Различные источники электрического света


Российская научно-социальная программа
для молодежи и школьников «Шаг в будущее, Юниор»



ХII Региональные соревнования юных исследователей
«Шаг в будущее, Юниор»



Различные источники электрического света



Автор работы:
Кобаров Максим
8 класс
МАОУ «Средняя общеобразовательная
школа №13 имени М.К.Янгеля»
г. Усть-Илимск





Руководитель:
Маркин Иван Иванович,
учитель математики первой
квалификационной категории,
МАОУ «Средняя общеобразовательная
школа №13 имени М.К.Янгеля»
г.Усть-Илимск




·
·
·
·
·г. Иркутск


Содержание


ВВЕДЕНИЕ..3
ГЛАВА I .Фотометрические величины.....................4
ГЛАВА II . Источники света. Кремниевый фотоэлемент.5-6
ГЛАВА III. Исследование зависимости освещенности фотоэлемента от расстояния. Изготовление и апробация люксметра...7
ГЛАВА IV . Применение люксметра для измерения освещенности рабочего места8
ВЫВОДЫ9
ПРИЛОЖЕНИЯ
№1XI
№2XII
№3...XIII
№4.XIV





























Введение

Одно из самых важных открытий человечества овладение огнём. С появлением огня история начинает свой ход. С огнём начинают появляться науки, открываться законы и совершаться действия, влияющие на ход истории.
Свет – важное условие для работы глаз, но со временем человеку становится мало света огня. И появляются первые свечи, первые факелы, первые газовые лампы, и, в конце концов, первые лампочки.
Велико значение света в жизни человека. Ведь мы пользуемся им не только для освещения; свет помогает нам изучать далёкие звезды и звёздные миры, исследовать микроскопические организмы. У света много профессий и на производстве: он, например, может сортировать детали, и контролировать их качество.
Человечество делает огромный скачок вперёд. В наше время выбор источника света на столько велик, что порой трудно понять, какой из них наиболее применим в той или иной ситуации. Эту проблему мы решили рассмотреть в своей исследовательской работе и для этого перед собой поставили цель: исследовать зависимость освещённости от расстояния. Для ее достижения мы решили следующие задачи:
Определить экспериментально зависимость освещённости от расстояния.
Изготовить люксметр.
Измерить люксметром освещённость рабочего места в кабинетах и сравнить полученные данные с санитарными нормами.





Глава I
Фотометрические величины
Важную роль в науке, технике и практической деятельности играют фотометрические характеристики, описывающие видимое излучение, т.е. ту часть спектра электромагнитных волн, которая воспринимается нашим глазом. Чувствительность человеческого глаза неодинакова к свету различной длины волны. Максимум его чувствительности лежит в жёлто-зелёной области спектра. Для красного и сине-фиолетового света чувствительность глаза в 100 раз меньше, чем для жёлто-зелёного. Поэтому, если энергия света оценивается по зрительному восприятию, то используют понятие световой поток. Количество энергии, излучаемой каким-либо источником света в единицу времени по всем направлениям, называется полным световым потоком. Единицей светового потока служит люмен. Люмен-это световой поток, излучаемый точечным источником силой света 1кд в телесном угле 1ср.
Полный световой поток характеризует мощность, излучаемую источником света во всех направлениях. Точечный источник света излучает во всех направлениях равномерно, а его полный световой поток Ф, распространяется в развёрнутом телесном угле, равным 4п ср. Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, называется телесным углом.
Единицей телесного угла служит стерадиан (ср).
Величина, определяемая световым потоком, распространяющимся в единичном телесном угле, называется силой света. Это важнейшая характеристика любого источника света. В международной системе единиц единица силы света -кандела (кд) (в переводе с латинского – свеча) - является основной.
Степень освещённости поверхности различных предметов определяется величиной падающего на них светового потока. Чем больше падающий световой поток, тем больше отражённого поверхностью света попадает в глаз человека и тем отчётливее видны рассматриваемые предметы. Освещённость E равна световому потоку, который падает перпендикулярно на единицу площади равномерно освещаемой им поверхности. Единицей освещённости служит люкс (лк) (в переводе с латинского – свет). Один люкс – это освещённость, которую создает световой поток в один люмен, равномерно распределённый по поверхности в 1 м2.






