Дослідження теплового режиму світильника

Мета роботи: Вивчити будову світлового приладу підвищеної надійності, дослідити теплові навантаження на найбільш важливих його елементах.

ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

У процесі роботи в світлових приладах виділяється значна кількість теплової енергії, яка деструктивно діє на елементи приладів, що може привести до їх передчасного виходу з ладу. Тому при проектуванні нових світлових приладів важливе місце займає тепловий розрахунок СП, при якому визначаються максимальні значення температури окремих частин приладу та розподіл температури по його поверхні. Для цього складається система рівнянь теплового балансу для різних частин світлового приладу, яка розв’язується за такою схемою:

1. Визначають вихідні дані для розрахунку: тип, потужність форма і розміри джерела світла; початкові параметри відбивача і габаритні розміри світлового приладу; характеристики матеріалів; умови експлуатації; температура навколишнього середовища.

2. Розраховують коефіцієнти використання променевого і конвекційного потоку умовних джерел світла.

3. У першому наближенні задають температуру відбивача, захисного скла і корпусу та розраховують коефіцієнти тепловіддачі. Обчислюють ліву (п.п.1,2) і праву (п.3) частини рівнянь системи. При неспівпаданні результатів обчислень задають нові значення температури (п.3).

При теплових випробуваннях світлових приладів перевіряють значення температур на найбільш теплонавантажених елементах СП згідно ГОСТ 17677-82. До таких елементів належать цоколь лампи, колба лампи, ізоляція проводу в місці під’єднання до контактів патрона, скляний ковпак (зовні та всередині), гумова прокладка ущільнення ковпака, клемна колодка (пластмаса), гумова прокладка ущільнення проводів.

Температуру окремих деталей чи вузлів світлового приладу не можна виміряти безпосередньо. Тому при вимірюваннях використовують різні термометричні властивості тіл, зокрема термоелектричні явища. Одне із них – ефект Зеебека – полягає в тому, що в електричному контурі, що складається із двох різних провідників М1 і М2 (рис.1) виникає електрорушійна сила, якщо контакти між ними підтримуються при різних температурах Т₁ і Т₂. Ця електрорушійна сила називається термоЕРС (темоелектрорушійна сила).

Якщо контур замкнутий, то в ньому протікає електричний струм (так званий термострум ), причому зміна знака у різниці температур спаїв супроводжується зміною напрямку термоструму.

Рисунок 1 - Схема до пояснення ефекту Зеебека.

Контур, складений з двох різних провідників (М1, М2), називається термоелементом чи термопарою, а її вітки – термоелектродами.

Величина термоЕРС ( ) залежить від абсолютних значений температур спаїв (T_A , T_B), різниці цих температур   і від природи матеріалів, які складають термоелемент. 

ТермоЕРС контуру визначають за формулами:

,

,

де – коефіцієнт термоЕРС металу 1 відносно металу 2, який є загальною характеристикою обох металів. На практиці це створює певні незручності. Тому величину визначають відносно одного металу, за який зручно приймати свинець, оскільки для нього не виникає різниці потенціалів між його нагрітим і холодним кінцями.

Значення коефіцієнтів термоЕРС металів М1 і М2 відносно свинцю позначають відповідно і і називають абсолютними коефіцієнтами термоЕРС. Тоді . У невеликому інтервалі температур

.

Напрям термоструму визначається так: у нагрітому спаї струм тече від металу з меншим значенням до металу, в якого коефіцієнт термоЕРС більший.

Коефіцієнт термоЕРС визначається фізичними характеристиками провідників, що складають термоелемент: концентрацією, енергетичним спектром, механізмами розсіяння носіїв заряду, а також інтервалом температур.

ТермоЕРС зумовлена трьома причинами:

1) температурною залежністю рівня Фермі, що приводить до появи контактної складової термоЕРС;

2) дифузією носіїв заряду від гарячого кінця до холодного, що визначає об’ємну частину термоЕРС;

3) процесом захоплення електронів фононами, який дає ще одну складову – фононну.

