日光灯工作原理.docx
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日光灯工作原理
日光灯工作原理
日光灯的整体电路如图5-16所示。
其工作原理是:
当开关接通的时候,电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。
220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离,产生辉光放电。
辉光放电的热量使双金属片受热膨胀,两极接触。
电流通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。
灯丝很快被电流加热,发射出大量电子。
这时,由于启辉器两极闭合,两极间电压为零,辉光放电消失,管内温度降低;双金属片自动复位,两极断开。
在两极断开的瞬间,电路电流突然切断,镇流器产生很大的自感电动势,与电源电压叠加后作用于管两端。
灯丝受热时发射出来的大量电子,在灯管两端高电压作用下,以极大的速度由低电势端向高电势端运动。
在加速运动的过程中,碰撞管内氩气分子,使之迅速电离。
氩气电离生热,热量使水银产生蒸气,随之水银蒸气也被电离,并发出强烈的紫外线。
在紫外线的激发下,管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。
日光灯正常发光后。
由于交流电不断通过镇流器的线圈,线圈中产生自感电动势,自感电动势阻碍线圈中的电流变化,这时镇流器起降压限流的作用,使电流稳定在灯管的额定电流范围内,灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。
由于这个电压低于启辉器的电离电压,所以并联在两端的启辉器也就不再起作用了。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
白炽灯
马文学
白炽灯的发光效率虽然比较低,但由于它使用极其方便,辐射光谱是连续的,显色性好,因此到目前为止,它仍是应用最广的一种光源。
世界上第一只碳丝白炽灯,是爱迪生于1879年制成的,它的发光效率很低,只有3流/瓦。
由于碳丝多孔、性脆、强度很低,不久被钨丝代替,现在60瓦的钨丝白炽灯,发光效率已提高到10~13流/瓦。
普通白炽灯的结构如图5-13所示。
它由螺旋灯丝(钨丝)、支架、引线、泡壳和灯头等几部分组成。
钨丝两端由导线引出,焊在灯头上,接通电路,钨丝被灼热到2500K左右就发白光。
这种灯的工作温度约为2700~3050K。
经过研究得知,大约在6500K时,可见光在总辐射能中所占的比例最大,约为43%。
理论上发光效率可达85流/瓦。
所以提高钨丝白炽灯的温度不仅可以提高它的发光效率,而且还可以改善发光颜色。
但随温度升高,钨的蒸发率急剧增大,在2800K时.钨的蒸发率比2000K时加快100万倍。
为了减少钨丝的蒸发,在灯泡内充了一些惰性气体,如充氮或氩、氖、氙气等。
充气后,由于惰性气体分子与蒸发出来的钨原子碰撞,使一部分钨原子回到灯丝上,有效地减少了钨丝的蒸发。
但充入惰性气体后,由于气体的热传导而要损失一部分灯丝的热量,为了减少由于气体热传导的损失,就要减少灯丝和气体接触的面积,所以采用螺旋状或双螺旋状的灯丝。
充气白炽灯的工作温度可达到2800K左右。
只有少数小功率灯泡是真空的。
白炽灯的引线是镀镁丝的,因为它与软质玻璃膨胀系数相近。
支架是用钼材料做的。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
低压水银荧光灯(日光灯)
日光灯主要由三部分组成:
灯管,镇流器,启辉器。
灯管是日光灯的主体,它的结构如图5-14所示。
在玻璃管内壁上涂有一层均匀荧光粉,两端各安装一个灯头,灯头内部装有灯丝,灯丝用钨丝烧成螺旋状,表面涂有三元电子粉(碳酸钨,碳酸钡和碳酸锶),以利于发射电子。
为了便于启动和抑制电子粉的蒸发,灯管抽真空后,充入一定量的氮气。
当然还有一点水银。
水银数量很少,一只40瓦的灯管仅放入百分之几克。
灯管工作时,管内汞蒸气的压强很小,仅1帕左右。
因此称作低压水银荧光灯。
镇流器又称为限流器,就是把通过灯管的电流限定在额定值内。
目前最常用的镇流器是电感镇流器,是具有一定电感量的铁芯线圈。
启辉器,俗称跳泡,它在日光灯起辉时,起自动开关作用。
启辉器的结构如图5-15所示。