Глава II
Источники света. Кремниевый фотоэлемент.
В школах, домах и других помещениях освещённость меньше, чем на открытом воздухе в солнечный день, и чтобы восстановить баланс между освещённостью в помещении и на открытом воздухе человек начинает использовать лампы с большей световой отдачей.
Наиболее распространенными искусственными источниками света являются: люминесцентная, светодиодная, галогенная, энергосберегающая лампы и лампа накаливания. Внешний вид (Приложение 1) и основные характеристики данных источников света представлены ниже:
1) Люминесцентная лампа: она представляет собой стеклянную трубку с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора, заполненную аргоном под давлением 400 Па и ртутью.
2) Светодиодная лампа состоит из цоколей различных стандартов, встроенного блока питания постоянного тока (это позволяет излучать непрерывный световой поток) и специально спроектированной платы cо сверхмощными светодиодами. Яркое свечение, возникающее при прохождении через полупроводник электрического тока - это и есть основа работы светодиода. Все это помещено в алюминиевый корпус, что способствует теплоотводу и непрерывному сроку службы.
3) Галогенная лампа – это лампа накаливания, выполненная в виде кварцевой колбы, наполненной инертным газом с добавкой галогенов или их соединений, обеспечивающих замедленное испарение тела накаливания. Строение галогенных ламп идентично со строением обычных ламп накаливания. Однако, для уменьшения испарения вольфрама и осветления стенок колбы в галогенных лампах используется вольфрамово-галогенный цикл. В состав наполняющего галогенную лампу газа вводится небольшое количество галогенов – соединений элементов седьмой группы таблицы Менделеева (фтор, хлор, бром и йод).
4) Энергосберегающая лампа: электрическая лампа, обладающая существенно большей светоотдачей. Компактные энергосберегающие лампы работают так же, как и обычные люминесцентные лампы с тем же принципом преобразования электрической энергии в световую. Трубка имеет на концах два электрода, которые нагреваются до 900-1000 градусов и испускают множество электронов, ускоряемых приложенным напряжением, которые сталкиваются с атомами аргона и ртути. Возникающая низкотемпературная плазма в парах ртути преобразуется в ультрафиолетовое излучение. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, преобразующим ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Генератор подводимого к электродам напряжения работает на частоте в десятки килогерц, поэтому энергосберегающие лампы, по сравнению с обычными люминесцентными лампами, не мерцают.
5) Лампа накаливания: В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C). В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном).
Кремниевый фотоэлемент
Фотоэлектрические (ФЭ) элементы изготовлены из специальных материалов под названием полупроводники, таких как кремний, который в настоящий момент чаще всего обычно и используется. Кремниевый фотоэлемент состоит из пластины кремния с примесью, имеющей n-проводимость. Он обладает очень низким внутренним сопротивлением - порядка 2 Ом. Основой кремниевого фотоэлемента служит пластина n - Si толщиной 0,3 - 1 мм, на поверхности которой путем диффузии бора или алюминия создается слой р - Si толщиной 0,4 - 1 мкм. На границе этого слоя с n - Si образуется р-n переход. Контакты со слоем p - Si создаются путем вакуумного напыления пленки титана, защищаемого затем тонкой пленкой серебра. Пленка напыляемого металла полупрозрачна. Конструктивная схема кремниевого фотоэлемента, изготовленного методом диффузии примесей. Кроме кремниевых фотоэлементов, промышленностью выпускаются поликристаллические селеновые фотоэлементы.
По существу, когда свет попадает на фотоэлемент, определенная его часть поглощается материалом полупроводника. Это означает, что энергия поглощенного света передается полупроводнику. Эта энергия освобождает электроны, позволяя им течь свободно. У всех фотоэлементов также есть одно или несколько электрических полей, которые заставляют электроны, освобожденные световым поглощением (абсорбцией), течь в определенном направлении. Это течение электронов и представляет собой ток, и при помощи установленных сверху и снизу металлических контактов фотоэлементов мы можем извлечь этот ток для внешнего использования. Например, этот ток может питать калькулятор, микроамперметр, заряжать солнечные батареи. Этот ток, вкупе с напряжением элемента определяет энергию, которую фотоэлемент может выработать.
Глава III
Исследование зависимости освещенности от расстояния.
Изготовление и апробация люксметра.

