Лабораторные работы по физике

   Наряду  с отмеченными преимуществами лампы  накаливания имеют и существенные недостатки: малую световую отдачу (отношение создаваемого лампой светового  потока к её электрической мощности) – не более 20 лм/Вт, сравнительно небольшой  срок службы – менее 2000 часов, спектральный состав света, в котором преобладают  желтые и красные лучи, значительно  отличающийся от солнечного, что искажает цветопередачу.

   В зависимости от конструкции  лампы накаливания  бывают вакуумные, газонаполненные  биспиральные с криптоновым  наполнением, зеркальные с диффузно-отражающим слоем.

   Все большее распространение  получают галогенные лампы накаливания. Наличие в колбе галогенной лампы паров йода позволяет повысить температуру накала вольфрамовой нити, в результате световая отдача увеличивается до 40 лм/Вт и спектр излучаемого света приближается к естественному. Кроме того пары вольфрама, испаряющегося с нити накала, соединяются с йодом и вновь оседают на нить, препятствуя её истощению. Срок службы этих ламп до 3 тыс. ч.

   Газоразрядные лампы – это источники света низкого и высокого давления, в которых видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явления люминесценции.

   Наиболее  распространенные газоразрядные лампы  низкого давления – люминесцентные. Они имеют форму цилиндрической стеклянной трубки с двумя электродами, наполненную дозированным количеством ртути и смесью инертных газов. Внутренняя поверхность трубки покрыта тонким слоем люминофора, который преобразует ультрафиолетовое излучение, возникающее при газовом электрическом разряде, в видимый свет.

   Люминесцентные  лампы в зависимости от применяемого в них люминофора создают разный спектральный состав света и бывают белого (ЛБ), теплого белого (ЛТБ), и  холодного белого света (ЛХБ), дневного света (ЛД), дневного света с исправленной цветопередачей (ЛДЦ).

   В последние годы появились газоразрядные  лампы низкого давления со встроенным высокочастотным преобразователем. Газовый разряд в таких лампах, называемый вихревым, возбуждается на высоких частотах (десятки кГц), за счет чего обеспечивается очень высокая  светоотдача.

   К газоразрядным лампам высокого давления относят лампы ДРЛ (дуговые ртутные люминесцентные); галогенные лампы ДРИ (дуговые ртутные с йодидами); ксеноновые лампы ДКсТ (дуговые ксеноновые трубчатые) и др.

   Основным  преимуществом газоразрядных ламп перед лампами накаливания является большая светоотдача от 40 до 110 лм/Вт. Они имеют значительно больший  срок службы – свыше 10 тыс. ч., низкую температуру поверхности лампы, близкий к солнечному свету спектр излучения, обеспечивающий высокое  качество цветопередачи. Кроме того, газоразрядные люминесцентные лампы  обеспечивают более равномерное  освещение и рекомендуются для  применения в светильниках общего освещения.

   Существенным  недостатком газоразрядных  ламп, питающихся от электрической сети переменного тока, является пульсация  светового потока вследствие малой  инерционности свечения люминофора. Это может  привести к появлению  стробоскопического эффекта, который проявляется в искажении зрительного восприятия движущихся или вращающихся объектов. При кратности или совпадении частоты пульсации светового потока и частоты вращения объекта вместо одного предмета видны изображения нескольких, искажаются скорость и направление движения. Стробоскопический эффект опасен, так как вращающиеся части механизмов, детали, инструмент могут показаться неподвижными и стать причиной травматизма.

   К недостаткам газоразрядных ламп следует также отнести, необходимость  применения специальных пусковых устройств, зависимость работоспособности  от температуры окружающей среды  и величины питающего напряжения, у ламп высокого давления наблюдается  длительный период разгорания.

   Нормирование  искусственного освещения. Допустимая величина наименьшей освещенности рабочих поверхностей в производственных помещениях устанавливается в соответствии с требованиями строительных норм и правил СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение» (см. табл. 2) в зависимости от характера зрительной работы, применяемой системы освещения, типа используемых источников света.

   Характеристика  зрительной работы определяется минимальным размером объекта различения, контрастом объекта с фоном и свойствами фона.

   Объект  различения – рассматриваемый предмет, отдельная его часть или дефект, которые следует различить в процессе работы (например, точка, линия, знак, нить, пятно, трещина, риска и т. п.)..

   Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения. Фон считается светлым при коэффициенте отражения ρ светового потока поверхностью, на которой рассматривается объект более 0,4; средним – при коэффициенте отражения от 0,2 до 0,4; темным – при коэффициенте отражения менее 0,2.

   Коэффициент отражения ρ характеризует способность поверхности отражать падающий на нее поток, определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока Ф_отр к падающему на неё потоку Ф_пад.

   Контраст  объекта различения с фоном К определяется отношением абсолютной величины разности яркостей объекта различения В_о и фона В_ф к наибольшей их этих двух яркостей. Контраст считается большим при значениях К более 0,5; средним – при значениях К от 0,2 до 0,5; малым – при значениях К менее 0,2.