在外壳内装着一个充有氩氖混合惰性气体的玻璃泡,泡内有一个固定电极(静触极)和一个动触极组成的自动开关。
动触极用双金属片制成倒U型,受热后动触极膨胀,与静触极接通;冷却后自动收缩复位,与静触极脱离。
两个触极间并联一只0.005微法的电容器,其作用是消除火花对电信设备的影响,并与镇流器组成振荡电路,延迟灯丝预热时间,有利于日光灯起辉。
使用日光灯的注意问题
使用日光灯时要注意以下几点:
(1)使用日光灯要注意避免频繁启动。
目光灯寿命一般不少于3000小时,其条件是每启动一次连续点燃3小时。
随着每启动一次连续点燃时间的长短,灯管的寿命也相对延长或缩短。
因为每启动一次,灯管的灯丝受高压冲击,启动时的电流是正常点燃时电流的2~3倍。
启动加速了灯丝上电子发射物质的消耗,当灯丝上的电子发射物质消耗尽了,灯管的寿命也就完了。
若启动一次,只让灯点燃1小时,灯管的寿命缩短到70%以下。
所以使用日光灯时要尽量避免不合理的频繁启动。
(2)电源电压高与低也会缩短日光灯的使用寿命。
电压高于日光灯正常工作电压时,无疑使流过灯管的电流加大,灯丝的损耗加速,缩短了灯管的寿命。
另外,这种情况还会使镇流器过热,造成绝缘物外溢或绝缘损坏而发生短路事故。
但电压低于日光灯正常工作电压,也会使灯管的寿命缩短。
因这时灯丝的预热温度低,启动困难,频繁的闪亮,使灯丝的损耗太大。
因此,在电压高的地方要采取适当的降压措施,如果接扼流圈或暂时改变镇流器的配套关系(40瓦灯管暂用30瓦镇流器等);还要注意在用电高峰时减少启动次数。
在电压低的地方,可在镇流器两端并接高感抗线圈来解决启动困难问题,或用镇流器递增的方法暂时改变与灯管的配套关系。
(3)在正常电压下,灯管与镇流器要配套使用。
否则会使流过灯管的电流不正常,造成不必要的损失,或造成启动困难,启储器反复跳动方可点燃灯管,这使灯丝受离子轰击的机会增多,加速了灯管的老化。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
用日光灯照明的优点
(1)比白炽灯省电。
因为日光灯的发光效率高,可达65流/瓦以上。
而60瓦的钨丝白炽灯的发光效率只有10~13流/瓦。
(2)日光灯的发光颜色比白炽灯更接近日光,光色好,且发光柔和。
(3)日光灯寿命较长,一般有效寿命是3000小时。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
用日光灯照明的缺点
(1)日光灯的附件多,故障机会较多。
(2)日光灯的价格比钨丝白炽灯贵。
(3)日光灯的功率不能做得很大。
(4)日光灯发光是闪烁的。
白炽灯由于灯丝炽热而发光。
所以是连续地发出光来。
而日光灯是低压气体放电发光,若通的是直流电可以连续地发光,若通交流电发光就出现闪烁现象。
如电源频率是50赫,发光亮暗每分钟就要改变100次。
只是因为闪光变化得很快和视觉暂留的作用,所以一般不易察觉。
但在日光灯下观察运动的物体时,就会发现有抖动的感觉。
因此一般灯光球场都不用日光灯照明。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
高压汞灯
马文学
照明用高压汞灯的结构如图5-17所示。
外壳用石英玻璃制成,内充一定数量的汞和少量氩气。
为使高压汞灯起弧,两电极之间需要有足够高的电场强度,对充氩的汞灯,此值约为4伏/厘米。
以300瓦高压汞灯为例,在室温下,灯内气压约10~20大气压(106~2×106帕)。
极距为10厘米,启动电压需在400伏以上。
所以直接采用220伏的电源,灯就无法启动。
下面介绍一种有玻璃外壳的高压汞灯,这种汞灯通常用辅助电极帮助启动,如图5-18所示。
辅助电极通过一只40~60千欧的电阻R与不相邻的电极相连接。
当灯接入电网后,辅助电极与相邻的主电极之间加有交流220伏的电压。
这两电极之间的距离很近,通常只有2~3毫米,所以它们之间有很强的电场。
在此强电场的作用下,两电极之间的气体被击穿,发生辉光放电,放电电流由电阻R所限制。
如R过小会使电极烧坏。
主电极和相邻辅助电极之间的辉光放电产生了大量的电子和离子,这些带电粒子向两主电极间扩散,使主电极之间产生放电,并很快过渡到两主电极之间的弧光放电。
在灯点燃的初始阶段,是低气压的汞蒸气和氢气放电,这时管压降得很低,约25伏左右;放电电流很大,约为5~6安培,称为启动电流。
低压放电时放出的热量使管壁温度升高,汞逐渐汽化,汞蒸气压和灯管电压逐渐升高,电弧开始收缩,放电逐步向高气压放电过渡。
