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