1) Розглянемо першу причину. Не дивлячись на те, що в провідниках рівень Фермі слабо залежить від температури (електронний газ вироджений), для розуміння термоелектричних явищ ця залежність має принципове значення. Якщо обидва спаї термоелемента знаходяться при одній і тій же температурі, то контактні різниці потенціалів рівні і направлені в протилежні сторони, тобто компенсують один одного. Якщо ж температура спаїв різна, то будуть неоднакові і внутрішні контактні різниці потенціалів. Це веде до порушення електричної рівноваги і виникнення контактної термоЕРС :

,

,

де – енергія Фермі,

– постійна Больцмана;

Е – заряд електрона.

Для вільних електронів повинно лінійно змінюватися з температурою.

2) Друга причина зумовлює об’ємну складову термоЕРС, пов’язану з неоднорідним розподілом температури в провіднику. Якщо градієнт температури підтримується постійним, то через провідник йтиме постійний потік тепла. У металах перенесення тепла здійснюється в основному рухом електронів провідності. Виникає дифузійний потік електронів, направлений проти градієнта температури. В результаті, концентрація електронів на гарячому кінці зменшиться, а на холодному збільшиться. Всередині провідника виникне електричне поле, направлене проти градієнта температури, яке перешкоджає подальшому розділенню зарядів

Напруженість виникаючого термоелектричного поля визначається градієнтом температури вздовж зразка, а різниця потенціалів (термоЕРС) – різницею температур. Таким чином, в рівноважному стані наявність градієнта температури вздовж зразка створює постійну різницю потенціалів на його кінцях. Це і є дифузійна (або об’ємна) складова термоЕРС, яка визначається температурною залежністю концентрації носіїв заряду і їх рухливістю. Електричне поле виникає в цьому випадку в об’ємі металу, а не на самих контактах.

У випадку позитивних носіїв заряду (дірки) нагрітий кінець заряджатиметься негативно, а холодний позитивно, що приведе до зміни знаку термоЕРС. У провідниках змішаного типу від гарячого кінця до холодного дифундують одночасно і електрони, і дірки, порушуючи електричні поля в протилежних напрямах. У деяких випадках ці поля компенсують один одного і ніякої різниці потенціалів між кінцями не виникає. Саме такий випадок має місце в свинці.

3) Третє джерело термоЕРС – ефект захоплення електронів фононами. За наявності градієнта температури вздовж провідника виникає дрейф фононів, направлений від гарячого кінця до холодного. Стикаючись з електронами, фонони надають їм направлений рух, захоплюючи їх за собою. В результаті поблизу холодного кінця зразка накопичуватиметься негативний заряд, а на гарячому – позитивний, до тих пір, поки різниця потенціалів, що виникла, не зрівноважить ефект захоплення. Ця різниця потенціалів і є додатковою складовою термоЕРС, внесок якої при низьких температурах стає визначальним.

«Фононна» і «дифузна» складові термоЕРС мають один і той же знак, тоді як контактна термоЕРС, як правило, протилежна їм по знаку.

Строге виведення термоЕРС з кінетичного рівняння досить складне. Причина всіх термоелектричних явищ – порушення теплової рівноваги в потоці (тобто відмінність середньої енергії електронів в потоці від її значення на рівні Фермі). Найбільш загальний вираз для коефіцієнта термоЕРС металів (тобто для сильно виродженого електронного газу) має вигляд:

,

де – провідність металу;

Е – енергія електронів.

Вважаючи, що залежність провідності металів від енергії досить слабка, для вільних електронів справедлива формула:

.

Найбільш важливою технічною реалізацією ефекту Зеебека в металах є термопара – термочутливий елемент в пристроях для вимірювання температури. Термопара складається з двох послідовно сполучених паянням або зваркою різнорідних металевих провідників М1 і М2.

