Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
2.1.1. Элементы теории теплового излучения
ток и т. п. Важно, чтобы энергия перед излучением успевала равномерно
распределиться по степеням свободы излучающих частиц (вращения,
колебания, поступательное движение).
2.1.1. Элементы теории теплового излучения. Источниками
теплового излучения являются нагретые тела. Излучение имеет место при
любой температуре, за исключением температуры абсолютного нуля.
Тепловое излучение еще носит название равновесного излучения,
анализ и изучение законов которого имели огромное значение
для формирования новых представлений о природе – квантовой
физики.
Равновесное излучение – это излучение, которое испускают
нагретые тела, находящиеся в равновесии друг с другом: состояние,
которое устанавливается в изолированной системе нагретых тел в
установившемся (стационарном) режиме. Это состояние предполагает одинаковый обмен энергией между телами: тела поглощают
и испускают одинаковую энергию и находятся при одинаковой
температуре.
Это свойство вытекает из II начала термодинамики:
тепловое равновесие изолированной системы не может быть нарушено вследствие каких-либо тепловых обменов внутри системы, т. е. не может быть передачи энергии от менее нагретых тел
к более нагретым.
Поскольку поглощаемая и испускаемая энергии равны между собой,
то очевидно, что тела, имеющие меньший коэффициент поглощения,
должны и меньше излучать энергии с единицы излучаемой поверхности.
Таким образом, для каждого тела отношение излучательной способности
к его поглощательной способности при данных температуре и длине
волны – величина постоянная и не зависящая от тел:
где M
const
,
T
– излучательная способность любого тела равновесной систе-
,T
S
, [2.1]
M
,
T
M
,
T
мы,
– поглощательная способность любого тела равновесной си-
,T
стемы (коэффициент поглощения),
– универсальная функция, одинаковая для всех тел равно-
,STM
весной системы.
Это соотношение носит название закон Кирхгофа.
21
2.1. Тепловое излучение
Функцию
можно представить в трактовке закона Кирхгофа
,STM
как отношение излучательной способности к поглощательной некоего тела, у которого коэффициент поглощения
= 1. Такое тело в
, T
физике носит название абсолютно черного тела (а. ч. т.), поскольку
коэффициент поглощения
Закон Кирхгофа может быть сформулирован как:
при равновесном тепловом излучении отношение излучательной
способности любого тела к его поглощательной способности не зависит от тела и равно излучательной способности абсолютно черного тела при данной температуре.
, T
= 1.
Излучение реальных тел всегда меньше излучения а. ч. т., поскольку
коэффициент поглощения 1. То есть излучение а. ч. т. – предельный
случай всякого теплового излучения.
Модель абсолютного излучателя играет важную роль в теории излучения. Параметры абсолютно черного тела являются мерой привязки
и сравнения параметров реальных излучателей. Зная законы излучения
а. ч. т., можно теоретически предсказывать и рассчитывать свойства и
параметры реальных тепловых излучателей.
2.1.2. Законы излучения абсолютно черного тела
Закон Стефана – Больцмана. Закон Стефана – Больцмана опи-
сывает излучение абсолютно черного тела и устанавливает зависимость
интегральной энергетической светимости от температуры:
M = T4, [2.2]
где – постоянная Стефана – Больцмана,
равная 5,67 · 10–8Вт · м2 · К–4.
Экспериментальные данные по изучению теплового излучения
позволили найти спектральное распределение излучения абсолютно
черного тела при различных температурах (рис. 2.1).
Величина энергетической светимости теплового излучателя для каждой температуры – это площадь под каждой кривой распределения.
Закона Вина (закон смещения). Закона Вина связан с зависимостью
положения максимума энергетической светимости а. ч. т. по длинам
волн
в зависимости от температуры (T).
max
На основании экспериментальных данных было установлено, что
спектральная плотность энергетической светимости а. ч. т. с повышением температуры растет на всех длинах волн, причем ее максимальное
значение смещается в сторону коротких волн ( по закону:
22
2.1.2. Законы излучения абсолютно черного тела
Рис. 2.1. Спектральное распределение излучения а. ч. т. при различных
температурах: ---- – температура (Т)
b
max
T
, [2.3]
где b – константа или постоянная Вина, численно равная
0,29 · 10
–2
м · К.
Закон Рэлея – Джинса. Закон Рэлея – Джинса связывает зависимость
максимальной излучательной способности а. ч. т. от температуры:
M
где с´ – константа, численно равная 1,3 · 10
= c´T 5, [2.4]
max
–11
Вт/м2 · мкм · К.