   Важными нормируемыми показателями, характеризующими качество освещения, в соответствии с СНиП 23-05-95 являются показатель ослепленности Р и коэффициент пульсации освещенности К_п.

   Коэффициент пульсации освещенности – это критерий глубины колебаний освещенности во времени в результате изменения светового потока.

   Коэффициент пульсации освещенности К_п (%) определяется по формуле

   К_п = 100 (Е_макс-Е_мин)/2·Е_ср·, (9.4)

где Е_макс, Е_мин и Е_ср – максимальное, минимальное и среднее значение освещённости за период её колебания, лк. 

   Таблица 2

   Допустимая  наименьшая освещенность рабочих поверхностей

   в производственных помещениях (по СНиП 23-05-95) 

   

   Значение  К_п меняется от нескольких процентов (для ламп накаливания) до нескольких десятков процентов (для газоразрядных ламп). 

   

   Рис. 3. Пульсации светового потока при  однофазном и трехфазном

   питающем  напряжении

   Малое значение К_п для ламп накаливания объясняется большой тепловой инерцией нити накала, препятствующей заметному уменьшению светового потока лампы накаливания F_лн в момент перехода мгновенного значения переменного напряжения сети через 0 (см. рис.3). В то же время газоразрядные лампы (в том числе люминесцентные) обладают малой инерцией и меняют свой световой поток F_лл почти пропорционально амплитуде сетевого напряжения.

   Для уменьшения коэффициента пульсации  освещенности K_п люминесцентные лампы включаются в разные фазы трехфазной электрической сети. Это хорошо поясняет нижняя кривая на рис. 3, где показан характер изменения во времени суммарного светового потока, создаваемого тремя люминесцентными лампами 3F_лл, включенными в первом случае в одну фазу, например, фазу А сети, а затем в разные фазы трехфазной сети.

   В последнем случае за счет сдвига фаз  в трехфазной сети на 1/3 периода “провалы”  в световом потоке каждой из ламп компенсируются световыми потоками двух других ламп, в результате пульсации суммарного светового потока (следовательно, и  освещенности) существенно меньше.

   Показатель  ослепленности Р – это критерий оценки слепящего действия источников света, определяемый по формуле

   P = (S – 1)·10³, (9.5)

где S – коэффициент ослепленности, рассчитываемый по формуле

   S = (ΔВ_пор)_s/ΔB_пор, (9.6)

где ΔВ_пор – пороговая разность яркости объекта и фона при обнаружении объекта на фоне равномерной яркости, кд/м ²; (ΔВ_пор)_s – пороговая разность

яркости объекта  и фона при наличии в поле зрения блеского (яркого) источника света, кд/м ².

   Расчет  искусственного освещения. Для расчета общего равномерного освещения горизонтальной рабочей поверхности применяют метод коэффициента использования светового потока.

   Основная  расчетная формула метода имеет  вид

   Ф = (E∙S∙к_з∙z)/(N∙η∙n), (9.7)

где Ф – световой поток лампы, лм; E – допустимая наименьшая освещенность, лк; S – площадь помещения, м²; к_з – коэффициент запаса; z – коэффициент неравномерности освещенности (для люминесцентных ламп z = 1,1); N – число светильников, шт.; η – коэффициент использования светового потока (в долях единицы); n – число ламп в светильнике, шт.

   Порядок выполнения расчета  искусственного освещения. При расчете обычно задаются типом и числом светильников N. Допустимая наименьшая освещенность E устанавливается в соответствии с назначением помещения по СНиП 23-05-95. Для определения по светотехническому справочнику коэффициента использования светового потока η находится индекс помещения i и оцениваются коэффициенты отражения поверхностей помещения: потолка ρ_п, стен ρ_ст и рабочей (расчетной) поверхности ρ_рп.

   Индекс  помещения определяется по формуле

   i= (A∙B)/[h∙(A+B)], (9.8)

где A – длина помещения, м; B – ширина помещения, м; h – высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, м.

   Затем по формуле (9.7) рассчитывается требуемый  световой поток Ф и по светотехническому справочнику выбирается стандартная лампа, обеспечивающая этот поток. В практике допускается отклонение светового потока выбранной лампы Ф_гост от расчетного в пределах от –10% до +20%.

   Относительное отклонение светового потока δ, % определяется:

   δ =100 (Ф - Ф_гост)/Ф∙. (9.9)

   При невозможности  выбора источника, удовлетворяющего допустимому  отклонению, корректируется число светильников или высота их подвеса.

   Описание  лабораторной установки.

   Общий вид установки представлен на рис.4. Установка состоит из макета производственного помещения с  установленными в нем различными источниками света и измерительным  прибором люксметром-пульсаметром . 

         

Рис. 4. Общий  вид лабораторной установки

   Макет помещения выполнен в виде каркаса 1 с передней стенкой 5 из тонированного  стекла. Задняя и боковые стенки являются съемными и могут устанавливаться  любой из двух сторон внутрь макета, фиксируясь в проемах каркаса  с помощью магнитных защелок. Одна сторона стенок окрашена в светлые  тона, другая – в темные тона.