru