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 Stefan –Boltzmann törvény Stefan –Boltzmann törvény Wien – féle eltolódási törvény Wien – féle eltolódási törvény Rayleigh – Jeans Rayleigh – Jeans Planck Planck Ízzólámpák Ízzólámpák Történeti áttekintés Történeti áttekintés A tűz mint fényforrás A tűz mint fényforrás Gázlámpák (Limelight, Welsbach köpeny) Gázlámpák (Limelight, Welsbach köpeny) Edison elektromos izzólámpája Edison elektromos izzólámpája Elektromos fűtésű vákuum – izzólámpák Elektromos fűtésű vákuum – izzólámpák Az izzószál párolgása Az izzószál párolgása Az izzószál emisszióképessége Az izzószál emisszióképessége A vákuum – lámpák hatásfoka A vákuum – lámpák hatásfoka 4. Előadás: Izzólámpák II. Gáztöltésű lámpák Gáztöltésű lámpák Hőveszteség Hőveszteség Wolfrám atomok diffúziója Wolfrám atomok diffúziója Halogén – lámpák Halogén – lámpák Izzólámpák konstrukciója, alkalmazott anyagok Izzólámpák konstrukciója, alkalmazott anyagok

3 3 Két különböző hőmérsékletű test között akkor is van hőcsere, ha a hővezetést és a hőáramlást kikapcsoljuk (pl. vákuumba helyezzük a testeket) Két különböző hőmérsékletű test között akkor is van hőcsere, ha a hővezetést és a hőáramlást kikapcsoljuk (pl. vákuumba helyezzük a testeket) → Hősugárzás (1809): Nem csak a melegebb test ad át energiát sugárzás útján a hidegebbnek, hanem fordítva is! PRÉVOST (1809): Nem csak a melegebb test ad át energiát sugárzás útján a hidegebbnek, hanem fordítva is! Bármely hőfokú test sugároz környezetének hőfokától függetlenül

4 4 STEFAN (1879): A kisugárzott teljesítmény arányos a hőmérséklet negyedik hatványával BOLTZMANN (1884): pontos képlet: Kisugárzott teljesítmény: pl.: A = 1 m 2 ; T = 300 K → P = 459 W A = 1 m 2 ; T = 3000 K→ P = 4,59 MW Josef StefanLudwig Boltzmann

5 5 : abszorbcióképesség: A testre eső sugárzási energiának az elnyelt hányada a : abszorbcióképesség: A testre eső sugárzási energiának az elnyelt hányada : refletálóképesség:A testre eső sugárzási energiának a visszavert hányada r : refletálóképesség:A testre eső sugárzási energiának a visszavert hányada : áteresztőképesség:A testre eső sugárzási energiának az áteresztett hányada t : áteresztőképesség:A testre eső sugárzási energiának az áteresztett hányada a + r + t = 1 : emisszióképesség:egységnyi felület által egységnyi idő alatt egységnyi térszögben, a felület normálisának irányában kisugárzott fényenergia e : emisszióképesség:egységnyi felület által egységnyi idő alatt egységnyi térszögben, a felület normálisának irányában kisugárzott fényenergia

6 6 KIRCHHOFF (1860): e/a viszony minden testnél ugyanaz, és csak λ és T-nek a függvénye: Abszolút fekete test: a = 1 → e = E(λ,T) Két lap egymással szemben Róluk kiinduló sugárzás csak a másikat éri Hőmérsékleti egyensúlyban a II által kisugárzott és az elnyelt energia megegyezik → e = aE

7 7 Hőmérsékleti sugárzás tanulmányozásához szükség volt egy „valódi” fekete testre Hőmérsékleti sugárzás tanulmányozásához szükség volt egy „valódi” fekete testre Valós anyagok esetén a < 1 → nem jó Valós anyagok esetén a < 1 → nem jó → (1895): Üregsugárzó: az üregbe belépő fény csak nagyon kis valószínűséggel képes elhagyni azt → WIEN (1895): Üregsugárzó: az üregbe belépő fény csak nagyon kis valószínűséggel képes elhagyni azt Wilhelm Wien