На рис.2 показані схеми включення термопари у вимірювальний ланцюг:

а) вимірювальний прилад 1 підключений за допомогою з’єднувальних проводів 2 в розрив одного з термоелектродів М1;

б) вимірювальний прилад підключений до кінців термоелектродів М1 і М2; Т_А і Т_В – температури відповідно «гарячого» і «холодного» контактів термопари.

Рисунок 2 – Схеми включення термопари у вимірювальний контур.

Діапазон температур, вимірюваних за допомогою термопар, дуже великий: від гелієвих, до декількох тисяч градусів. У таблиці 1 приведені матеріали термоелектродів, з яких звичайно виготовляють термопари, що використовуються для різних температурних областей. 

Таблиця 1

Матеріал термоелектродів	Діапазон температур, К
Золото-мідь	4-270
Мідь-константан	70-800
Хромель-копель	220-900
Хромель-алюмель	220-1400
Платінородій-платина	250-1900
Вольфрам-реній	300-2800

ВКАЗІВКИ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

Лабораторна установка складається із потенціометра типу ПП–63, автотрансформатора, вольтметра, амперметра, перемикача, термопар та досліджуваного світильника НСП 23200 (з лампою розжарення 200 Вт).

Суть потенціометричного методу вимірювання термоЕРС полягає в тому, що ЕРС термопари врівноважується (компенсується) рівною їй по величині, але протилежною по знаку різницею потенціалів, що створюється стороннім джерелом струму.

В коло потенціометра з одного боку ввімкнені джерело постійного струму, а з другого боку – термопара, термоЕРС якої спрямована назустріч ЕРС джерела струму, і чутливий гальванометр (нуль – індикатор).

ЗАВДАННЯ ДО ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Закріпити термопари у таких точках:

1) цоколь лампи

2) колба лампи (на згині)

3) ізоляція проводу в місці під’єднання до контактів патрона

4) скляний ковпак із середини

5) гумова прокладка ущільнення ковпака

6) клемна колодка (пластмаса)

7) гумова прокладка ущільнення проводів

8) скляний ковпак ззовні

2. Ввімкнути напругу мережі і з допомогою ЛАТРу плавно збільшити її до значення . Зафіксувати напругу і струм в колі.

3. Виміряти температуру навколишнього середовища термометром.

4. Заміри термоЕРС проводити за допомогою потенціометра ПП-63 через кожні 5 хв протягом 80 хв.

5. Визначити значення температури за градуювальною таблицею 2.