Человек изобрёл приборы для измерения: температуры (термометр), давления (манометр), времени (хронометр). Перед нами встал вопрос, а есть ли такой прибор для измерения освещённости поверхностей? Да, есть. Этот прибор называется люксметр (от лат. Lux-свет и от греч. Metreo-измеряю). Для изготовления люксметра в школьной лаборатории нам понадобилось следующее оборудование: кремниевый фотоэлемент, микроамперметр, лампа накаливания (мощность 60 Вт, напряжение 220 В), лампа люминесцентная (мощность 15 Вт, напряжение 220 В). Мы собрали цепь (Приложение 2), состоящую из лампы, микроамперметра и фотоэлемента, и провели исследование по следующей схеме: подключили параллельно фотоэлементу микроамперметр; расположили лампу на расстоянии необходимом для установления на микроамперметре максимального показания силы тока 100 мкА; изменяли расстояние от фотоэлемента до лампы таким образом, чтобы показания на микроамперметре изменялись на 10 мкА; изменения сила тока и расстояния записали в таблицу, сделали расчеты освещенности и по полученным данным построили графики зависимости силы фототока от освещенности (Приложение3);
Кремниевый фотоэлемент, микроамперметр и графики зависимости силы фототока от освещенности стали основой нашего люксметра. Изготовленный нами люксметр мы апробировали для измерения освещенности фонарика, встроенного в мобильный телефон (Nokia X2) и лампы накаливания напряжением 13,5 В. На основании полученных данных нами были составлены таблицы (Приложение 4).
Проанализировав результаты исследования, мы сделали следующие выводы: при увеличении расстояния между фотоэлементом и лампой освещенность уменьшается, освещенность находится в обратно пропорциональной зависимости от квадрата расстояния и в прямой пропорциональной зависимости от силы света, освещенность зависит от вида источника света.








Глава IV
Применение люксметра для измерения освещенности рабочего места
Свет необходимое условие для работы глаз. Без света человек лишается этого тонкого органа чувств, делая жизнь пассивной. Чтобы продлить свою активную деятельность человек создал искусственные источники света. Электрические лампы светят на земле, в небе, под водой и под землёй. Они горят на заводах, фабриках, в шахтах, учреждениях, лабораториях.
Большую часть информации из окружающего мира человек получает через зрение, поэтому с детских лет нужно беречь его. Для этого необходимо места отдыха и работы освещать в соответствии с санитарно-гигиеническими нормами (Приложение 5).
Нашим люксметром мы провели замеры освещенности в школьных кабинетах математики, физики, информатики, изобразительного искусства, а также в библиотеке и спортивном зале. Результаты исследования таковы: математика-норма, физика-норма, информатика – норма, изобразительное искусство-ниже нормы, библиотека-ниже нормы, спортивный зал-норма. Сравнив полученные результаты с санитарно-гигиеническими нормами, мы пришли к выводу, что освещенность в библиотеке и кабинете изобразительного искусства недостаточна для нормальной работы органов зрения человека.
Следующий этап нашего исследования – проверка освещенности разных источников света в отдельно взятой квартире. Мы измерили расстояние от ламп до рабочей поверхности столов. Значения мощности ламп установили по упаковкам, а затем силу света определили по таблицам, взятым в справочниках. Освещенность люминесцентной лампы и лампы накаливания были определены по построенным нами графикам. Освещенность энергосберегающей и двух видов галогенных ламп мы вычислили по формуле E=I/R Результаты вычислений представлены в таблице (Приложение 4). Вывод: для разных видов деятельности в разных помещениях освещенность должна быть разной.