Попытки получить теоретически приведенную на рис. 2.1. экспериментальную зависимость энергетической светимости а. ч. т. от длины
волны и температуры с позиций классической физики предпринимались
многими учеными.
В частности, хорошо известно уравнение Вина:
c
2
,1
T
5
T
, [2.5]
S
Mce
где с1 и с2 – постоянные величины.
23
2.1. Тепловое излучение
При использовании других предпосылок известно уравнение Рэ-
лея – Джинса:
S
MckT
. [2.6]
,
T
4
2
Примечательно, что разные подходы, предпринятые в расчете кривой
излучения а. ч. т., тем не менее не позволили получить удовлетворительное согласие с экспериментом. Уравнение Вина удовлетворительно
описывало кривую в коротковолновой части (для
Рэлея – Джинса – в длинноволновой ее части (для >
), а уравнение
max
).
max
Расхождение теоретически обоснованных с точки зрения классической физики результатов с экспериментальными данными указывало
либо на неполноту представлений классической физики, либо на существование каких-то новых, несовместимых с классической физикой
закономерностей.
В 1900 г. вид функции M
S
, точно соответствующей эксперимен-
,T
тальным данным, был получен Максом Планком.
М. Планк для приближения к результатам эксперимента ввел в
уравнение Вина дополнительный множитель:
нение приняло вид:
S
Mce
,1
T
c
2
51
T
(1)
1
, при этом урав-
c
2
T
1
e
. [2.7]
При анализе этого уравнения потребовался новый подход к процессам излучения. Было допущено, что энергия излучается в пространство
дискретными порциями – квантами q, величина которых определяется
уравнением
q = h, [2.8]
где – частота излучения,
h – новая константа, которая была названа впоследствии посто-
янной Планка (минимальная порция энергии), численно равная
6,625 · 10
–34
Дж · с.
При этом постоянные с1 и с2 получили выражение:
c
= 2hc2, c2 = hc/k,
1
где c – скорость света,
k – постоянная Больцмана.
В шкале частот уравнение Планка имеет следующий вид:
h
2
S
Me
,
T
c
h
31
2
kT
(1)
. [2.9]
При T/c2 < 1 уравнение Планка переходит в уравнение Вина, а
при T/c2>1 – в уравнение Рэлея – Джинса.
24
2.1.3. Тепловые источники излучения
Понятие черного тела и его характеристик позволяет характеризовать излучения реальных тел через эквивалентные температуры –
температуры черного тела, при которых его излучение по некоторой
выбранной характеристике совпадает с излучением данного реального
тела. Например, яркостная температура – это температура, при которой
а. ч. т. имеет ту же энергетическую светимость, что и рассматриваемое
тело. Яркостная температура используется в методах определения температуры тел при сравнении их яркостей с яркостью а. ч. т. (моделями)
в оптической пирометрии. Цветовая температура – это температура,
при которой а. ч. т. имеет ту же цветность, что и рассматриваемое.
2.1.3. Тепловые источники излучения. Одним из самых распространенных источников теплового излучения является электрическая
лампа накаливания (ЭЛН).
ЭЛН – один из первых, получивших широкое распространение,
электрический источник света. Распространенность ЭЛН в качестве
искусственного источника света во многом связана с простотой эксплуатации, многообразием типов, наличием сплошного спектра излучения, отработанностью технологии изготовления (что определяет
низкую стоимость) и т. п.
ЭЛН можно подразделить на лампы общего назначения, используемые в основном для целей освещения, и лампы специального назначения,
используемые как для целей освещения в отдельных отраслях промышленности (автомобильной, авиационной, судоходной и т. д.), так
и для решения различных научных и инженерных задач в устройствах,
приборах и т. п.
Итак, электрической лампой накаливания называется источник из-
лучения, который получают в результате теплового излучения твердого
тела, нагретого до высокой температуры электрическим током. В ка-
честве тела накала используют нити или спирали из вольфрама (W),
металла, имеющего высокую температуру плавления (3800 К) и хорошие
эксплуатационные и технологические характеристики. Иногда в вольфрам вводят дополнительные присадки. Тело накала для увеличения
эффективной излучающей поверхности изготавливается в виде винтовых
спиралей, биспиралей или даже триспиралей. Тело накала помещается в герметичную прозрачную колбу, изготовленную из специальных
марок стекол или кварца. Колбы могут быть вакуумированными либо
заполняются газом, как правило, инертным.
Основными характеристиками ЭЛН являются: номинальное напряжение питания, электрическая мощность, световой поток, световая
отдача, спектр излучения, срок службы.
25
2.1. Тепловое излучение
Светоизлучающие свойства тела накала определяются температурой.
