Джерела світла
Вступ
Джерела світла є природні та штучні. До природніх джерел світла відноситься Сонце та зорі. До штучних джерел світла відносяться:лампи розжарювання(лампочки), люмінесцентні лампи, світлодіодні лампи, лазери та ін..В цій роботі приведені деякі відомості про світло; розглянуто світлові характеристики Сонця, ламп розжарювання та світлодіодної лампи.
1. Світло.
Світло(світлові хвилі)-це різновидність електромагнітних хвиль, шкала яких зображена на мал.1. Світло(світлові хвилі)- це видима частинна електромагнітних хвиль, що сприймаються оком. Ці хвилі займають невеличку ділянку шкали від 380нм до 760нм(1нм=10-9 м). Ця ділянка розташована між інфрачервоними(тепловими) хвилями(променями) та ультрафіолетовими хвилями(променями), отриманими при випромінюванні нагрітих тіл.
Мал.1. Шкала електромагнітних хвиль
1.1.Променевий та світловий потоки. Освітленість.
Випромінювання та світло переносять енергію. Потік випромінювання або променевий потік ФЗ-це енергія, що переноситься електромагнітними хвилями,через одиницю площі поверхні(1м2) за одинтцю часу(1с);-одиниця вимірювання-ват(Вт). Світловий потік Ф характеризує потужність видимої частини випромінювання, що оцінюється за дією цього випромінювання на око людини;-одиниця вимірювання-люмен(лм). Променевий потік від Сонця для Землі на одиницю площі поверхні(сонячна стала) jз=Фз=1370 Вт/м2 . Сонячне випромінювання, проходячи крізь атмосферу Землі, втрачає приблизно 370 Вт/м2 і до земної поверхні доходить тільки jп=1000 Вт/м2 . Відношення світлового потоку Ф, що падає на поверхню, до площі S цієї поверхні називається освітленістю:
Е=Ф/S; одиницею освітленості є люкс(лк)=лм/м2
1.2. Деякі відомості про світло. 1лм монохроматичного світлового потоку з довжиною хвилі 550нм (зелений колір-найчутливіший для ока) відповідає променевому потоку 0.001464Вт;тобто 1Вт такого випромінювання складає 683лм.Світлова віддача цього ідеального джерела світла була б 683лм/Вт. Освітленість променями Сонця в полудень(Сонце в зеніті) на середніх широтах Е=100000лк.Цій освітленості відповідає сонячна стала для Землі =1370 Вт/м2. Сонячне випромінювання, проходячи крізь атмосферу Землі, втрачає приблизно370 Вт/м2 і до земної поверхні доходить тільки jп= 1000 Вт/м2 .
2.Дослідження різних джерел світла
2.1.Характеристика деяких джерел світла
Використано чотири джерела світла: три лампочки та Сонце.
1) Світлодіодна лампа потужністю Р=10Вт(220В) зі світловим потоком Ф=850лм ; світлова енергія 850/683=1.245Вт.
2)Лампочка(36В) з прозорою колбою потужністю Р=75Вт зі світловим потоком850 лм ; світлова енергія 850/683=1.245Вт.
3) Лампочка(220В)із синьою колбою потужністю Р=60Вт зі світловим потоком 425 лм; світлова енергія 425/683=0.623Вт.
4) Сонячне випромінювання освітленістю Е=80000лк(світловий потік Ф= 80000лм) . Освітленості Е=80000лк відповідає енергія випрмінювання 800 Вт/м2 і світлова енергія 80000/683=117.13Вт/ м2.
2.2.Порівняння характеристик джерел світла:
1)світлові ККД: Сонця-(80000/683)/800=0.1464; світлодіодної лампи зі світловим потоком 850лм потужністю10Вт-(850/683)/10=0.124; лампи розжарювання з прозорою колбою зі світловим потоком 850лм потужністю75Вт -(850/683)/75=0.017; лампи розжарювання з синьою колбою зі світловим потоком 425лм потужністю60Вт -(425/683)/60=0.010;
2)теплові ККД:
Сонця-(800-117.13)/800=0.8536;-гріє у 5.8 разів більше,ніж світить;
світлодіодної лампи зі світловим потоком 850лм потужністю10Вт -(850/683)/10=0.876;- гріє у 7.1 рази більше,ніж світить;
лампи розжарювання з прозорою колбою зі світловим потоком 850лм потужністю75Вт -(75-850/683)/75=0.983;- гріє у 70.6 разів більше,ніж світить;
лампи розжарювання із синьою колбою зі світловим потоком 425лм потужністю 60Вт -(60-425/683)/600=0.990; -гріє у 99 разів більше,ніж світить;
3)світлова віддача:
Сонця-80000/800=100лм/Вт
світлодіодної лампи-850/10=85лм/Вт;
лампи розжарювання з прозорою колбою-850/75=11.33лм/Вт
лампи розжарювання з синьою колбою зі світловим потоком 425лм потужністю 60Вт -425/60=7.08лм/Вт;
Висновки:
1)світлодіодна лампа і Сонце є кращими джерелами світла, ніж лампи розжарювання
2)лампи розжарювання є більше джерелом тепла,ніж світла
3)лампа із синьою колбою є найгіршим джерелом світла, але гріє краще ніж, лампа з прозорою колбою;
2.3.Нагрівання води різними джерелами світла
Для досліду використано чотири джерела світла: три лампочки та Сонце. Діаметр колб всіх трьох ламп 6см. Кожним джерелом опромінювали однакові посудини з водою( m=190г ) в приміщенні; площа опромінення Sо=70 см2; відстань від центра лампи до води-7см; тривалість опромінення -1година.
