Вопрос. Тепловые источники света. Оптическая пирометрия.

Тепловые источники света

Электрическим источником оптического излучения, и в частности источником света, называют устройство для преобразования электрической энергии в лучистую энергию оптического спектра.

В применяемых электрических источниках оптического излучения электрическая энергия преобразуется в лучистую двумя основными способами: нагревом тела электрическим током и электрическим разрядом в газах и парах металлов. В соответствии с этим электрические источники оптического излучения (лампы) подразделяют на тепловые и разрядные. Возможна и комбинация указанных способов в одном источнике. Различные лампы отличаются между собой электроэнергетическими, светотехническими и эксплуатационными параметрами и характеристиками.

Тепловые источники света выполняют в виде различных ламп накаливания. Несмотря на многообразие ламп накаливания, все они работают по единому физическому принципу преобразования электрической энергии в оптическое излучение путем нагрева электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200...2800 °С, а также имеют сходные основные конструктивные элементы.

Для защиты от окисления тело накала лампы, выполненное в виде вольфрамовой нити, помещают в стеклянную колбу, из которой удаляют воздух и которую для газонаполненных ламп заполняют инертным газом (аргоном, криптоном, азотом или их смесью). Для включения лампы в электрическую цепь её снабжают цоколем, который для различных условий эксплуатации может быть резьбовым, штифтовым, цилиндрическим фиксирующимся и т. д. Наряду с прозрачными стеклянными колбами для снижения яркости лампы применяют матированные, опаловые или "молочные" колбы. Однако в таких колбах теряется до 20% светового потока лампы. В отдельных случаях цокольная часть внутренней поверхности колбы имеет отражатель, выполненный в виде зеркального напыления.

Излучательная способность тела нагрева согласно закону Стефана-Больцмана зависит от температуры его нагрева в четвертой степени. С другой стороны, закон смещения Вина устанавливает связь положения максимума в спектре излучения черного тела с температурой его нагрева

l_max = С /Т,

l_max- длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения черного тела, нм;

С = 2898×10³ нм×К - постоянная Вина; Т - абсолютная температура тела, К.

Из анализа формулы следует, что с увеличением температуры нагрева максимум излучения черного тела смещается в более коротковолновую часть спектра. Установлено, что при максимуме излучения в видимой части спектра световой КПД потока излучения, выражаемый как отношение светового потока Фс к полному лучистому Фл, достигает максимума 14,5% при температуре около 6500 К. Реальные тела, используемые в качестве тепловых излучателей, не могут быть нагреты до такой температуры из-за нарушения их механической прочности (температура плавления вольфрама 3665 К). Поэтому реальный световой КПД ламп накаливания Фс /Фл с вольфрамовой нитью не превышает 4%. При этом в видимой части спектра ламп накаливания преобладают оранжево-красные излучения с длинами волн 600...760 нм. Сине-фиолетовых излучений с длинами волн 380...480 нм примерно в 10 раз меньше.

Так как максимум излучения ламп накаливания расположен в инфракрасной части спектра излучения и в целом у них высокое значение энергетического КПД Фл /Рл ⁼ 0,7...0,9, то они также находят широкое применение для различных целей инфракрасного нагрева. У специальных инфракрасных ламп температура тела накала меньше, чем у обычных осветительных. Поэтому их срок службы в б... 10 раз больше, чем у осветительных, для которых номинальный срок службы (средняя продолжительность горения) составляет 1000 ч.

Для уменьшения отрицательного влияния распыления вольфрамовой нити накала на показатели лампы накаливания внутрь стеклянной колбы вводят в ряде случаев небольшое количество йода или брома. Такие лампы называют галогенными.

Внешнее отличие галогенных осветительных ламп накаливания состоит в том, что их колба выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической трубки малого объема, у которой на концах имеются выводы для подключения. Вольфрамовая спираль на поддержках вытянута по оси трубки. Поэтому для нормальной работы галогенные лампы устанавливают только в горизонтальном положении.

