Газоразрядная лампа
Газоразрядные лампы — это семейство искусственных источников света, которые генерируют свет, посылая электрический разряд через ионизированный газ — плазму .
Обычно в таких лампах используется благородный газ ( аргон , неон , криптон и ксенон ) или смесь этих газов. Некоторые из них включают дополнительные вещества, такие как ртуть , натрий и металлов галогениды , которые испаряются во время запуска и становятся частью газовой смеси.
Одноцокольные самозажигающиеся лампы изолированы слюдяным диском и заключены в из боросиликатного стекла (дуговую трубку) и металлический цоколь. газоразрядную трубку [1] [2] К ним относится натриевая лампа , которая является газоразрядной лампой в уличном освещении. [3] [4] [1] [2]
В процессе работы некоторые электроны вынуждены покидать атомы газа вблизи анода под действием электрического поля, приложенного между двумя электродами, в результате чего эти атомы остаются положительно ионизированными . Высвободившиеся таким образом свободные электроны текут к аноду, а образовавшиеся таким образом катионы ускоряются электрическим полем и движутся к катоду .
Ионы обычно преодолевают лишь очень небольшое расстояние, прежде чем столкнуться с нейтральными атомами газа, которые отдают ионам свои электроны. Атомы, потерявшие электрон во время столкновений, ионизируются и устремляются к катоду, в то время как ионы, получившие электрон во время столкновений, возвращаются в состояние с более низкой энергией , высвобождая энергию в виде фотонов . Таким образом, излучается свет характеристической частоты. Таким образом, электроны передаются через газ от катода к аноду.
Цвет излучаемого света зависит от спектров излучения атомов, составляющих газ, а также от давления газа, плотности тока и других переменных. Газоразрядные лампы могут воспроизводить широкий спектр цветов. Некоторые лампы производят ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет с помощью флуоресцентного покрытия на внутренней стороне стеклянной поверхности лампы. Люминесцентная лампа , пожалуй, самая известная газоразрядная лампа.
По сравнению с лампами накаливания газоразрядные лампы имеют более высокий КПД . [5] [6] но их сложнее изготовить, и большинство из них имеют отрицательное сопротивление , что приводит к уменьшению сопротивления плазмы по мере увеличения тока. Поэтому им обычно требуется вспомогательное электронное оборудование, такое как балласты, для контроля тока, проходящего через газ, и предотвращения разгона тока ( вспышки дуги ).
Некоторые газоразрядные лампы также имеют ощутимое время запуска для достижения полной светоотдачи. Тем не менее, из-за их большей эффективности, газоразрядные лампы были предпочтительнее ламп накаливания во многих осветительных устройствах, вплоть до недавних усовершенствований в светодиодных ламп . технологии [ нужна ссылка ]
История
[ редактировать ]История газоразрядных ламп началась в 1675 году, когда французский астроном Жан Пикард заметил, что пустое пространство в его ртутном барометре светилось, когда ртуть покачивалась, пока он держал барометр. [7] Следователи, в том числе Фрэнсис Хоксби , попытались определить причину явления. Хоксби впервые продемонстрировал газоразрядную лампу в 1705 году. [8] Он показал, что вакуумированный или частично вакуумированный стеклянный шар, в который он поместил небольшое количество ртути, будучи заряженным статическим электричеством, может производить свет, достаточно яркий, чтобы при нем можно было читать. Явление электрической дуги впервые описал Василий Васильевич Петров в 1802 году. [9] [10] [11] В 1809 году сэр Хамфри Дэви продемонстрировал электрическую дугу в Королевском институте Великобритании. [12] [13] С тех пор были исследованы газоразрядные источники света, поскольку они создают свет за счет электричества значительно эффективнее, чем лампы накаливания .
Отцом газоразрядной трубки низкого давления был немецкий стеклодув Генрих Гейсслер , который, начиная с 1857 года, сконструировал красочные художественные трубки с холодным катодом с различными газами в них, которые светились разными цветами, называемые трубками Гейсслера . Было обнаружено, что инертные газы, такие как благородные газы неон, аргон, криптон или ксенон, а также углекислый газ в трубках хорошо работают . Эта технология была коммерциализирована французским инженером Жоржем Клодом в 1910 году и стала неоновым освещением , используемым в неоновых вывесках .
