Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK IZZÓLÁMPÁK Kocsányi László Kovács Péter Dobos Gábor.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK IZZÓLÁMPÁK Kocsányi László Kovács Péter Dobos Gábor."— Előadás másolata:

1 FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK IZZÓLÁMPÁK Kocsányi László Kovács Péter Dobos Gábor

2 2 3. Előadás: Izzólámpák I. Elméleti alapok Elméleti alapok Izzólámpák Izzólámpák Történeti áttekintés Történeti áttekintés Elektromos fűtésű vákuum – izzólámpák Elektromos fűtésű vákuum – izzólámpák 4. Előadás: Izzólámpák II. Gáztöltésű lámpák Gáztöltésű lámpák Hőveszteség Hőveszteség Langmuir Langmuir Nussel Nussel Wolfram diffúziója Wolfram diffúziója Halogén – lámpák Halogén – lámpák Izzólámpák konstrukciója, alkalmazott anyagok Izzólámpák konstrukciója, alkalmazott anyagok

3 3 : Izzószál párolgási sebességének csökkentése CÉL: Izzószál párolgási sebességének csökkentése → Gáztöltés → Nő a hőveszteség is! Korai kísérletek sikertelenek Langmuir (1912) ÁTTÖRÉS: Langmuir (1912) Izzószál vastagságának növelésével csak kevéssé nő a hőveszteség Izzószál vastagságának növelésével csak kevéssé nő a hőveszteség Spirális szerkezetű izzószál (a hőveszteség szempontjából) úgy működik, mint egy vastagabb izzószál Spirális szerkezetű izzószál (a hőveszteség szempontjából) úgy működik, mint egy vastagabb izzószál → Azonos teljesítményű spirális izzószál (a hőveszteség szempontjából) tekinthető egy vastagabb, de rövidebb izzószálnak

4 4 MAGYARÁZAT: Az izzószál felületén a gáz áramlási sebessége 0 Az izzószál felületén a gáz áramlási sebessége 0 A gáz viszkozitása nő a hőmérséklettel A gáz viszkozitása nő a hőmérséklettel → Az izzószál körül kialakul egy réteg, ahol a gáz jó közelítéssel mozdulatlan LANGMUIR – BUROK (Langmuir sheath) A Langmuir – burokban nincs hőáramlás, csak hővezetés A Langmuir – burokban nincs hőáramlás, csak hővezetés A Langmuir – burkon kívül van hőáramlás A Langmuir – burkon kívül van hőáramlás → A burkon kívül a hőmérséklet megegyezik a fal hőmérsékletével → A teljes T 1 – T W hőmérsékletkülönbség a Langmuir – burkon esik A burok átmérője jó közelítéssel független az izzószál átmérőjétől A burok átmérője jó közelítéssel független az izzószál átmérőjétől

5 5

6 6 Makai László szimulációi

7 7

8 8 A hőáram a Langmuir – burokban: (méterenként és másodpercenként, tisztán hővezetés útján) A hőáram a Langmuir – burokban: (méterenként és másodpercenként, tisztán hővezetés útján) Integrálva d 1 /2 és d 2 /2 között: Integrálva d 1 /2 és d 2 /2 között: A hőáram kiszámításához ismerni kell d 2 -t A hőáram kiszámításához ismerni kell d 2 -t → Langmuir szerint a φ szög független d 1 -től → d 2 becsülhető

9 9 Nusselt – féle elmélet (1915): Átfogó elmélet a természetes konvekció útján történő hővezetésről Átfogó elmélet a természetes konvekció útján történő hővezetésről Hőcsere leírására szolgáló egyik alapmennyiség a Nusselt – szám: Hőcsere leírására szolgáló egyik alapmennyiség a Nusselt – szám: Szabad áramlás esetén hasonló alakú, de különböző hőmérsékletű, méretű és környezetű testek körül a sebességeloszlás hasonló lesz, ha az úgynevezett Grashof – szám megegyezik Szabad áramlás esetén hasonló alakú, de különböző hőmérsékletű, méretű és környezetű testek körül a sebességeloszlás hasonló lesz, ha az úgynevezett Grashof – szám megegyezik A hőmérséklet – eloszlás hasonló, ha a Prandtl – szám megegyezik: A hőmérséklet – eloszlás hasonló, ha a Prandtl – szám megegyezik: Kimutatható, hogy a Nusselt szám jó közelítéssel a Grashoff- és a Prandtl – szám szorzatának függvénye Kimutatható, hogy a Nusselt szám jó közelítéssel a Grashoff- és a Prandtl – szám szorzatának függvénye