Выводы

1.При увеличении расстояния между фотоэлементом и лампой освещенность уменьшается;
2.Освещенность находится в обратно пропорциональной зависимости от квадрата расстояния и в прямой пропорциональной зависимости от силы света;
3.Освещенность зависит от вида источника света;
4. Освещенность в библиотеке и кабинете изобразительного искусства нашей школы недостаточна для нормальной работы органов зрения человека;
5. Для разных видов деятельности в разных помещениях освещенность должна быть разной.
Рекомендации
Светодиодные лампы – это совершенно новый продукт, который постепенно начал заменять предыдущие источники света.
Прошло больше 100 лет со времени появления лампы накаливания. За это время появились люминесцентные и светодиодные источники света, которые постепенно вытесняют лампы накаливания. Лампы накаливания работают по принципу замыкания вольфрамовой нити, что приводит к ее накалу и появлению светового потока, при этом 80% энергии расходуется на выделение тепла и всего лишь 20% идет на освещение.
Люминесцентная и галогенная лампы , таят в себе ряд недостатков по нормативам и технике безопасности, они требуют обязательной утилизации из-за содержания в колбе вредных паров ртути и галогенов. Еще один серьезный недостаток люминесцентных ламп – мерцание, которое сказывается на усталости глаз, а галогенные- сильно нагреваются, поэтому пожароопасные.
Использование светодиодных ламп позволяет решить все вышеперечисленные недостатки. Решение было найдено благодаря использованию новейших светодиодных технологий, приспособленных к существующим стандартам освещения. Потребление светодиодной лампы, в два раза экономичнее люминесцентной или в 5-10 раз экономичнее обычных ламп накаливания. Светодиодные лампы обладают продолжительным сроком службы, непрерывное свечение составляет 5 лет. Высокая светоотдача диода и его минимальное потребление способно себя окупить уже после полугода эксплуатации!
Особенно актуально использование светодиодных технологий в освещении для промышленного сектора, где тарифы за электроэнергию в десятки раз выше. Приложение 1
Люминесцентная лампа

Светодиодная лампа

Галогенная лампа

Энергосберегающая лампа

Лампа накаливания




Приложение 2
Лампа накаливания
мощность 60 Вт, напряжение 220 В
Сила света лампочки 51 кд
Шкала 0-100 мкА

I , мкА
R, м
E, лк

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0,41
0,445
0,485
0,52
0,57
0,625
0,7
0,825
1
1,36
303,57
257,57
217,02
188,88
156,92
130,43
104,08
74,88
51
37,5


Лампа люминесцентная
мощность 15 Вт, напряжение 220 В
Сила света лампочки 13 кд
Шкала 0-100 мкА

I , мкА
R, м
E, лк

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0,41
0,445
0,485
0,52
0,57
0,625
0,7
0,825
1
1,36
303,57
257,57
217,02
188,88
156,92
130,43
104,08
74,88
51
37,5






Приложение 3
Лампа мощностью 2,16 Вт, напряжением 13,5 В
Сила света лампочки 1,8 кд
Шкала 0-100 мкА

I , мкА
R , м
Е, лк

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0,05
0,055
0,061
0,065
0,07
0,08
0,085
0,1
0,12
0,17
720
595
483
426
367
281
249
180
125
62


Карманный фонарик, встроенный в модель телефона Nokia X2
Сила света лампочки 25,5 кд
Шкала 0-100 мкА

I , мкА
R , м
Е, лк

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0,035
0,045
0,053
0,055
0,058
0,063
0,070
0,082
0,095
1,3
208
125
90
84
75
64
52
37
28
13


Таблица освещенности источников света в квартире
Помещение
Вид лампы
Освещенность Е, лк
Соответствие нормам

Гостиная
Галогенная 1
135
+

Ванная
Галогенная 2
65
+

Спальня
Энергосберегающая
51
+

Кабинет
Лампа накаливания
204
+

Кухня
Люминесцентная
70
+






Приложение 4
Требования к искусственному освещению

В учебных помещениях предусматривается преимущественно люминесцентное освещение с использованием ламп: ЛБ, ЛХБ, ЛЕЦ. Допускается использование ламп накаливания (при этом нормы освещенности снижаются на две ступени шкалы освещенности).
Не следует использовать в одном помещении люминесцентные лампы и лампы накаливания.
В учебных кабинетах, аудиториях, лабораториях уровни освещенности должны соответствовать следующим нормам: на рабочих столах – 300 лк, на классной доске – 500 лк, в кабинетах технического черчения и рисования – 500 лк, в кабинетах информатики на столах – 300 – 500 лк, в актовых и спортивных залах (на полу) – 200 лк, в рекреациях (на полу) – 150 лк.
При использовании технических средств обучения и необходимости сочетать восприятие информации с экрана и ведение записи в тетради освещенность на столах обучающихся должна быть 300 лк.
При использовании проекторов освещенность на столах обучающихся должна быть 500 лк (Постановление Главного государственного санитарного врача РФ от 28 ноября 2002 года № 44 «О введении в действие санитарно-эпидемиологических правил и нормативов СанПиН 2.4.2.1178-02»).

















13PAGE 15


13PAGE 14XIV15





Приложенные файлы

  • doc file8
    Размер файла: 4 MB Загрузок: 3