В диапазоне рабочих температур вольфрамовых ЭЛН основная доля излучения а. ч. т. лежит в инфракрасной области спектра. С повышением
температуры тела накала происходит рост светового потока в видимой
области и световой отдачи. Световая отдача – отношение светового
потока в лм к электрической мощности в Вт, подводимой к лампе.
Кроме того, значительно улучшаются спектральные характеристики –
улучшается цветопередача: цвета освещаемых предметов становятся
ближе к их цветам при естественном (дневном) освещении.
Однако с ростом температуры растет испарение вольфрама, растут
тепловые потери, падает срок службы. Наполнение колб газом приводит к значительному уменьшению скорости распыления вольфрама и
дает возможность повышать температуру тела накала до 2900–3000 К.
Эффект газового наполнения увеличивается с ростом молекулярной
массы газа. Поэтому в качестве газа используют тяжелый инертный
газ аргон или ксенон (иногда применяют азот).
Стремление к решению задач увеличения температуры, срока
службы, снижения потерь привело к созданию ЭЛН с галогенным цик-
лом. Это лампы, в колбу которых вводится небольшое количество газа
галогена – пары брома (Br) или чаще пары йода (J). Иногда эти лампы
называют лампами с галогенным или йодным циклом.
Суть галогенного цикла заключается в том, что распыляемый нитью вольфрам соединяется с галогеном, в результате чего образуется
газообразное вещество – галогенид W. Эта реакция присоединения
происходит при температуре 570–600 К, близкой к температуре колбы
(т. е. вблизи поверхности стенок). Затем за счет тепловых конвективных
потоков в колбе галогенид W, оказываясь вблизи раскаленной спирали, распадается, и восстановленный вольфрам оседает на спираль.
В результате удалось значительно (в 2-3 раза) увеличить температуру
и, следовательно, световую отдачу.
Для коррекции излучаемого спектра в лампы могут вводиться
пары некоторых металлов, свечение которых увеличивает долю излучения в той или иной области спектра. Такие лампы называются
металлогалогенными.
Световая отдача большинства ЭЛН невелика, обычно 10–20 лм/Вт.
При этом световой КПД тоже весьма низок – 1–3 %. Средний срок
службы составляет 250–300 часов (для галогенных ламп значения
световой отдачи могут составлять 30–35 лм/Вт, при сроке службы до
2000 час). Тем не менее такие низкие показатели компенсируются
простотой эксплуатации, низкой стоимостью, высокой надежностью
и широкой распространенностью ЭЛН в качестве источников света
общего и специального назначения.
26
2.2. Люминесценция
2.2. Люминесценция
Как было отмечено, любое тело при температуре выше абсолютного нуля является излучателем электромагнитной энергии за счет
неупорядоченного теплового движения атомов и молекул. При этом
каждой температуре тела (T) соответствует определенное равновесное
распределение излучающих частиц по уровням энергии (распределение
Больцмана:
NNe
mm
где N – число частиц на уровнях m и m–1,
E – разность энергий между уровнями m и m–1,
k – постоянная Больцмана.
Этим распределением определяется тепловое излучение тела.
В случаях, когда равновесное состояние тела нарушено (например
за счет какого-либо источника внешнего возбуждения), тело может испускать излучения, возникающие за счет локализованного возбуждения
частиц (центров люминесценции). Это внешнее возбуждение нарушает
равновесное распределение частиц, что приводит к избыточному (над
тепловым) излучению, которое называется люминесценцией.
Люминесцировать могут тела в любом агрегатном состоянии. Длительность люминесценции оценивают временем, в течение которого
свечение падает до некоторого уровня (обычно в е раз) после прекращения возбуждения. Это время в разных видах люминесценции весьма
различно – от 10
–10
с до часов.
Для кратковременной люминесценции часто применяют термин
флуоресценция, для длительной – фосфоресценция.
Люминесценцию можно классифицировать по виду возбуждения:
фотолюминесценция – фотоны оптического излучения;
катодолюминесценция – пучки электронов;
радиолюминесценция – ядерные излучения;
хемилюминесценция – химические реакции;
биолюминесценция – свечение биологических обьектов;
электролюминесценция – возбуждение приложением электри-
Для отделения люминесценции от других видов излучения С. И. Вавилов предложил определять люминесценцию как излучение, избы-
точное по сравнению с тепловым, если длительность его значительно
превышает период оптических колебаний, т. е. равна или больше 10
(к примеру, период колебаний для УФ (300 нм) составит 10
ИК (3000 нм) –10
–15
с).
–1EkT
, [2.10]
ческого поля.