10 10 és alapján a Nusselt – szám felírható a következő alakban: és alapján a Nusselt – szám felírható a következő alakban: d 1 = ∞ határesetben (sík felület) a hőmérséklet-gradiens (dT/dr) d2 = – θ W /B alakban írható. Mivel a Langmuir – burok vastagsága független d 1 -től: és alapján és alapján d 2 – t kiküszöbölve:

11 11 Mivel A Nussel szám a Grashof és a Prandtl szám függvénye A Nussel szám a Grashof és a Prandtl szám függvénye B független d 1 -től B független d 1 -től Gr-ben d 1 3 szerepel Gr-ben d 1 3 szerepel → A jobb oldalnak (Gr * Pr) 1/3 – al kell arányosnak lennie Az arányossági tényező kísérletileg határozható meg:

12 12 és alapján és alapján A Langmuir – burok vastagsága: A Langmuir – burok vastagsága: A kísérleti eredmények jó egyezést mutatnak a számításokkal → Ez igazolja Langmuir közelítéseinek jogosságát

13 13 alapján számítható a hőveszteség. Ehhez szükséges további paraméterek: alapján számítható a hőveszteség. Ehhez szükséges további paraméterek: Viszkozitás: ahol C 1 = 1,9*10 -6 Ns/(m 2 K 1/2 ) és C 2 = 133 K Hővezetőképesség: Prandtl – szám: ahol q a gázrészecskék szabadsági fokainak száma pl.: 225 V, 100 W-os lámpa esetén az izzószál átmérője d 1 = 7,23*10 -4 m, hossza 3 cm 700 torr Ar % N 2 keverékkel töltve, melynek nyomása működés közben kb. 1,25 atm-ra emelkedik. Az Izzószál hőmérséklete 2770 K, míg a Langmuir-burok határán a hőmérséklet kb. 450 K. Így Gr = 0,78, Pr = 0,52 és Nu = 0,94, ami a fenti képlet alapján 11,8 W veszteséget jelent.

14 14 Ugyanazt a lámpát gáztöltéssel és vákuumban üzemeltetve megmérhető a hővezetésből adódó energiaveszteség. Azonos fényáram esetén az izzószál hőmérséklete a két esetben azonos → A két görbe horizontális távolsága mutatja a hővezetésből adódó energiaveszteséget A gáztöltésből fakadó hőveszteség kb. 4 W/cm Gáztöltés miatt fennáll a veszélye, hogy kisülés indul meg az elektródák között (arcing) Gáztöltés miatt fennáll a veszélye, hogy kisülés indul meg az elektródák között (arcing) → 220 V → izzószál minimum 2 cm hosszú → minimum 8 W veszteség a hőveszteségből → 30 W alatt nem éri meg a gáztöltés

15 15 WOLFRAM ATOMOK DIFFÚZIÓJA: A szál felületén (r = d 1 /2 – nél) a wolfram gőznyomása megegyezik a szál hőmérsékletén mért gőznyomással A szál felületén (r = d 1 /2 – nél) a wolfram gőznyomása megegyezik a szál hőmérsékletén mért gőznyomással A Langmuir – burok határán (r = d 2 /2 – nél) a wolfram gőznyomása 0 A Langmuir – burok határán (r = d 2 /2 – nél) a wolfram gőznyomása 0 A koncentráció – különbség hatására wolfram atomok diffundálnak a száltól a fal felé: A koncentráció – különbség hatására wolfram atomok diffundálnak a száltól a fal felé: d 1 /2 és d 2 /2 között integrálva: ahol d 1 /2 és d 2 /2 között integrálva: ahol ln (d 2 /d 1 ) – et behelyettesítve: ln (d 2 /d 1 ) – et behelyettesítve:

16 16 Első közelítésben N 1 fordítva arányos a gáz nyomásával (D arányos a szabad úthosszal, ami fordítottan arányos a nyomással) Első közelítésben N 1 fordítva arányos a gáz nyomásával (D arányos a szabad úthosszal, ami fordítottan arányos a nyomással) N 1 arányos n 1 – el (a szál hőmérsékletének megfelelő gőznyomásnál a wolfram atomok sűrűsége), ami viszont gyorsan nő a hőmérséklettel N 1 arányos n 1 – el (a szál hőmérsékletének megfelelő gőznyomásnál a wolfram atomok sűrűsége), ami viszont gyorsan nő a hőmérséklettel Az előző példa esetén ez 7,8*10 10 wolfram atomot jelent másodpercenként, ami a lámpa 1100 h élettartama során 0,095 mg-ot, vagyis a szál tömegének kb. 0,34 %-át teszi ki. Az előző példa esetén ez 7,8*10 10 wolfram atomot jelent másodpercenként, ami a lámpa 1100 h élettartama során 0,095 mg-ot, vagyis a szál tömegének kb. 0,34 %-át teszi ki. A valóságban a wolfram – fogyás az élettartam során nagyjából 0,32 mg, ami több mint 1%! A valóságban a wolfram – fogyás az élettartam során nagyjából 0,32 mg, ami több mint 1%! → Léteznie kell más folyamatoknak is. Megjegyzés: Ugyanezt a lámpát vákuumban üzemeltetve a wolfram – fogyás sebessége közel 500-szoros

17 17 Hőmérsékletkülönbség hatására a nehezebb részecskék a melegebb hely felől a hidegebb hely felé vándorolnak Hőmérsékletkülönbség hatására a nehezebb részecskék a melegebb hely felől a hidegebb hely felé vándorolnak (thermal diffusion) ahol és C a wolfram és az argon atomok koncentrációjának aránya → A hőmérséklet – különbség által keltett diffúzió (az előző példa paraméterei mellett) nagyjából 17%-t teszi ki a koncentráció – gradiens által keltett diffúziónak A Langmuir – burokban a wolfram atomok ütközése során keletkezhetnek wolfram – klaszterek. Ezek nagy tömegük miatt hőmérsékleti diffúzióval szintén hozzájárulhatnak a wolfram – fogyáshoz. A wolfram atomok 97 % másik wolfram atommal való ütközés nélkül képes átjutni a Langmuir – burkon → Ez a folyamat csak nagy (olvadáspont – közeli) hőmérsékleteken válhat jelentőssé

18 18 A wolfram gőznyomása, a diffúziós koefficiens vagy a szál hőmérséklete (vagy akár mindhárom) magasabb lehet, mint a becsléshez felhasznált értékek A wolfram gőznyomása, a diffúziós koefficiens vagy a szál hőmérséklete (vagy akár mindhárom) magasabb lehet, mint a becsléshez felhasznált értékek → A három faktor együttes bizonytalansága okozhat ilyen mértékű eltérést Ha a lámpa tartalmaz nyomokban vízgőzt, a wolfram felületén wolfram – oxidok képződhetnek Ha a lámpa tartalmaz nyomokban vízgőzt, a wolfram felületén wolfram – oxidok képződhetnek → A különbőz oxidok együttes gőznyomása magasabb mint a wolfram gőznyomása Körfolyamat alakul ki, így nagyon kis mennyiségű vízgőz is elég Körfolyamat alakul ki, így nagyon kis mennyiségű vízgőz is elég A forró üveg mindig dob le magáról valamennyi vízgőzt A forró üveg mindig dob le magáról valamennyi vízgőzt Getterezés ellenére marad valamennyi vízgőz a lámpában Getterezés ellenére marad valamennyi vízgőz a lámpában

19 19 HALOGÉNLÁMÁK Fordítsuk meg a körfolyamatot! Fordítsuk meg a körfolyamatot! → Falról vigye vissza a wolframot az izzószálra! FRIDRICH, MOSBEY, WILEY ÉS ZUBLER (1959): Wolframspirál + jód, kvarc kapszulában Wolframspirál + jód, kvarc kapszulában → A falnál a wolfram és a jód reakcióba lép → illékony wolfram – jodid képződik → a wolfram – jodid a faltól az izzószálhoz diffundál ahol elbomlik → növeli a szál körül a wolfram – koncentrációt Ideális esetben a folyamat az összes wolframot visszaviszi az izzószálra

20 20 Egyszerűsített modell: Egyszerűsített modell: A rendszerben egyféle halogén van, a reakció során csak egyféle wolfram – halogenid képződik A rendszerben egyféle halogén van, a reakció során csak egyféle wolfram – halogenid képződik A Langmuir burkon kívül alacsony a hőmérséklet A Langmuir burkon kívül alacsony a hőmérséklet → r > r L esetén a wolfram – halogenid stabil → az erős áramlások miatt r > r L esetén egyenletes a WX koncentráció A Langmuir burokban rohamosan nő a hőmérséklet → A wolfram – halogenid r = r 1 -nél disszociál A Langmuir burokban rohamosan nő a hőmérséklet → A wolfram – halogenid r = r 1 -nél disszociál (r > r 1 -nél a wolfram – halogenid stabil)

