光源原理与设计

lf灯丝的长度
讨论：影响Pc的因素
1）充气气体的种类 2）充气压力 3）lf 4）df
光源原理与设计—白炽灯
诸定昌
对于充氩—氮混合气的白炽灯，每厘米长 度灯丝的气体热损失Pc`约为4W。对于电压为 220V的灯泡，螺丝长度必须大于2cm，否则两 根导丝之间有放电的危险。因此，充气灯泡的 最小热损失值为8W左右。
4.17*10-9 3.86*101
3000
1.05*10-6
0.15
Vap* H 5.8*10-4 5.5*10-4 5.8*10-4 5.7*10-4
可以看出 Vap* H=const
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a)灯丝质量损耗临界百分比G直
G直=H内蒸发的质量/灯丝原有总质量 =4Vap H/ρdf
e MλB(λ,T)=C1λ-5 -C2/λT
讨论：1）T↑——→MλB↑ 2）T↑——→λmax(峰值波长)向短波方 向移动
3）T低时——→红外为主 随T上升，可见光部分增加
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3．斯忒藩——玻尔兹曼定律
MeB(T)=∫0∞MλB(λ,T)dλ=σSBT4 σSB=5.67*10-8W/(m2· K4)
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一、气体稳定层
在炽热的灯丝附近，气体变得非常粘滞，几乎可以 看成是不流动的；而在泡壁附近的区域里，由于气体温 度较低、粘滞度小，气体强烈对流。
b ln
b
C(
)
2 3
T (
f
Tw 1 )3
df
Tw
因此，可以认为，紧贴灯丝周围存在着一层厚度 的稳定气体层，直径为b。
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G直∝1/df df灯丝直径
b)螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺
G螺≈（50~60）% G直
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三、总结
诸定昌
基本矛盾 T↑——→η↑（Me∝T4）
T↑——→Vap↑——→H↓
∴ Tf=2300~2600K H=1*103hrs η=8~10lm/W
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2.4充气白炽灯中的基本物理现象
螺旋型灯丝因“遮挡”效应使η下降。
η=η0/δ，（遮挡因子） δ，=1.12~ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.15
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二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命
1.真空中的钨的蒸发率Vap 单位时间撞击单位钨表面的原子数：
N1=1/4 nV=n√(kT/2πm) 单位时间单位表面沉积的钨质量为 ：
Vap=α0N1m
TE（thermal Equilibrium)热力学平衡状 态 LTE（local thermal Equilibrium)局部 热力学平衡状态
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二、基尔霍夫定律（Kirchholf Law)
1.光辐射出度Me(T)
Me(T)=Pe(T)/S
单位（W/m2)
Pe——单位时间辐射的能量。
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白炽灯主要特性：
使用方便，外型多样，价格低廉 η=8~15 lm/w H=1*103 小时 灯丝色温 Tc=2700~2900K(灯光黄）
Ra≈100
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2.1 热辐射的性质
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一、热辐射的定义（温度辐射）
因温度而产生的辐射
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一、真空白炽灯的光效 Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗）
实际中Pc≈（3~8）% Pin
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1.理想直钨丝灯的光效
Pc=0
光效
η0=Km∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)V(λ)dλ
/∫∞MλB(λ,T) ε(λ,T) dλ
2.实际灯丝的光效
4．维恩位移定律
λm· T=b=2.89779*10-3(m·K)
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四、实际表面的辐射
实际上，所有的辐射体都不是黑体， 它们的光谱辐射出度Mλ(λ,T)总是比黑体 的MλB(λ,T)小。
定义光谱发射率： ε(λ,T)=Mλ(λ,T)/ MλB(λ,T)＜1
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(,T )
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三、黑体辐射的基本性质
1.黑体的定义： 黑体就是能够在任何温度下将辐射到
它表面上的任何波长的能量全部吸收。
αB（λ,T)≡1
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2.普朗克公式
MλB(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)-1]-1 其中C1=2πhc2=3.74*10-16(W· m2) C2=hc/kB=1.44*10-2(m· K) 当λ不是很大，T不是很高时
=α0 n√(kTm/2π) =0.06α0P/T0.5
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2.蒸发率与灯寿命的关系
实验 ：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap
温度T（K） Vap（g/cm2*s） H(hr)
2200
2.24*10-12
7.2*104
2400
1.38*10-10 1.14*103
2600
诸定昌
二、充气对抑制钨蒸发的作用
在充气灯中钨的损失主要是由于在稳
定层内钨的浓度扩散。
N1
2Dn1
ln b
df
N1为1m长的灯丝表面在一秒种内扩 散出去的钨原子数。
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三、充气的热损失
单位长度灯丝损失功率：
Pc`=-2πrλ(dT/dr) 整个灯丝损失功率：
Pc= Pc`lf
2.光谱辐射出度Mλ（λ,T)
Mλ（λ,T) =dMe(T)/dλ=dPe(T)/Sdλ
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3.光谱的吸收率α(λ,T)
α (λ,T)=dPe ’(λ,T)=/dPe (λ,T)
4.Kirchholf Law
M (,T )
(,T )
1
M (,T )
(,T )
2
f
显然，对220V小功率白炽灯不宜充气， 25W以下的白炽灯只能是真空，否则热损失 占输入的主要部分，得不偿失。
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四、本节结论
1．充气可抑制蒸发 2．充气引起热损耗 3．充入分子量大的气体可更好抑制 蒸发和减小热耗。
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2.2 白炽灯的结构与材料
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一、结构
二、对白炽辐射体（灯丝）的要求
1.熔点高 2.蒸发率V小
Tf 自身的蒸汽化 影响V的因素 环境气氛
灯丝的结构
3.可见辐射选择性好 4.机械强度高，易加工 5.有适当的电阻率
三、钨的主要性质
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2.3真空白炽灯中的基本物理现象