Внедрение лампы на парах металлов, включающей в себя различные металлы внутри газоразрядной трубки, было более поздним достижением. Тепло газового разряда испаряет часть металла, и тогда разряд создается почти исключительно парами металла. Обычными металлами являются натрий и ртуть из-за их излучения в видимом спектре.
Спустя сто лет исследований были созданы лампы без электродов, которые вместо этого питаются от микроволновых или радиочастотных источников. Кроме того, были созданы источники света гораздо меньшей мощности, что расширяет возможности применения газоразрядного освещения для домашнего или внутреннего использования.
Лампа "Румкорф"
[ редактировать ]Лампы Румкорфа были ранней формой портативной электрической лампы, названной в честь Генриха Даниэля Румкорфа и впервые использованной в 1860-х годах. Лампа состояла из трубки Гейсслера , возбуждаемой индукционной катушкой Румкорфа с батарейным питанием ; ранний трансформатор, способный преобразовывать постоянный ток низкого напряжения в быстрые импульсы высокого напряжения. Первоначально лампа генерировала белый свет с помощью трубки Гейсслера, наполненной углекислым газом. Однако углекислый газ имел тенденцию распадаться. Следовательно, в более поздних лампах трубка Гейсслера была заполнена азотом (который генерировал красный свет), а прозрачное стекло было заменено урановым стеклом (которое флуоресцировало зеленым светом). [14]
Предназначенная для использования в потенциально взрывоопасных средах горнодобывающей промышленности, а также в бескислородных средах, таких как дайвинг, или в качестве безнагревательной лампы для возможного использования в хирургии, лампа на самом деле была разработана Альфонсом Дюма, инженером железных рудников Сент- Луиса. Священника и Лака, недалеко от Прива , в департаменте Ардеш , Франция, и доктора Камиллы Бенуа, врача из Прива. [15] В 1864 году Французская академия наук наградила Дюма и Бенуа за их изобретение премией в 1000 франков. [16] Лампы, представлявшие собой передовую технологию своего времени, получили известность после того, как были описаны в нескольких Жюля Верна . научно-фантастических романах [17]
Цвет
[ редактировать ]Каждый газ в зависимости от своего атомного строения излучает излучение определенных длин волн, своего спектра излучения , определяющего цвет света лампы. В качестве способа оценки способности источника света воспроизводить цвета различных объектов, освещаемых источником, Международная комиссия по освещению (CIE) ввела индекс цветопередачи (CRI). Некоторые газоразрядные лампы имеют относительно низкий индекс цветопередачи, что означает, что цвета, которые они освещают, существенно отличаются от того, как они выглядят при солнечном свете или другом освещении с высоким индексом цветопередачи.
