3.2 Тепловые источники света

Любое тело, имеющее цветовую температуру выше абсолютного нуля, излучает энергию. Если возбужденное состояние атомов и молекул этого тела вызвано нагреванием, то излучение, посылаемое этим телом в пространство, является тепловым.

Тепловое излучение возникает в результате изменения энергетических состояний электронов и ионов, входящих в состав излучающего тела, независимо от его агрегатного состояния. Однако для светотехники наибольший интерес представляют твердые тела. Излучение таких источников состоит из бесконечно большого числа монохроматических излучений, мощность которых непрерывно меняется с изменением длины волны

Помимо основных электрических (номинальное напряжение, мощность), светотехнических (световой поток, сила света) и эксплуатационных (срок службы) параметров лампы накаливания имеют еще одну важную характеристику – световую отдачу). Эта величина, выражаемая в лм/Вт, показывает сколько света (лм) излучает лампа. Используемые на практике в качестве источников освещения тепловые излучатели в большой степени отличаются друг от друга поспектральному составом мощности излучения. Для характеристики тепловых источников с целью их практического применения и возможносги их сравнения друг с другом используют искусственную модель теплового излучателя – абсолютно черное тело.

Абсолютно-черное тело. Основные закономерности тепловых излучений. Эквивалентные температуры

Абсолютно черным телом называется такое тело, которое способно полностью поглотить все падающие на него излучения. Поэтому, согласно закону Кирхгофа, такое тело испускает при данной температуре большую энергию, чем любой другой источник. Модель абсолютно черного тела можно получить, если в полом шаре из непрозрачного и зачерненного изнутри материала сделать отверстие. При этом весь свет, попадающий в полость шара, практически полностью поглощается (рис. 3.1).

Рисунок 3.1 – Модель абсолютно черного тела

Использу статистический метод. Планк представил излучение абсолютно черного тела функцией абсолютной температуры и длины волны:

где г_λэ – спектральная интенсивность энергетической светимости, т.е. поток излучения, испускаемый с 1 м² поверхности светящегося тела и приходящийся на единичный спектральный интервал; с₁ и с₂ –– постоянные Т— абсолютная температура (К); е — основание натурального логарифма.

Из общей формулы Планка выведены некоторые другие законы, описывающие свойства излучения абсолютно черного тела.

Так, закон Стефана-Больцмана гласит: суммарная светимость абсолютно черного тела растет пропорционально четвертой степени абсолютной температуры:

Закон Вина, называемый законом смещения максимума, утверждает: длина волны, при которой ордината кривой спектрального распределения энергии в излучении абсолютно черного тела максимальна, обратно пропорциональна абсолютной температуре:

где λ_max - длина волны, на которую приходится максимум излучения; Т— абсолютная температура. К: b – постоянная, b = 0,0029 м-К.

Эквивалентной температурой называется такая температура абсолютно черного тела, при которой его излучение по одной из характеристик равно излучению исследуемого тела. Такими характеристиками могут быть суммарная мощность потока излучения Ф, визуальная яркость В и цветность излучения, выраженная в форме спектральной интенсивности излучения на видимом участке спектра r=J(X).

В зависимости от выбора характеристики различают следующие эквивалентные температуры излучения: радиационная (энергетическая) температура Тэ, яркостная температура Т_я и цветовая температура Т.

Для сравнения интегральных величин излучения абсолютно черного тела и реального источника пользуются радиационной (энергетической) температурой. Радиационная (энергетическая) температура – температура абсолютно черного тела, имеющего такую же суммарную мощность излучения, как и данное реальное тело (источник излучения). Поэтому

где Т_р – радиационная температура, К; Т – истинная температура. К:—коэффициент;—интегральный коэффициент теплового излучения.

Используя выражение (1.2.5), легко определить истинную температуру излучающего тела

(1.2.6)

Это соотношение показывает, что истинная температура всегда больше энергетической, так как для реальных тел

Яркостная температура— такая температура абсолютно черного тела, при которой его яркость в определенной области спектра равна соответствующей яркости исследуемого источника излучения.

Поскольку яркостная температура обычно определяется в видимой области спектра достаточно точно, то, используя формулу, выражающую закон Вина (1.2.4), и условия эквивалентности между яркостной температурой и истинной температурой реального источника излучения, получили выражение

Так как е(Х, Т) для всех реальных тел меньше единицы и 1nε(λ, Т) имеет отрицательное значение, то всегда

Для удобства сравнения различных тепловых источников по их спектрам пользуются цветовой температурой.

Цветовая температура — такая температура абсолютно черного тела, при которой относительный спектральный состав его излучения тождественен составу излучения реального тела. Понятие цветовой температуры применимо только к тепловым источникам с непрерывным спектром излучения. Лишь с достаточной долей приближения можно характеризовать цветовой температурой источники смешанного излучения.

В тепловых источниках происходит преобразование энергии электрического тока в световую, которое осуществляется путем накала за счет разогрева до 2200-3000 °К из-за большого сопротивления вольфрамовой спирали, помещенной в стеклянный баллон с откаченным воздухом или наполненным инертным газом. Значительная часть энергии электрического тока при этом расходуется на нагрев и теплопередачу и направляется на излучение, длина световой волны которого находится вне границ кривой видимости глаза и спектральной светочувствительности фотоматериалов, вследствие чего светоотдача (3-4 %), а следовательно и коэффициент полезного действия таких источников сравнительно невысоки. Спектральная характеристика светового излучения теплового источника является плавной и непрерывной (кривая 1, рис. 3.1).

Для любого источника света существует оптимальное рабочее напряжение электрического тока, при которой обеспечивается эффективный долгодействующий режим эксплуатации. При подаче на лампу большего напряжения цветовая температура (Т), световой поток (Ф) и световая отдача () возрастают, а продолжительность работы (t) уменьшается. Отношение этих величин в зависимости от отношения напряжений описывается такими приближенными выражениями:

Для улучшения светотехнических показателей для тепловых источников применяется режим перенакала, если напряжение на источнике значнительно превышает номинальное значение.

Рисунок – 3.2 Спектральная характеристика излучения теплового (кривая 1) и ксенонового (кривая 2) источников.

Одной из разновидностей усовершенствованых тепловых источников является йодкварцовые лампы. Их действие основано на том, что при нагревании соединений йода, которые входят в состав металла нити накала, он испаряется и противодействует испарению и оседанию атомов вольфрама на поверхность стеклянного баллона, что увеличивает продолжительность работы и улучшает светотехнические характеристики ламп.