Электротехнический интернет-журнал Electrik.info

"Электрик Инфо" - онлайн журнал про электричество. Теория и практика. Обучающие статьи, примеры, технические решения, схемы, обзоры интересных электротехнических новинок. Уроки, книги, видео. Профессиональное обучение и развитие. Сайт для электриков и домашних мастеров, а также для всех, кто интересуется электротехникой, электроникой и автоматикой.
 


Схемы подключения | Принципиальные схемы | Электроснабжение
Розетки и выключатели | Автоматы защиты | Кабель и провод | Монтаж электропроводки Ремонт электротехники | Молодому электрику

Электрик Инфо » Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам » Как рассчитать температуру нити лампы накаливания в номинальном режиме
Количество просмотров: 25155
Комментарии к статье: 4


Как рассчитать температуру нити лампы накаливания в номинальном режиме


Как известно, с увеличением температуры металла, его электрическое сопротивление растет. Для различных металлов, в связи с данным явлением, характерен свой температурный коэффициент сопротивления α, который можно без особого труда найти в справочнике.

Причина этого явления заключается в том, что тепловые колебания ионов кристаллической решетки металла с ростом температуры становится более интенсивными, и образующие ток электроны проводимости сталкиваются с ними чаще, расходуя больше энергии на эти соударения.

А поскольку сам ток (по закону Джоуля-Ленца) приводит к нагреву проводника, то как только через проводник начинает течь ток — сразу начинает возрастать и сопротивление этого проводника.

Подобным образом возрастает сопротивление нити накаливания лампы, когда ее подключают к источнику питания.

Лампа накаливания

Электрический ток, проходящий через нить накаливания лампы, нагревает нить накала до высокой температуры с помощью джоулева тепла, и нить накала светится как черное тело с соответствующей температурой. Между подводимой, излучаемой и отводимой энергией создается состояние равновесия.

Согласно закону Стефана-Больцмана излучаемая энергия увеличивается с четвертой степенью температуры, поэтому при более высоких температурах волокно охлаждается само. Для повышения температуры нити необходимо подвести гораздо больше энергии.

В оригинальной конструкции лампочки Эдисона использовалось углеродное волокно, полученное путем обугливания бамбукового волокна. Для предотвращения окисления и горения волокна на воздухе его помещали в вакуумированную стеклянную колбу.

Углеродное волокно нельзя было нагреть до слишком высокой температуры, и поэтому первые лампочки имели эффективность преобразования энергии в видимый свет всего 0,5%.

Использование вольфрамовой нити позволило повысить КПД примерно до 1 %.

В современных обычных лампочках накаливания в качестве нити накала используется дважды намотанная вольфрамовая спираль, а колба заполнена инертным газом аргоном.

Такая конструкция позволила повысить температуру волокна примерно до Т = 2800 К, повысить КПД до h = 3% и получить более благоприятный спектр излучения с лучшей цветопередачей.

Давайте найдем температуру нити накаливания лампы в номинальном режиме ее работы.

Как рассчитать температуру нити лампы накаливания в номинальном режиме

Температурный коэффициент сопротивления вольфрама (из которого и изготовлена нить лампы накаливания) равен α = 0.0045/К, причем он связан с изменением сопротивления (вместе с изменением температуры) следующим соотношением:

Связь температурного коэффициента сопротивления с изменением температуры

Здесь:

R0-сопротивление нити накаливания при 0°С;

R-сопротивление нити накаливания при текущей температуре t.

Сопротивление R0 нити накаливания при 0°С нам не известно, его сейчас нужно косвенным путем определить. Для этого сначала при помощи мультиметра измерим сопротивление лампы при комнатной температуре.

Далее взглянем на комнатный термометр, и узнаем таким образом температуру воздуха в комнате.

Если принять, что холодная нить накаливания лампы имеет точно такую же температуру, что и воздух в комнате, то сопротивление лампы при 0°С легко определить по формуле: 

Сопротивление лампы при нуле градусов

Сюда необходимо подставить:

t-температура в комнате (по термометру);

Rk-сопротивление нити накаливания лампы при текущей температуре в комнате (измерим мультиметром).