8 8 Alacsony hőmérsékletű (~300 – 500 K) feketetestek: Fix hőmérsékletű fekete testek Hőmérséklet beállítása alacsony olvadáspontú fém segítségével Ga: 302,915 K In: 429,75 K Fix hőmérsékletű fekete testek Hőmérséklet beállítása alacsony olvadáspontú fém segítségével Ga: 302,915 K In: 429,75 K Változtatható hőmérsékletű fekete testek Változtatható hőmérsékletű fekete testek Pontosan szabályozott hőmérsékletű folyadék keringtetése Pontosan szabályozott hőmérsékletű folyadék keringtetése Nagy hőkapacitású, jó hőcserét biztosító réz-tömbben kialakított üregsugárzó Nagy hőkapacitású, jó hőcserét biztosító réz-tömbben kialakított üregsugárzó Pontos hőmérséklet mérése és szabályozása Pontos hőmérséklet mérése és szabályozása

9 9 MAGAS HŐMÉRSÉKLETŰ FEKETETESTEK

10 10 Magas hőmérsékletű fekete testek: Közel 3000 K-ig Közel 3000 K-ig Elektromos fűtés (5 – 10 kW) Elektromos fűtés (5 – 10 kW) Anyaga általában grafit Anyaga általában grafit Optikai stabilizálás Optikai stabilizálás Magas hőmérséklet miatt oxigénmentes környezet szükséges Magas hőmérséklet miatt oxigénmentes környezet szükséges Elektromos hozzávezetéseknél, apertúráknál, borításnál vízhűtés szükséges Elektromos hozzávezetéseknél, apertúráknál, borításnál vízhűtés szükséges Élettartam: pl. Élettartam: pl. Oriel Hight Temerature Black Body 500 óra 2500 K-en 500 óra 2500 K-en 50 óra 2900 K-en 50 óra 2900 K-en → 0,998 ± 0,001 abszorbcióképesség 0,05% stabilitás (a látható tartományban

11 11 A spektrális eloszlás jellege különböző hőmérsékleten hasonló, eltér viszont: A sugárzás intenzitása (Stefan-Boltzmann törvény) A maximum helye eltolódik (Wien-törvény) 473 K (200 °C) → nem látható, de kézzel érezhető 798 K (525 °C) → halvány derengés látható 1000 K → vörös izzás 2450 K → izzólámpa 3000 K → maximum (950 nm) még mindig az az infravörös tartományban található 5270 K → Nap (λ = 550 nm) 7000 K → Kék csillagok

12 12 Matematikai leírás: Vizsgáljunk egy üregsugárzót Vizsgáljunk egy üregsugárzót Az üreg belsejében az abszorbció és az emisszó egyensúlyban van Az üreg belsejében az abszorbció és az emisszó egyensúlyban van Egyszerűség kedvéért vegyünk egy L élhosszúságú kocka alakú üreget Egyszerűség kedvéért vegyünk egy L élhosszúságú kocka alakú üreget Az üregrezonátorban állóhullámok alakulnak ki: Az üregrezonátorban állóhullámok alakulnak ki: Az elektromágneses hullám transzverzális hullám → 2 független polarizációs állapot Az elektromágneses hullám transzverzális hullám → 2 független polarizációs állapot 3D → 3 hullámszámvektor-komponens (k ix, k iy, k iz ) 3D → 3 hullámszámvektor-komponens (k ix, k iy, k iz ) → egy t a polarizációs állapota és a három hullámszám-komponens jellemez → egy módust a polarizációs állapota és a három hullámszám-komponens jellemez

13 13 Az állóhullám körfrekvenciája: Az állóhullám körfrekvenciája:Frekvenciája: Egy adott polarizációs állapotú, ν-nél kisebb frekvenciájú módusok száma az n x, n y, n z térben egy Egy adott polarizációs állapotú, ν-nél kisebb frekvenciájú módusok száma az n x, n y, n z térben egy sugarú nyolcad-gömb térfogata (csak a pozitív térnyolcad számít) A két polarizációs állapot miatt A két polarizációs állapot miatt Így a módus-sűrűség: Így a módus-sűrűség:

14 14 és : RAYLEIGH és JEANS: A módusok betöltöttsége egyenletes A módusok betöltöttsége egyenletes Egy módus átlagos energiája kT Egy módus átlagos energiája kT → a feketetest által kisugárzott intenzitás: Lord RayleighJames Jeans Ultraibolya katasztrófa: A sugárzás intenzitása monoton nő a frekvenciával → nincs levágás → végtelen a kisugárzott teljesítmény

15 15 (1899): PLANCK (1899): Egy ν frekvenciájú oszcillátor energiája csak hν egész számú többszöröse lehet Egy ν frekvenciájú oszcillátor energiája csak hν egész számú többszöröse lehet → A magasabb energiájú módusok betöltöttsége alacsonyabb → Egy módus átlagos energiája: Ezt megszorozva a módus-sűrűséggel: Max Planck

