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

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

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

BOLTZMANN (1884): pontos képlet: Kisugárzott teljesítmény: STEFAN (1879): A kisugárzott teljesítmény arányos a hőmérséklet negyedik hatványával BOLTZMANN (1884): pontos képlet: Kisugárzott teljesítmény: pl.: A = 1 m2 ; T = 300 K → P = 459 W A = 1 m2 ; T = 3000 K → P = 4,59 MW Josef Stefan Ludwig Boltzmann

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

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

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

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

MAGAS HŐMÉRSÉKLETŰ FEKETETESTEK

Magas hőmérsékletű fekete testek: Közel 3000 K-ig Elektromos fűtés (5 – 10 kW) Anyaga általában grafit Optikai stabilizálás Magas hőmérséklet miatt oxigénmentes környezet szükséges Elektromos hozzávezetéseknél, apertúráknál, borításnál vízhűtés szükséges Élettartam: pl. Oriel 62500 Hight Temerature Black Body 500 óra 2500 K-en 50 óra 2900 K-en → 0,998 ± 0,001 abszorbcióképesség 0,05% stabilitás (a látható tartományban

A sugárzás intenzitása (Stefan-Boltzmann törvény) 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

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

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

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

PLANCK (1899): 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

HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓK A TERMÉSZETBEN

A TŰZ

KORMOZÓ LÁNG: Ha a szerves anyagok égése nem tökéletes, apró szén- 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 (ΔT1 ~ 1K) Szemcseátmérő: 10 – 200 nm < λ → A kibocsátott fény hullámhossza eltolódik a kék felé → A láng színhőmérséklete körülbelül ΔT2 ~ 100 K-el magasabb a szemcsék valós hőmérsékleténél Nem kormozó lángok (pl. hidrogénláng) sokkal kevésbé világítanak

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 70-80-szor fényesebb WELSBACH-KÖPPENY: tórium- és cézium-oxiddal impregnált szövet Nem tiszta hőmérsékleti sugárzó: a fehér szín a ritkaföldfém-adalékoknak köszönhető

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

Gőznyomás és párolgási sebesség kapcsolata: Egyensúlyi helyzetben a felületről kilépő és az azon megkötődő részecskék száma megegyezik Egységnyi felületbe időegység alatt becsapódó részecskék száma: α0N1 darab részecske megtapad (1-α0)N1 részecske pedig visszaverődik a felületről A felületen megtapadó részecskék tömege: Grafit esetén: M=0,015α0 p/T1/2 Wolfram esetén: M=0,06α0 p/T1/2

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

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

JÖVŐ ÓRA Izzólámpák tipikus adatai Szál-átmérő (μm) Szál hossza (cm) T (K) Hatásfok (Wolfram) Hatásfok (feketetest) Hatásfok (mért) PWolfram (Pa) M (kg/(m2s)) Wolfram-veszteség 1100 h alatt (%) 115V 10W 16 40,5 2455 11,5 7,5 8,75 4 · 10 – 6 4,85 · 10 – 9 15,5 225V 15W 13,5 72,5 2420 10,5 6,6 8,35 2,15 · 10 – 6 2,6 · 10 – 9 10 225V 25W 19,2 87,5 2475 12 7,7 9,20 5,3 · 10 – 6 6,4 · 10 – 9 16,5 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