Итак, теперь нам известно сопротивление R0 нити накаливания нашей лампы при 0°С. Теперь, зная номинальную мощность лампы и ее номинальное напряжение, определим чисто математическим путем ее номинальное сопротивление Rn по следующей известной формуле:

Номинальное сопротивление лампы

Подставим сюда данные, указанные прямо на лампе:

U-номинальное напряжение лампы;

P-номинальная мощность лампы.

Теперь приведем самую первую формулу к следующему виду, и подставим только что найденное номинальное сопротивление Rn, и сопротивление R0 при 0°С, которое было найдено выше, а также температурный коэффициент сопротивления α = 0.0045/К для вольфрама (взятый из справочника):

Температура нити накаливания лампы в рабочем состоянии

Вот мы и нашли реальную температуру нити накаливания лампы в рабочем состоянии, не измеряя ее прямо, а лишь зная номинальную мощность P, номинальное напряжение сети U, сопротивление в холодном состоянии Rk, комнатную температуру t и температурный коэффициент сопротивления вольфрама α.

Андрей Повный

Популярные публикации:

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

Подписывайтесь на наш канал в Telegram: Домашняя электрика 



Поделитесь этой статьей с друзьями:


Другие статьи с сайта Электрик Инфо:

  • Почему не возможно существование вечной лампочки
  • Электрическая лампа загоралась от спички
  • Как изменяется сопротивление при нагреве металлов
  • Электрические источники света - подборка статей
  • Устройство плавного включения ламп накаливания
  • Как выбрать качественную лампу накаливания
  • Чем опасна контрольная лампа и почему она запрещена правилами
  • Постоянно сгорает лампа в одном и том же светильнике. В чем дело, и как быт ...
  • Что такое электрическое сопротивление и как оно зависит от температуры
  • Светодиодные лампы FILAMENT - устройство, виды, характеристики достоинства ...
  • Категория: Электрическая энергия в быту и на производстве » В помощь начинающим электрикам

    Андрей Повный – все статьи

      Комментарии:

    #1 написал: Даниил |

    С помощью электрического тока мы можем нагреть тонкую проволоку (например, платиновую проволоку) до такой высокой температуры, что она начнет светиться. Многие изобретатели использовали эту особенность для создания лампочки. Только между 1878 и 1880 годами Дисон построил лампу из углеродного волокна, которая, в отличие от своих предшественников, могла светиться сотни или тысячи часов. Первая электрическая лампочка Эдисона была впервые зажжена 21 октября 1879 года в лаборатории в Менло-Парке и светилась более 45 часов. Через год после его открытия 300 лампочек Эдисона освещали пароход «Колумбия», направлявшийся из Америки в Европу. Эдисон использовал бамбуковое, позднее целлулоидное волокно, которое обжигали путем отжига в керосине и помещали в стеклянный термос. Из закона излучения Планка следует, что чем горячее нить накала, тем больше света излучает лампа в видимом диапазоне. Эксперименты Анера фон Вайсбаха привели в 1898 г. осмиевое волокно, эксперименты более поздних изобретателей танталового волокна и, наконец, в 1904 г. вольфрама (диаметром менее 0,05 мм), которые намотаны в тонкую свободно свисающую спираль (волокно расширяется и сжимается). из-за температуры). С 1813 года Ирвинг Ленгмюр придумал наполнение лампочек смесью аргона и азота, чтобы нить могла нагреваться до температуры 2800°С. 

      Комментарии:

    #2 написал: Павел |

    При более высокой температуре нить накала быстро испаряется, что приводит к ее обрыву и порче колбы. Этот галогенный цикл используют специальные так называемые галогенные лампы: в лампе присутствует примесь галоэлемента, обычно йода. Атомы вольфрама, испарившиеся из волокна, уходят на стенку колбы, где температура ниже (около 1000 К), и там образуется галогенид (обычно иодид) вольфрама. Затем молекулы галогенида вольфрама диффундируют обратно к нити накала, где они разлагаются при более высокой температуре нити. При этом атомы вольфрама снова оседают на волокне, а свободные атомы гало-элемента диффундируют к стенке колбы, где они снова готовы к следующему циклу регенерации. Это повышает КПД преобразования энергии в видимый свет до 6% и далее улучшится цветопередача, так как спектр излучения больше похож на солнечный. Температуру нити больше повышать нельзя, так как температура плавления вольфрама 3660 К и нет другого подходящего материала, который выдерживал бы более высокую температуру и при этом хорошо нагревался. Колбы галогенных ламп обычно изготовлены из специального кварцевого стекла, потому что более горячая нить накала их больше нагревает; обычное стекло плавилось бы при таких температурах.