21 21 A koncentráció – eloszlások egyszerűen számolhatók: r 1 és r L között integrálva: N 1 darab wolfram atom diffundál r 1 -től r L felé N 2 darab wolfram – halogenid molekula diffundál r L -től r 1 felé N 1 = N 2

22 22 n 2,W túl alacsony → wolfram áramlik az izzószáltól a fal felé n 2,W túl alacsony → wolfram áramlik az izzószáltól a fal felé n 2,W túl magas → wolfram áramlik a faltól az izzószálhoz → az izzószál vastagodik n 2,W túl magas → wolfram áramlik a faltól az izzószálhoz → az izzószál vastagodik Az izzószál hidegebb részéről is áramlik wolfram a melegebb részek felé Az izzószál hidegebb részéről is áramlik wolfram a melegebb részek felé → izzószál szakadásához vezethet

23 23 Halogén lámpában ideális esetben az elpárolgó, és a visszaáramló wolfram mennyisége megegyezik Halogén lámpában ideális esetben az elpárolgó, és a visszaáramló wolfram mennyisége megegyezik → Nincs wolfram fogyás Halogén nélküli gáztöltésű lámpákban is 500 atomból 499 visszakerül az ízzószálra Halogén nélküli gáztöltésű lámpákban is 500 atomból 499 visszakerül az ízzószálra A lámpa meghibásodását nem a nagy wolframveszteség, hanem az izzószál keresztmetszetének egyenetlenségei okozzák Az izzószálon kezdetben is vannak kis mértékű egyenetlenségek Az izzószálon kezdetben is vannak kis mértékű egyenetlenségek Ahol kisebb az átmérő, a szál melegebb, ahol nagyobb, ott hidegebb Ahol kisebb az átmérő, a szál melegebb, ahol nagyobb, ott hidegebb → A kezdeti egyenetlenségek megnőnek → Az izzószál elszakad

24 24 Halogénlámpák előnyei: A búra nem feketedik A búra nem feketedik Mivel a fala tiszta marad, kisebb búra is megfelelő Mivel a fala tiszta marad, kisebb búra is megfelelő Kis térfogat miatt drágább gázokat is lehet alkalmazni (Kr, Xe) Kis térfogat miatt drágább gázokat is lehet alkalmazni (Kr, Xe) Későbbi kísérletek kimutatták, hogy a folyamatban a lámpában található oxigén – szennyeződés is szerepet játszik Későbbi kísérletek kimutatták, hogy a folyamatban a lámpában található oxigén – szennyeződés is szerepet játszik Oxigén nélkül nem megy a körfolyamat → Szándékosan kevernek a töltőgázba oxigént Oxigén nélkül nem megy a körfolyamat → Szándékosan kevernek a töltőgázba oxigént Ha túl sok az oxigén a folyamat túl agresszív, és elmarja az izzószálat a hidegebb helyeken Ha túl sok az oxigén a folyamat túl agresszív, és elmarja az izzószálat a hidegebb helyeken

25 25 Jód → Bróm: A ciklus még intenzívebb A ciklus még intenzívebb Működik oxigén nélkül is Működik oxigén nélkül is Hidrogén jelenlétében is működik Hidrogén jelenlétében is működik → hidrogén – bromid használható adalékként → bekeverhető a töltőgázba → alacsony hőmérsékleten kevéssé disszociál → kevésbé támadja meg az izzószál hidegebb végeit HBr → CH 2 Br 2 : kevésbé agresszív HBr → CH 2 Br 2 : kevésbé agresszív Képes az izzószál egyenetlenségeinek kiegyenlítésére Képes az izzószál egyenetlenségeinek kiegyenlítésére → Valóban növeli az élettartamot