| Газ | Цвет | Спектр | Примечания | Изображение |
|---|---|---|---|---|
| Гелий | От белого до оранжевого ; при некоторых условиях может быть серым , синим или зелено-голубым . |  | Используется художниками для специального освещения. |  |
| Неон | Красно-оранжевый |  | Интенсивный свет. Часто используется в неоновых вывесках и неоновых лампах . |  |
| Аргон | От фиолетового до бледно-лавандового синего |  | Часто используется вместе с парами ртути . |  |
| Криптон | Серо -белый до зеленого . При высоких пиковых токах ярко-сине-белый . |  | Используется художниками для специального освещения. |  |
| Ксенон | Серый или серо-голубой тускло-белый. При высоких пиковых токах очень яркий зелено-синий . |  | Используется в фонарях , ксеноновых HID-фарах и ксеноновых дуговых лампах . |  |
| Азот | Похож на аргон , но более тусклый и розовый ; при высоких пиковых токах яркий сине-белый цвет . |  | используется в лампе Мура (исторически) |  |
| Кислород | От фиолетового до лавандового , тусклее аргона |  |  | |
| Водород | Лавандовый при слабом токе, от розового до пурпурного при токе более 10 мА. |  |  | |
| Водяной пар | Похож на водородный , диммер | |||
| Углекислый газ | От сине-белого до розового , при более низких токах ярче, чем у ксенона. | В углекислотном лазере использовалась лампа Мура (исторически). |  | |
| Пары ртути | Светло-голубой , интенсивный ультрафиолет |  | Ультрафиолет не показан на этом спектральном изображении. Используется в сочетании с люминофорами для генерации света многих цветов. Широко используется в ртутных лампах и люминесцентных трубках . |  |
| Пары натрия (низкое давление) | Яркий оранжево-желтый |  | Широко используется в натриевых лампах . |  |
Типы
[ редактировать ]Лампы делятся на семейства в зависимости от давления газа и наличия нагрева катода. Лампы с горячим катодом имеют электроды, которые работают при высокой температуре и нагреваются от тока дуги в лампе. Тепло выбивает электроны из электродов за счет термоэлектронной эмиссии , что помогает поддерживать дугу. Во многих типах электроды состоят из электрических нитей из тонкой проволоки, которые при запуске нагреваются отдельным током для зажигания дуги. Лампы с холодным катодом имеют электроды, которые работают при комнатной температуре. Чтобы начать проводимость лампы, необходимо приложить достаточно высокое напряжение ( напряжение зажигания ) для ионизации газа, поэтому для запуска этих ламп требуется более высокое напряжение.
Газоразрядные лампы низкого давления
[ редактировать ]Лампы низкого давления имеют рабочее давление значительно меньше атмосферного. Например, обычные люминесцентные лампы работают при давлении около 0,3% от атмосферного давления.
Люминесцентные лампы , лампы с нагретым катодом, наиболее распространенные лампы в офисном освещении и многих других приложениях, производят до 100 люмен на ватт.
Неоновое освещение — широко используемая форма специального освещения с холодным катодом, состоящая из длинных трубок, наполненных различными газами под низким давлением, возбуждаемых высоким напряжением, используемая в качестве рекламы в неоновых вывесках .
низкого давления Натриевые лампы , наиболее эффективный тип газоразрядных ламп, производящие до 200 люмен на ватт, но за счет очень плохой цветопередачи . Почти монохроматический желтый свет приемлем только для уличного освещения и подобных применений.
Небольшая газоразрядная лампа с биметаллическим переключателем используется для зажигания люминесцентной лампы . В этом случае тепло разряда используется для срабатывания переключателя; стартер заключен в непрозрачный корпус, и небольшой световой поток не используется.
Лампы непрерывного свечения производятся для специального применения, где электроды могут быть вырезаны в форме буквенно-цифровых символов и фигур. [18]
мерцающим пламенем — это газоразрядная лампа, которая производит свет путем ионизации газа Мерцающая лампочка, лампочка с мерцающим пламенем или лампа с , обычно неона, смешанного с гелием и небольшим количеством газообразного азота , электрическим током, проходящим через два электрода в форме пламени. экраны, покрытые частично разложившимся азидом бария . Ионизированный газ беспорядочно перемещается между двумя электродами, создавая эффект мерцания, который часто рекламируется как напоминающий пламя свечи (см. Изображение). [19]
Газоразрядные лампы высокого давления
[ редактировать ]Лампы высокого давления имеют разряд, который происходит в газе при давлении немного меньшем или больше атмосферного. Например, натриевая лампа высокого давления имеет дуговую трубку под давлением от 100 до 200 торр , что составляет от 14 до 28% атмосферного давления; Некоторые автомобильные HID-фары выдерживают давление до 50 бар , что в пятьдесят раз превышает атмосферное давление.
Металлогалогенные лампы излучают почти белый свет и достигают светоотдачи 100 люмен на ватт. Область применения включает внутреннее освещение высотных зданий, автостоянок, магазинов, спортивных площадок.