–10
–16
с, для
с
27
2.2. Люминесценция
Итак, спектральная плотность люминесценции:
0
где M
M
M
el S
MM TM
, [2.11]
el
– спектральная плотность люминесценции,
0
– спектральная плотность полного излучения,
T
S
– спектральная плотность излучения черного тела,
T
(,)
,,
TT
(,T) – спектральный коэффициент излучения тела.
Кроме классификации люминесценции по способу возбуждения,
различают виды люминесценции по характеру физического процесса:
спонтанную (самостоятельную);
•
метастабильную (вынужденную);
•
рекомбинационную.
•
Спонтанная (самостоятельная) люминесценция (схема 1). Она возникает
при переходе электрона из возбужденного состояния в невозбужденное
под действием поля самой возбужденной частицы. Внешние поля на
этот вид люминесценции влияния почти не оказывают. Характерные
времена спонтанных переходов – 10–9 с.
Схема 1
Метастабильная (вынужденная) люминесценция (схема 2). После
процесса возбуждения из состояния 1 в состояние 2, электрон может
оказаться в состоянии 3 (метастабильном, из которого самостоятельное
излучение запрещено). Затем под действием тепловой энергии или столкновений электрон попадает вновь на уровень 2, из которого переход
в основное состояние разрешен. Такое излучение имеет длительность
на несколько порядков большую, чем при спонтанной люминесценции – до 10–6с.
Схема 2
Рекомбинационная люминесценция. Этот вид люминесценции имеет
место при процессах нейтрализации зарядов (ионов и электронов в газах,
28
2.2.1. Источники излучения на основе люминесценции
дырок и электронов в полупроводниках). Избыток энергии уносится
в виде квантов излучения. Характерные времена рекомбинационной
люминесценции 10–7–10–8 с.
2.2.1. Источники излучения на основе люминесценции. В области создания источников излучения наибольшее распространение
получили фотолюминесценция и электролюминесценция.
Фотолюминесценция. В практике применения фотолюминесценции
для источников излучения, как правило, используются люминофоры –
твердые люминесцирующие вещества, имеющие кристаллическую
структуру и излучающие при их возбуждении и некоторое время после прекращения внешнего возбуждения. В зависимости от способа
возбуждения различают фотолюминофоры и электролюминофоры.
Фотолюминофоры наиболее известны в источниках излучения, возбуждаемых УФ-излучением в ртутных газоразрядных лампах, а электролюминофоры – в специальных электролюминесцентных приборах
(например электронно-лучевые трубки и др.).
Люминесцентные лампы с использованием фотолюминофоров
получили широкое распространение в качестве источников света,
спектральное распределение которых наиболее близко воспроизводит
распределение энергии в естественном дневном свете.
Эти лампы представляют собой газоразрядные трубки (диаметром
15–50 мм) с парами дозированного количества (мм рт. ст.) металлической ртути в инертном газе – аргоне. Длина трубок может составлять
от 10 см до 1 м. В трубке организуется электрический разряд посредством включения ее в электрическую цепь. Внутренняя поверхность
трубки покрыта слоем фотолюминофора, эффективно поглощающего
УФ-излучение ртути ( = 253,7 нм), возникающее в разряде, с последую-
щим преобразованием энергии в видимое излучение (эффект Стокса).
Типичные люминофоры это: вольфраматы Ca и Mg; силикаты Zn, Cd;
фосфаты Ca, Zn и др. Примечательно, что подбором люминофора
можно получить источники с различным спектральным составом.
Люминесцентные лампы низкого давления, применяемые для освещения, имеют маркировку ЛДС – лампы дневного света. Эти лампы
имеют цветовую температуру (Т
), равную 6000 К. В зависимости от их
ц
спектральных характеристик изготавливаются, например, лампы:
ЛБС – белого света с Тц = 3450 К;
ЛХБС – холодного белого света с Тц = 4300 К;
ЛТБС – теплого белого света с Тц = 2800 К (Тц = 2856 К – цветовая
температура для стандартного теплового источника типа А)
и др.
29
2.2. Люминесценция
Рис. 2.2. Спектры излучения люминесцентных ламп дневного света
Изготавливаются также лампы с исправленным спектральным составом: ЛДЦ, ЛБЦ, ЛХБЦ и ЛТБЦ (Ц – с исправленными цветовыми
характеристиками), имеющие хорошую цветопередачу при освещении
цветных объектов.
На рис. 2.2 представлены относительные спектральные распределения энергии в спектре некоторых типов люминесцентных ламп.
Основными преимуществами люминесцентных ламп по сравнению
с лампами накаливания являются:
высокая световая отдача 50–80 лм• · Вт–1, что в 5–6 раз превышает
световую отдачу ЭЛН;
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]