Галогенные лампы накаливания по сравнению с лампами накаливания общего назначения имеют большую световую отдачу: 20... 35 лм/Вт против 8...20 лм/Вт. Их номинальный срок службы в 2 раза больше. Световой поток к концу срока службы у галогенных ламп снижается всего на 2% вместо 20% у ламп накаливания общего назначения.

Существенные преимущества ламп накаливания - простота устройства, удобство в эксплуатации и относительно малая стоимость.

Отклонения питающего напряжения от номинального значения существенно влияют на характеристики ламп накаливания и, прежде всего, на их срок службы. Например, повышение температуры нити накала всего на 1 % увеличивает распыление вольфрама почти в 2 раза. Учитывая это обстоятельство, лампы накаливания выпускают на определенные диапазоны питающего напряжения: 125...135, 215...225, 220...230 В и т. д.

Мощность ламп накаливания общего назначения от долей ватта до 1000 Вт, галогенных - до 20 кВт.

Обозначение ламп накаливания общего назначения состоит из одной или нескольких букв: В - вакуумная, Г - газонаполненная (86% аргон, 14% азот); БК - биспиральная криптоновая (86% криптон, 14% азот) и т. д. Цифры после буквенного обозначения показывают диапазон уровней питающего напряжения в вольтах, далее номинальную мощность лампы в ваттах и затем порядковый номер разработки. Например, Г-215-225-200 - лампа накаливания газонаполненная моноспиралная на диапазон напряжений 215...225 В номинальной мощностью 200 Вт при среднем расчетном напряжении питания 220 В.

Линейные галогенные лампы накаливания осветительные обозначают буквами КГ (кварцевая галогенная), инфракрасные - КГТ (кварцевая галогенная теплоизлучающая).

Лампы накаливания инфракрасные негалогенные обозначают буквами ИК, лампы с зеркальным отражателем дополнительно имеют букву 3, и, если колба цветная, далее следует буква цвета колбы: К - красная, С - синяя. Например, ИКЗК-215-225-250-1 - лампа накаливания инфракрасная (ИК), с зеркальным отражателем (3), колба красная (К), диапазон напряжений питания 215...225 В, мощностью 250 Вт, номер разработки 1.

ПИРОМЕТРИЯ ОПТИЧЕСКАЯ (от греч. руr - огонь и metreo - измеряю) - совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения темп-ры. Почти все оптич. методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения (иногда - поглощения) тел. Интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением темы-ры Т тел, поэтому методы П. о. применяют для измерения относительно высоких темп-р. При Т 1000 °С они играют второстепенную роль, но при Т > 1000 °С становятся основными, а при Т > 3000 °С - практически единств. методами измеренияТ. Это связано с тем, что методы П. о. не требуют контакта датчика измерит. прибора с телом, темп-pa к-рого измеряется. Методами П. о. в промышл. и лаб. условиях определяют темп-р у в печах и др. нагреват. установках, темп-ру расплавл. металлов и изделий из них (проката и т. п.), темп-ру пламён, нагретых газов, плазмы. Осн. условие применимости методов П. о. - излучение тела должно быть тепловым, т. е. подчиняться Кирхгофа закону излучения. Твёрдые тела и жидкости при высоких темп-pax обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима спец. проверка его выполнения. Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют Максвелла распределению, населённости возбуждённых уровней - распределению Больцмана (см. Больцмана статистика ),а диссоциация молекул и ионизация атомов определяются законом действующих масс, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы наз. термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы однозначно определяется её хим. составом, давлением, атомными константами и равновесной темп-рой. Если плазма неоднородна, то даже в условиях термич. равновесия её непосредственно наблюдаемое излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае необходимо спец. приёмами определить локальные интенсивности излучения. Методы П. о. плазмы многообразны и сложны, они являются составной частью диагностики плазмы. Напротив, для твёрдых тел и жидкостей, спектр излучения к-рых чаще всего сплошной, методы П. о. довольно просты. В этом случае измерение темп-ры осуществляют пирометрами, действие к-рых основано на применении законов излучения абсолютно чёрного тела. Обычно в исследуемом теле вытачивают полость с небольшим выходным отверстием. Полость по отношению к попадающему в неё излучению обладает коэф. поглощения, близким к единице (т. е. по оптич. свойствам она близка к абсолютно чёрному телу).
Наиб. универсальны методы П. о., осн. на измерении интенсивности спектральных линий. Они обеспечивают макс. точность, если известны вероятность соответствующего квантового перехода и концентрация атомов данного сорта. Если же концентрация атомов не известна с достаточной точностью, то применяют метод относит. интенсивности, в к-ром темп-ры вычисляют по отношению интенсивностей двух или неск. спектральных линий.
В др. группе методов П. о. темп-pa определяется по форме или ширине спектральных линий, к-рые зависят от темп-ры либо непосредственно (доплеровское уширение спектральных линий), либо косвенно (в соответствии со Штарка эффектом и зависимостью плотности плазмы от темп-ры). В нек-рых методах Т определяют по абс. или относит. интенсивности сплошного спектра ("континуума"). Особое значение имеют методы измерения Т по спектру рассеянного плазмой излучения лазера, позволяющие исследовать неоднородную плазму. К недостаткам П. следует отнести трудоёмкость измерений, сложность интерпретации результатов, невысокую точность (например, погрешности измерений температуры плазмы в лучшем случае составляют 3-10%).