Натриевые лампы высокого давления , производящие до 150 люмен на ватт, дают более широкий спектр света, чем натриевые лампы низкого давления. Также используется для уличного освещения и для искусственной фотоассимиляции при выращивании растений.
высокого давления Ртутные лампы являются старейшим типом ламп высокого давления и в большинстве случаев были заменены металлогалогенными и натриевыми лампами высокого давления. Они требуют более короткой длины дуги.
Газоразрядные лампы высокой интенсивности
[ редактировать ]
Разрядная лампа высокой интенсивности (HID) — это тип электрической лампы , которая излучает свет посредством электрической дуги между вольфрамовыми электродами, расположенными внутри полупрозрачной или прозрачной дуговой трубки из плавленого кварца или плавленого глинозема . По сравнению с лампами других типов, для данной длины дуги существует относительно высокая мощность дуги. Примеры газоразрядных ламп включают ртутные лампы , металлогалогенные лампы , керамические газоразрядные металлогалогенные лампы , натриевые лампы и ксеноновые дуговые лампы.
HID-лампы обычно используются, когда желателен высокий уровень света и энергоэффективность.
Другие примеры
[ редактировать ]Ксеноновая лампа-вспышка производит одиночную вспышку света в диапазоне миллисекунд-микросекунд и обычно используется в кино, фотографии и театральном освещении. Особо прочные версии этой лампы, известные как стробоскопы , могут производить длинные последовательности вспышек, позволяющие стробоскопически исследовать движение . Это нашло применение при изучении механического движения, в медицине и при освещении танцевальных залов.
Альтернативы
[ редактировать ]- Лампы накаливания : имеют низкие производственные затраты; [20]
- Белая светодиодная лампа . Эффективность белых светодиодных ламп составляет 61-200 лм/Вт. [21]
- Фонари аккумуляторные (наполнение криптоном или ксеноном).
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б «Натриевая лампа низкого давления» .
- ^ Перейти обратно: а б «Натриевая лампа низкого давления» .
- ^ «Сравнение освещения: светодиодное освещение и натриевое освещение высокого давления/натриевое низкое давление» . www.stouchlighting.com .
- ^ «Натриевая лампа – как работает и история» . edisontechcenter.org .
- ^ «Виды освещения» . Energy.gov.ru . Министерство энергетики США . Проверено 10 июня 2013 г.
- ^ «Световые технологии: руководство по энергоэффективному освещению» (PDF) . Энергетическая звезда . Агентство по охране окружающей среды США . Проверено 10 июня 2013 г.
- ^ См.:
- (Посох) (1676). «Experience faire à l'Observatoire sur la Barometre simple touchant un nouveau Phenomene qu'on ya découvert» [Эксперимент, проведенный в [Парижской] обсерватории на простом барометре относительно нового явления, которое там было обнаружено]. Journal des Sçavans (парижское издание) (на французском языке): 112–113. Со стр. 112–113: «On sçait que le Barometre simple n'est autre выбрал qu'un tuyau de verre… toutes les circonstances qu'on y découvrira». (Известно, что простой барометр представляет собой не что иное, как стеклянную трубку, [то есть] герметично закрытую сверху и открытую снизу, в которой находится ртуть, которая обычно стоит на определенной высоте, а остальная часть [трубки] - выше будучи пустым, у мистера Пикара есть один из них в обсерватории [в Париже], который в темноте — если встряхнуть его настолько, чтобы заставить ртуть покачиваться — выбрасывает искры и излучает определенный мерцающий свет, который заполняет всю часть трубки. пустота: но это происходит при каждом колебании только в пустоте и только при падении ртути. Тот же опыт пытались провести на различных других барометрах того же состава, но пока удалось только с [этим] одним; Поскольку кто-то решил всесторонне изучить дело, мы опишем более подробно все обстоятельства этого дела по мере того, как они будут обнаружены.)
- Перепечатано в: (Посох) (1676). «Опыт, проведенный в [Парижской] обсерватории на простом барометре, касающийся нового явления, которое там было обнаружено] . Journal des Sçavans (Амстердамское издание) (на французском языке): 132.