      Комментарии:

    #3 написал: Эдуард |

    Для расчета температуры нити лампы накаливания можно использовать закон Стефана-Больцмана и закон Вина. Закон Стефана-Больцмана связывает количество излучаемой энергии с температурой тела. Он выражается следующей формулой:

    P = σ * A * ε * T^4

    где P - мощность излучаемой энергии, σ - постоянная Стефана-Больцмана, A - площадь поверхности излучающего тела, ε - коэффициент излучения, T - абсолютная температура тела.

    Закон Вина связывает максимальную интенсивность излучения с длиной волны, на которой она достигается. Он выражается следующей формулой:

    λ_max * T = b

    где λ_max - длина волны, на которой достигается максимальная интенсивность излучения, T - абсолютная температура тела, b - постоянная Вина.

    Для расчета температуры нити лампы накаливания нужно определить ее мощность, площадь поверхности и коэффициент излучения. Мощность можно измерить с помощью ваттметра, площадь поверхности можно оценить по геометрическим параметрам нити, а коэффициент излучения зависит от материала нити. Для большинства материалов коэффициент излучения близок к 1.

    Например у нас есть лампа накаливания мощностью 100 Вт и напряжением питания 220 В. Чтобы рассчитать температуру нити лампы, нужно использовать закон Стефана-Больцмана и закон Вина.

    Первым делом, по закону Вина, мы находим длину волны пика излучения нити лампы: λ = (2898 / T), где λ - длина волны в микрометрах, T - температура нити в Кельвинах.

    Для нашего случая, длина волны пика излучения будет: λ = (2898 / 2780) = 1.042 мкм.

    Затем, используя закон Стефана-Больцмана, мы можем рассчитать мощность излучения нити лампы: P = σ * A * ε * T^4, где P - мощность излучения в ваттах, σ - постоянная Стефана-Больцмана (5.67 * 10^-8 Вт/м^2К^4), A - площадь поверхности нити лампы, ε - эмиссионный коэффициент (показывает, насколько хорошо нить излучает тепло), T - температура нити в Кельвинах.

    Площадь поверхности нити лампы можно рассчитать приблизительно как: A = (2 * π * r * l) + (π * r^2), где r - радиус нити лампы, l - длина нити лампы.

    Эмиссионный коэффициент для вольфрама (обычно используется для нитей ламп накаливания) составляет около 0,32.

    Подставляя все значения, мы получим: 100 = 5.67 * 10^-8 * A * 0.32 * 2780^4, откуда можно найти площадь поверхности нити лампы: A = 0,00022 м^2.

    Затем, используя формулу для площади поверхности нити лампы, мы можем найти радиус и длину нити: r = sqrt(A / (2 * π * l)) = 0,00062 метра, l = A / (π * r^2) = 0,088 метра.

    И, наконец, мы можем рассчитать температуру нити лампы: T = (100 / (5.67 * 10^-8 * A * ε))^0.25 = 2780 Кельвинов.

    Для перевода 2780 Кельвинов в градусы Цельсия нужно выполнить следующие действия: 2780 - 273.15 = 2506.85 градусов Цельсия Таким образом, 2780 Кельвинов равны примерно 2506.85 градусов Цельсия.

      Комментарии:

    #4 написал: Valter |

    Важное замечание, что для нити накаливания осветительной лампы сопротивление в холодном состоянии в 10 раз меньше, чем при нагретом до рабочей температуры.

    Присоединяйтесь к нам в социальных сетях:

    ВКонтакте | Facebook | Одноклассники | Электрик Инфо на Яндекс Дзен

     

    Популярные разделы сайта:

    Электрика дома  Электрообзоры  Энергосбережение
    Секреты электрика Источники света Делимся опытом
    Домашняя автоматика Электрика для начинающих
    Практическая электроника Электротехнические новинки
    Андрей Повный - все статьи автора



    Copyright © 2009-2024 Электрик Инфо - Electrik.info, Андрей Повный
    Вся информация на сайте предоставлена в ознакомительных и познавательных целях.
    За применение этой информации администрация сайта ответственности не несет.
    Перепечатка материалов сайта запрещена.