Таблиця 2 – Градуювання термопари МК

Температура робочого кінця, ºС	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
	мВ
–50 –40 –30 –20 –10 –0	–1,86 –1,50 –1,14 –0,77 –0,39 –0,00	–1,54 –1,18 –0,81 –0,43 –0,04	–1,57 –1,21 –0,84 –0,47 –0,08	–1,60 –1,25 –0,88 –0,51 –0,12	–1,64 –1,28 –0,92 –0,55 –0,16	–1,68 –1,32 –0,96 –0,59 –0,20	–1,72 –1,36 –0,99 –0,62 –0,23	–1,75 –1,40 –1,03 –0,66 –0,27	–1,79 –1,43 –1,07 –0,70 –0,31	–1,82 –1,46 –1,10 –0,74 –0,35
+0 10 20 30 40 50 60 70 80 90	0,00 0,40 0,80 1,20 1,61 2,02 2,43 2,85 3,26 3,68	0,04 0,44 0,84 1,24 1,65 2,06 2,47 2,89 3,30 3,72	0,08 0,48 0,88 1,28 1,69 2,10 2,51 2,93 3,34 3,76	0,12 0,52 0,92 1,32 1,73 2,14 2,56 2,97 3,39 3,81	0,16 0,56 0,96 1,36 1,77 2,18 2,50 3,01 3,43 3,85	0,20 0,60 1,00 1,41 1,82 2,23 2,64 3,06 3,47 3,89	0,24 0,64 1,04 1,45 1,86 2,27 2,68 3,10 3,51 3,93	0,28 0,68 1,08 1,49 1,90 2,31 2,72 3,14 3,55 3,97	0,32 0,72 1,12 1,53 1,94 2,35 2,77 3,18 3,60 4,02	0,36 0,76 1,16 1,57 1,98 2,39 2,81 3,22 3,64 4,06
100 110 120 130 140 150 160 170 180 190	4,10 4,51 4,92 5,33 5,73 6,13 6,53 6,93 7,33 7,73	4,14 4,55 4,96 5,37 5,77 6,17 6,57 6,97 7,37 7,77	4,18 4,59 5,00 5,41 5,81 6,21 6,61 7,01 7,41 7,81	4,22 4,63 5,04 5,45 5,85 6,25 6,65 7,05 7,45 7,85	4,26 4,67 5,08 5,49 5,89 6,29 6,69 7,09 7,49 7,89	4,31 4,72 5,13 5,53 5,93 6,33 6,73 7,13 7,53 7,93	4,35 4,76 5,17 5,57 5,97 6,37 6,77 7,17 7,57 7,97	4,39 4,80 5,21 5,61 6,01 6,41 6,81 7,21 7,61 8,01	4,43 4,84 5,25 5,65 6,05 6,45 6,85 7,25 7,65 8,05	4,47 4,88 5,29 5,69 6,09 6,49 6,89 7,29 7,69 8,09
200 210 220 230 240 250 260 270 280 290	8,13 8,53 8,93 9,34 9,74 10,15 10,56 10,97 11,38 11,80	8,17 8,57 8,97 9,38 9,78 10,19 10,60 11,01 11,42 11,84	8,21 8,61 9,01 9,42 9,82 10,23 10,64 11,05 11,46 11,88	8,25 8,65 9,06 9,46 9,86 10,27 10,68 11,09 11,51 11,92	8,29 8,69 9,09 9,50 9,90 10,31 10,72 11,13 11,51 11,96	8,33 8,73 9,14 9,54 9,95 10,35 10,77 11,18 11,59 12,01	8,37 8,77 9,18 9,58 9,99 10,40 10,81 11,22 11,63 12,05	8,41 8,81 9,22 9,62 10,03 10,44 10,85 11,26 11,67 12,09	8345 8,85 9,26 9,66 10,07 10,48 10,89 11,30 11,72 12,13	8,49 8,89 9,30 9,70 10,11 10,52 10,93 11,34 11,76 12,17

5. Результати вимірювань записати в таблицю 3.

Таблиця 3

№ термо­пари	Час t, хв
		0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70	75	80
1	Е, мВ
	Т, ºС
2	Е, мВ
	Т, ºС
3	Е, мВ
	Т, ºС
4	Е, мВ
	Т, ºС
5	Е, мВ
	Т, ºС
6	Е, мВ
	Т, ºС
7	Е, мВ
	Т, ºС
8	Е, мВ
	Т, ºС

6. Побудувати залежності для кожної термопари в одній координатній площині. Дати пояснення отриманим залежностям.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Від чого залежить тепловий режим світлового приладу?

2. Як проводиться тепловий розрахунок світлового приладу?

3. Які елементи світлового приладу належать до найбільш теплонавантажених?

4. У чому полягає ефект Зеебека?

5. Що таке коефіцієнт термоЕРС? Як він визначається?

6. Чим зумовлена термоЕРС?

7. Поясніть контактну складову термоЕРС.

8. Поясність об’ємну складову термоЕРС.

9. Поясніть фононну складову термоЕРС.

10. Що таке термопара? Які є схеми включення термопари в коло?

11. Які Ви знаєте термопари? В якому температурному діапазоні вони працюють?

12. З яких приладів складається вимірювальна установка?

13. У чому полягає суть потенціометричного методу вимірювання термоЕРС?

14. Які елементи світлового приладу є найбільш теплонавантаженим згідно проведених досліджень? Дати пояснення отриманим результатам.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5