当汞全部蒸发后,管压开始稳定,进入稳定的高压汞蒸气放电。
可见,高压汞灯从启动到正常工作需要一段时间,通常为4~10分钟。
高压汞灯熄灭以后,不能立即启动。
因为灯熄灭后,内部还保持着较高的汞蒸气压,要等灯管冷却,汞蒸气凝结后才能再次点燃。
冷却过程需要5~10分钟。
在高的汞蒸气压下,灯不能重新点燃是由于此时电子的自由程很短,在原来的电压下,电子不能积累足够的能量来电离气体。
高压汞灯发光效率比较高,在35~65流/瓦以上,高压汞灯除了有高的发光效率外,还能发出强的紫外线,因而不仅可以照明,还可用于晒图,保健日光浴,化学合成,塑料及橡胶的老化试验、荧光分析、探伤等方面。
由于高压汞灯有较高的光效,而且其发光体小,亮度高,适合于室外照明。
但是它的光色偏蓝、绿,缺少红色成分,所以被照物不能完全显示原来的颜色。
如果高压汞灯中汞蒸气压大于10大气压时,就成为超高压汞灯,这时其发光效率将随之增加。
高压汞灯有较高的发光效率,但是亮度还不够高。
在许多场合,例如各种光学仪器、投影系统中,则需要高达104~106熙提(Cd/cm2)的高亮度光源,超高压汞灯就是这样一种光源。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
碘钨灯
马文学
要想提高白炽灯的发光效率,就必须提高灯丝温度;而灯丝温度越高,钨的蒸发也就越快,钨丝就会很快变细烧断。
同时由于钨蒸发沉积到泡壳上泡壳变黑,又会降低白炽灯的发光效率。
所以要制造发光效率高的钨丝钉,必须进一步解决提高灯丝温度和减小钨蒸发的问题。
如果我们能设法使蒸发出去的钨重返灯丝,这样既防止管壁发黑,又能延长灯丝寿命。
在灯泡中充入纯碘即能使蒸发出去的钨重返灯丝。
因为碘和钨在250℃~1200℃的温度范围内化合成碘化钨,碘化钨是不稳定的,在1400℃以上又会分解为钨和碘。
所以,如果在灯泡中充入碘,再设法使灯泡壁温度保持在250℃—1200℃之间,从灯丝蒸发出来的钨在泡壁处与碘形成碘化钨分子,并向灯丝处扩散;而灯丝附近温度在1400℃以上,碘化钨在灯丝附近分解成碘和钨,钨原子回到灯丝上,游离碘集中在灯丝附近,并向外扩散,这样形成碘钨循环。
但因碘和钨的化合温度是在250℃~1200℃,灯泡壁必须保持在这个温度范围。
在这个温度下长期工作的普通玻璃会析晶,变得不透明。
还由于制造工艺上的一些问题,不能用普通玻璃作灯泡。
石英玻璃的热膨胀系数小,熔点高,高温下透明度较好,适合作碘钨灯的泡壳。
碘钨灯有直立式圆形和管形两种。
管形碘钨灯的结构如图5-19所示。
它的外壳用耐高温石英玻璃做成,里面钨丝绕成单螺旋状,中间有若干钨丝圈支撑,以免灯丝下垂。
灯管内抽成真空,充入氩气和适量的纯碘。
管状的碘钨灯使用时,倾斜度不得超过4度,否则会由于对流造成碘钨循环的不均匀,而烧断灯丝。
碘钨灯由于应用了碘钨循环的原理,大大减少了钨的蒸发量,所以它的工作温度可提高到3000℃,发光效率也提高很多。
与普通白炽灯相比,照明用碘钨灯还具有体积小、光色好、寿命长等优点。
例如,普通220伏1000瓦白炽灯的发光效率约为16流/瓦,平均寿命是1000小时;而照明用的220伏1000瓦碘钨灯的发光效率约为21流/瓦,平均寿命是1500小时。
2003-11-17 《教学参考资料》初中物理第二册
电表的等级
王宗田
电表的等级是用来表示电表的精确度的。
我国规定电表分为七个等级,它们是0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0级。
等级数值越小。
电表的精确度越高。
通常所用电表的等级都在电表的度盘上标出。
为什么电表的等级能反映电表的准确度呢?
这是因为电表的等级是由电表的测量误差决定的。
用电表进行测量时,电表的指示值X与被测量的实际值X0之间的差值ΔX,称为电表测量的绝对误差。
绝对误差值与电表的是程Xn之比,以百分数表示出来的值称为电表的引用误差En,即En=(ΔX/Xn)×100%
用电表进行测量时,将所得到的最大引用误差Enm。
去掉%号,就定为该电表的等级。
如果所得结果,在两个规定的等级数值之间,则此时电表的等级定为低精确度的一级。
例如,某一电表测量所得最大引用误差值为0.7%,该表的等级就定为1.0级,而不能定为0.5级。
测量时,知道所用电表的等级及电表的量程,就可算出被测量的最大绝对误差,从而估计出测量的准确程度。
2003-11-15 《教学参考资料》初中物理第二册