16 16 HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓK A TERMÉSZETBEN

17 17 A TŰZ

18 18 KORMOZÓ LÁNG: Ha a szerves anyagok égése nem tökéletes, apró szén- szemcsék keletkeznek → A fény nagy részét nem a láng adja! A láng felmelegíti a benne lebegő szénszemcséket, amik hőmérsékleti sugárzóként fényt bocsátanak ki. Láng melegíti a szénszemcséket, amik kisugározzák a hőt → A szemcsék hőmérséklete alacsonyabb a láng hőmérsékleténél (ΔT 1 ~ 1K) Szemcseátmérő: 10 – 200 nm < λ → A kibocsátott fény hullámhossza eltolódik a kék felé → A láng színhőmérséklete körülbelül ΔT 2 ~ 100 K-el magasabb a szemcsék valós hőmérsékleténél Nem kormozó lángok (pl. hidrogénláng) sokkal kevésbé világítanak

19 19 Nem kormozó lángoknál szükség van valami izzítható testre Nem kormozó lángoknál szükség van valami izzítható testre LIMELIGHT (1825): CaO-ot izzítanak gázláng segítségével Nem tiszta hőmérsékleti sugárzó: a fénykeltésben a termo-lumineszcenciának is szerepe van A kor gázláűmpáinál szor fényesebb WELSBACH-KÖPPENY: tórium- és cézium-oxiddal impregnált szövet Nem tiszta hőmérsékleti sugárzó: a fehér szín a ritkaföldfém-adalékoknak köszönhető

20 20 ELEKTROMOS IZZÓLÁMPA A hőmérséklet növelésével 6000 K-ig nő a látható tartományba eső sugárzás intenzitása → Célszerű minél magasabb hőmérsékleten üzemeltetni az izzólámpát EDISON (1879): Grafit olvadáspontja 4100K → Szénszál izzítása vákuumban elektromos áram segítségével Thomas Alva Edison

21 21 Gőznyomás és párolgási sebesség kapcsolata: Egyensúlyi helyzetben a felületről kilépő és az azon megkötődő részecskék száma megegyezik Egységnyi felületbe időegység alatt becsapódó részecskék száma: α 0 N 1 darab részecske megtapad (1-α 0 )N 1 részecske pedig visszaverődik a felületről A felületen megtapadó részecskék tömege: Grafit esetén: M=0,015α 0 p/T 1/2 Wolfram esetén: M=0,06α 0 p/T 1/2

22 22 A valós működési hőmérsékletet nem az olvadáspont, hanem a gőznyomás határozza meg Grafit gőznyomása aránylag magas → Nem lehet az olvadáspont közelébe felfűteni 1881-es izzólámpa: 600 órás élettartam mellet 2 lm/W → Alacsonyabb gőznyomású anyagra van szükség → Kísérletek ozmiummal és tantállal → 1906: Wolfrámszálas izzólámpa

23 23 Grafit szürke sugárzó: a ≠ a (λ) Grafit szürke sugárzó: a ≠ a (λ) Wolfram nem szürke sugárzó! → Jóval kevesebbet sugároz infravörösben mint egy feketetest → Azonos teljesítmény mellet többet sugároz a látható tartományban → jobb hatásfok Wolfram nem szürke sugárzó! → Jóval kevesebbet sugároz infravörösben mint egy feketetest → Azonos teljesítmény mellet többet sugároz a látható tartományban → jobb hatásfok

24 24 Szál- átmérő (μm) Szál hossza (cm) T (K)Hatásfok (Wolfram) Hatásfok (feketetest) Hatásfok (mért) P Wolfram (Pa)M (kg/(m 2 s))Wolfram-veszteség 1100 h alatt (%) 115V 10W 1640, ,57,58,754 · 10 – 6 4,85 · 10 – 9 15,5 225V 15W 13,572, ,56,68,352,15 · 10 – 6 2,6 · 10 – V 25W 19,287, ,79,205,3 · 10 – 6 6,4 · 10 – 9 16,5 Izzólámpák tipikus adatai Cél: Hatásfok javítása / Élettartam növelése Hatásfok javításához a működési hőmérsékletet kell növelni →Működési hőmérséklet növelése fokozza a wolfram párolgását →A wolfram párolgását kell csökkenteni Kripton / Xenon töltésű lámpák Halogén lámpák JÖVŐ ÓRA


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

Hasonló előadás


Google Hirdetések