- (Посох) (1694 г.). «Sur la lumiere du baromètre» («В свете барометра»). Histoire de l'Académie Royale des Sciences (на французском языке). 2 : 202–203. Из стр. 202: «Vers l'année 1676, М. Пикард faisant Transporter son Baromètre… il ne s'en trouva aucun qui fit de la lumière». (К 1676 году, [когда] г-н Пикард [перевозил] свой барометр из обсерватории [в Париже] в порт Сен-Мишель ночью, он заметил свет в той части трубки, где двигалась ртуть; это явление удивило его, он немедленно сообщил об этом в «Журнал де Саванс» , и те, у кого были барометры, исследовав их, не нашли ничего, что давало бы свет.) Ко времени смерти Пикара (1682 г.) его барометр потерял свою способность производить свет. Однако после того, как Филипп де Ла Гир (1640–1718) восстановил барометр Пикара, он снова начал светиться. Кассини (1625–1712) также владел барометром, излучающим свет.
- См. Также: Барометрический свет.
- ^ Хоксби, Фрэнсис (1 января 1705 г.). «Несколько экспериментов с ртутным фосфором, проведенных перед Королевским обществом в Грешем-колледже» . Философские труды Лондонского королевского общества . 24 (303): 2129–2135. дои : 10.1098/rstl.1704.0096 . S2CID 186212654 .
- ^ Petrov, Vasily (1803). Извѣстіе о Гальвани-Вольтовскихъ Опытахъ [ News of Galvanic-Voltaic Experiments ] (in Russian). Saint Petersburg, Russia: Printing House of the State Medical College. From pp. 163–164: "Естьли на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будуть положены два или три куска древесного угля , … и отъ которого темный покой довольно ясно освѣщенъ быть можетъ." (If on a glass plate or on a bench with glass legs there be placed two or three pieces of charcoal, capable of producing light-bearing phenomena by means of the Galvanic-Voltaic fluid, and if there are then insulated metal conductors (electrodes), in communication with both poles of a huge battery, bring these closer to each other to a distance [i.e., separation] of one to three lines [2.5-7.5 mm]; then there is between them a very bright white light or flame, from which these coals burn quickly or slowly, and by which the darkness may be quite clearly illuminated.)
- ^ Андерс, Андре (2003). «Отслеживание происхождения дуговой плазменной науки. II. Ранние непрерывные разряды» . Транзакции IEEE по науке о плазме . 31 (5): 1060–1069. Бибкод : 2003ITPS...31.1060A . дои : 10.1109/TPS.2003.815477 . S2CID 11047670 .
- ^ Petrov also observed electric discharges through low-pressure air. From (Petrov, 1803), p. 176: "Впрочемъ, свѣтъ, сопровождавшій теченіе Гальвани-Вольтовской жидкости въ безвоздушномъ мѣстѣ, былъ яркій, белаго цвѣта, и при томъ не рѣдко оть разкаленнаго конца иголки, либо и ото дна стакана отскакивали искры или какъ бы маленькія звѣздочки." (However, the light accompanying the flow of the Galvanic-Voltaic fluid in the airless space was bright, white in color; and at the same time, not rarely from the incandescent ends of the needles [i.e., electrodes] or from the bottom of the glass, came sparks like small stars.) From (Petrov, 1803), p. 190: "3) Електрическій свѣтъ въ весьма изтонченномъ воздухѣ предстовляетъ несравненно величественнѣйшія явленія, нежели какія могъ я примѣтить отъ свѣта Гальвани-Вольтовской жидкости." (Electric light in very rarefied air presents an incomparably more majestic phenomenon than any that I could perceive from the light of the Galvanic-Voltaic fluid.)
- ↑ В 1801 и 1802 годах Дэви наблюдал яркие электрические искры, но не непрерывную дугу. Его батарее не хватало напряжения и тока, чтобы поддерживать электрическую дугу.
- Дэви, Х. (1802 г.). «Отчет о некоторых экспериментах по гальваническому электричеству, проведенных в театре Королевского института» . Журналы Королевского института Великобритании . 1 : 165–167.