26 26 IZZÓSZÁL: Kezdetben szénszál Kezdetben szénszál Kísérletek platinával, ozmiummal sikertelenek Kísérletek platinával, ozmiummal sikertelenek 1911-ig elterjedten alkalmaztak tantál izzószálakat 1911-ig elterjedten alkalmaztak tantál izzószálakat Coolidge (1909): Új technológia wolframszál gyártására Coolidge (1909): Új technológia wolframszál gyártására Wolfram-por szinterelése hidrogén atmoszférában Wolfram-por szinterelése hidrogén atmoszférában Sajtolás és húzás Sajtolás és húzás → 1911-től gyakorlatilag csak wolframszálakat alkalmaznak. Pacz (1917): Wolfram doppolása Pacz (1917): Wolfram doppolása Hőkezelés során a wolfram – oxidba (véletlenül !) kis mennyiségű kálium, nátrium és szilícum szennyeződés került Hőkezelés során a wolfram – oxidba (véletlenül !) kis mennyiségű kálium, nátrium és szilícum szennyeződés került → Izzószál tulajdonságai jelentősen javultak Aladar Pacz William D. Coolidge

27 27 Ma: Wolfram érc: CaWO 4, (FeMn)WO 4 → WO 3 Wolfram érc: CaWO 4, (FeMn)WO 4 → WO 3 Redukció magas hőmérsékleten, hidrogén atmoszférában Redukció magas hőmérsékleten, hidrogén atmoszférában Rúddá préselés, majd szinterelés 3000 °C körüli hőmérsékleten Rúddá préselés, majd szinterelés 3000 °C körüli hőmérsékleten Hengerelés, préselés és szál-húzás Hengerelés, préselés és szál-húzás Spirál szerkezet kialakítása (gyakran dupla – spirál kialakítása) Spirál szerkezet kialakítása (gyakran dupla – spirál kialakítása) Vas vagy molibdén drótra tekerik Vas vagy molibdén drótra tekerik Hőkezelés (csökkenti a feszültségeket) Hőkezelés (csökkenti a feszültségeket) Vas illetve molibdén drót szelektív kimaratása Vas illetve molibdén drót szelektív kimaratása

28 28 Húzás után a wolfram – huzal szála szerkezetű szemcsékből épül fel Húzás után a wolfram – huzal szála szerkezetű szemcsékből épül fel Spiralizálás után hőkezelés a rekrisztalizációs hőmérséklet fölött Spiralizálás után hőkezelés a rekrisztalizációs hőmérséklet fölött → Új szemcseszerkezet alakul ki A kialakuló szemcseszerkezetet a WO 3 –ba kevert adalékok határozzák meg A kialakuló szemcseszerkezetet a WO 3 –ba kevert adalékok határozzák meg Oxid – adalék (pl. thórium – oxid) hatására elnyújtott, termikusan stabil szemcseszerkezet alakul ki Oxid – adalék (pl. thórium – oxid) hatására elnyújtott, termikusan stabil szemcseszerkezet alakul ki → mechanikailag ellenálló (pl. vibrációnak kitett alkatrészekhez) AKS adalék (kálium – szilikát és alumínium – oxid keveréke) AKS adalék (kálium – szilikát és alumínium – oxid keveréke) Nagyobb méretű szemcsék Nagyobb méretű szemcsék 5 – 100 nm-es üregek sora a szemcsehatárokon 5 – 100 nm-es üregek sora a szemcsehatárokon Az üreg – hálózat kontrollálja a szemcsehatárok mozgását a rekrisztallizáció során Az üreg – hálózat kontrollálja a szemcsehatárok mozgását a rekrisztallizáció során

29 29 Árambevezetés: Fém és az üveg hőtágulási együtthatója egyezzen meg Fém és az üveg hőtágulási együtthatója egyezzen meg Jól tapadjanak egymáshoz Jól tapadjanak egymáshoz Fém legyen jó vezető Fém legyen jó vezető Ne legyen gázleadás a beforrasztás során Ne legyen gázleadás a beforrasztás során → DUMET szál: Magja nikkel-vas ötvözet Magja nikkel-vas ötvözet Körülötte réz Körülötte réz Felületén nátrium – borát réteg a jobb kötés érdeképen Felületén nátrium – borát réteg a jobb kötés érdeképen → Jól tapad az üveghez → Radiális irányban a hőtágulása megegyezik az üvegével → Radiális irányban a hőtágulása megegyezik az üvegével → A tengelyirányú feszültségek csökkentése érdekében a gyakorlatban 1 mm-nél vékonyabb huzalokat alkalmaznak → A tengelyirányú feszültségek csökkentése érdekében a gyakorlatban 1 mm-nél vékonyabb huzalokat alkalmaznak


Letölteni ppt "FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK IZZÓLÁMPÁK Kocsányi László Kovács Péter Dobos Gábor."

Hasonló előadás


Google Hirdetések