1) Світлодіодна лампа потужністю Р=10Вт(220В) з температурою випромінювання 3000К;із світловим потоком Ф=850лм; в світлодіодній лампі вторинним джерелом випромінювання є колба площею Sк=0.0085 м2.Випромінювальна здатність колби Фк=Р/Sк=1176.5Вт/м2,що відповідає температурі Т=379.5K(106.5 0С). Цій температурі відповідає довжина хвиліλ= 7643нм - це область інфрачервоних хвиль.
Потужність опромінення води від світлодіодної лампи Рн=Р·So/(4·3.14·0.072)=1.14Вт. Воду нагріто на:∆t= 20С.
2)Лампочка(36В) з прозорою колбою потужністюР=75Вт зі світловим потоком 850 лм. В лампочці з прозорою колбою первинним джерелом світла є пряма спіраль площею випромінювання Sл=0.000047 м2.
Випромінювальна здатність лампи Фл=Р/Sл=1595744.6 Вт/м2 ,що відповідає температурі Т=2303K(темп .плавлення вольфраму 3653К). Цій температурі відповідає довжина хвилі λ=1258нм-це область інфрачервоних хвиль. Вторинним джерелом випромінювання є колба площею Sк=0.01 м2.Випромінювальна здатність колби Фк=Р/Sк=7500Вт/м2,що відповідає температурі Т=603K.Цій температурі відповідає довжина хвилі λ=4806 нм-це також область інфрачервоних хвиль.
Потужність опромінення води від лампочки з прозорою колбою Рн=Р· Sо /(4·3.14·0.072)=8.53 Вт. Воду нагріто на:∆t= 130С .
3) Лампочка(220В)із синьою колбою потужністюР=60Вт зі світловим потоком425 лм.
Вторинним джерелом випромінювання є колба площею Sк=0.01м2.Випромінювальна здатність колби Фк=Р/Sк=6000Вт/м2,що відповідає температурі Т=570K.
Цій температурі відповідає довжина хвилі λ=5084нм-це область інфрачервоних хвиль. Потужність опромінення від лампочки із синьою колбою
Рн=Р* Sо /(4·3.14·0.072)=6.82Вт. Воду нагріто на:∆t= 110С.
4) Сонце з температурою Т=5780K. на фотосфері(поверхні) . Цій температурі відповідає довжина хвилі λ=508нм-це область видимого (синьо-зеленого) світла. Освітленості Е=80000лк відповідає енегетична світність Сонця 800Вт/ м2 .
Потужність опромінення води від Сонця Рн=jп*So*80000/100000=5.60 Вт.
Воду нагріто на:∆t= 6.50С .
Виконаємо деякі розрахунки :
1) Світлодіодна лампа:кількість теплоти для нагріву води на 20С-Q=cm∆t=4180·0,19·2=1588.4Дж; затрачена енергія-Е=10·3600=36000Дж. ККД-ɳ=0.044;
2) Лампочка з прозорою колбою: кількість теплоти для нагріву води на 130С-Q=cm∆t=4180·0,19·13=10324.6Дж; затрачена енергія-Е=75·3600=270000Дж. ККД-ɳ=0.038;
3) Лампочка із синьою колбою: кількість теплоти для нагріву води на 110С-Q=cm∆t=4180·0,19·11=8736.2Дж; затрачена енергія-Е=60·3600=216000Дж. ККД-ɳ=0.041;
4)Сонце: кількість теплоти для нагріву води на 6.50С-Q=cm∆t=4180·0,19·6.5=5162.3Дж; затрачена енергія-Е=5.6·3600=20160Дж. ККД-ɳ=0.256;
Висновок: нагрів лампочками дуже невигідний енергетично
2.4.Дещо про економію.
За величиною світлового потоку відповідними є світлодіодна лампа 10 Вт та лампа розжарювання 75 Вт. Маємо економію електроенергії 65 Вт на одну лампочку.За одну годину економія електроенергії 0.065кВт·год.За 1000 годин(термін роботи ЛР) економія буде 65кВт·год. За 20000годин(термін роботи світлодіодної лампи) економія буде 1300кВт·год. До вартості зекономленої електроенергії потрібно додати різницю між ціною 20 ЛР і однієї світлодіодної лампи(наприклад,20·5-40=60грн).