- Дэви, Х. (1802 г.). «Отчет о некоторых экспериментах, проведенных в лаборатории Королевского института, касающихся действия гальванического электричества, производства тепла и изменения различных жидких веществ» . Журналы Королевского института Великобритании . 1 : 209–214.
- (Айртон, 1902), стр. 20-21.
- Дэви, Хамфри (1810). «Бекерианская лекция. Отчет о некоторых новых аналитических исследованиях природы некоторых тел, особенно щелочей, фосфора, серы, углеродистых веществ и кислот, до сих пор не состоявших в соединениях; с некоторыми общими наблюдениями по химической теории» . Философские труды Лондонского королевского общества . 100 : 39–104. Из стр. 47: «…электричество прошло через пары калия, образовав яркое пламя длиной от полдюйма до дюйма с четвертью;…»
- (Айртон, 1902), стр. 24–27.
- ^ О ранней истории электрических дуг см.: Айртон, Герта (1902). Электрическая дуга . Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Д. Ван Ностранд Ко., стр. 19 и далее.
- ^ Паоло Бренни (2007) «Урановое стекло и его научное использование», Архивировано 30 июня 2014 г. в бюллетене Wayback Machine Общества научных приборов , вып. 92, страницы 34–39; см. стр. 37.
- ^ См.:
- А. Дюма и Бенуа (1862) освещения шахтеров при «Прикладная физика — Заметка об аппарате, пригодном для их подземных работах с помощью индукционной лампы», Comptes Rendus , vol. 55, стр. 439–440.
- Дюма, «Описательная записка фотоэлектрической лампы» , Бюллетень Общества минеральной промышленности , вып. 9, стр. 5–14 (1863–1864).
- «Лампа Дюма», Бюллетень Общества горнодобывающей промышленности , вып. 9, стр. 113–117 (1863–1864).
- «Заметка об электрической лампе Дюма и Бенуа» , Бюллетень Общества минеральной промышленности , вып. 9, стр. 118–120 (1863–1864).
- Бюллетень законов Французской империи , серия 9, т. 23, стр. 639 (1864 г.); см. заявку на патент №. 1160°.
- «Новое предохранительное освещение для угольных шахт» , Журнал Института Франклина , 3-я серия, том. 49, страницы 262–263 (1865). Перепечатано из Athenæum (литературный журнал Лондона, Англия) 25 февраля 1865 года.
- Теодоз дю Монсель , «Применение к освещению шахтных галерей», Заметка об электроиндукционном аппарате Румкорфа (Париж, Франция: Готье-Виллар, 1867), страницы 394–398.
- См. Также: Коллекция Жюля Верна Андреаса Фермана: «Жюль Верн и электричество: Глава 2: Лампа Румкорфа» [на немецком языке]. Доступно в Интернете по адресу: Жюль Верн .
- ^ «Так называемая цена антисанитарного искусства» , Comptes Rendus , 60 : 273 (1865).
- ^ Путешествие к центру Земли (1864 г.), С Земли на Луну (1865 г.) и 20 000 лье под водой (1869 г.).
- ^ «Сайт АНТИКВАРНЫХ ЛАМПОЧЕК Килоката: неоновые лампы» . Bulbcollector.com .
- ^ Патент США 3238408 , Кайятт Филип Дж., «Мерцающие лампы накаливания», выдан 1 марта 1966 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы: отказ от обычных ламп накаливания» . europa.eu . Проверено 22 июля 2022 г.
- ^ «Светодиодная лампочка» . yourelectricianbrisbane.com.au . 15 марта 2022 г. Проверено 22 июля 2022 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Уэймут, Джон (1971). Электроразрядные лампы . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-23048-3 .
- Национальное управление безопасности дорожного движения. «Блики от фар и других передних фонарей» . Федеральный стандарт безопасности автотранспортных средств № 108 . Министерство транспорта США. Архивировано из оригинала 27 сентября 2011 г. Проверено 23 января 2006 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