15 Вопрос. Фотоэффект. Виды фотоэффекта. Опытные законы внешнего фотоэффекта (анализ ВАХ фотоэффекта). Красная граница фотоэффекта.

Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. В 1887 году Г. Герц обнаружил, что при освещении отрицательного электрода ультрафиолетовыми лучами разряд между электродами происходит при меньшем напряжении. Это явление, как показали опыты В. Гальвакса (1888 г.) и А.Г. Столетова (1888–1890 гг.), обусловлено выбиванием под действием света отрицательных зарядов из электрода. Электрон еще не был открыт. Лишь в 1898 году Дж.Дж. Томпсон и Ф. Леонард, измерив удельный заряд испускаемых телом частиц, установили, что это электроны.

Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Принципиальная схема для исследования фотоэффекта приведена на рис. 2.1.

	Рис. 2.1	Рис. 2.2

Два электрода (катод К из исследуемого материала и анод А, в качестве которого Столетов применял металлическую сетку) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое стекло), измеряется включенным в цепь миллиамперметром.

В 1899 г. Дж. Дж. Томпсон и Ф. Ленард доказали, что при фотоэффекте свет выбивает из вещества электроны.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фотоэффекта – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, от напряжения, – приведена на рис. 2.2.

Такая зависимость соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями.

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью υ, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение . При ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

т.е. замерив задерживающее напряжение , можно определить максимальные значения скорости и кинетической энергии фотоэлектрона.

При изучении ВАХ разнообразных материалов при разных частотах падающего на катод излучения и разных энергетических освещенностях катода и обобщении полученных данных были установлены три закона внешнего фотоэффекта.

«Кра́сная» грани́ца фотоэффе́кта — минимальная частота {\displaystyle \nu _{min}} или максимальная длина волны {\displaystyle \lambda _{max}} света, при которой ещё возможен внешний фотоэффект, то есть начальная кинетическая энергия фотоэлектронов больше нуля. Частота {\displaystyle \nu _{min}} зависит только от работы выхода {\displaystyle A_{out}} электрона:{\displaystyle \nu _{min}={\frac {A_{out}}{h}}}
{\displaystyle \lambda _{max}={\frac {hc}{A_{out}}}}где {\displaystyle A_{out}} — работа выхода для конкретного фотокатода, h — постоянная Планка, а с — скорость света. Работа выхода {\displaystyle A_{out}} зависит от материала фотокатода и состояния его поверхности. Испускание фотоэлектронов начинается сразу же, как только на фотокатод падает свет с частотой {\displaystyle \nu =\nu _{min}} или с длиной волны {\displaystyle \lambda =\lambda _{max}}.