Co vše umí žárovka!(?) Co je žárovka Žárovka je vlákno v baňce ve které je plyn nebo vakuum. Plynem jsou plněné větší žárovky a menší jsou většino u vakuové. Vláknem prochází proud a vlákno se tím zahřívá a září. Údaje na žárovkách Žárovky charakterizují 4 základní údaje: napětí, proud, výkon a svítivost (ta se na většině žárovek neuvádí). Údaje na žárovce se uvádějí zpravidla 2 a třetí se z nich dá dopočítat podle P = U. I. Pro měření jsme používali žárovky 12V/21W, 12V/5W, 12V/50mA. Záření těles Každé těleso o teplotě T>0 vyzařuje energii zářením a každé těleso zároveň energii z okolí zářením přijímá. Pokud je těleso chladnější než okolí přijímá zářením víc energie než vyzařuje-zahřívá se. Pokud je těleso teplejší než okolí více energie vydává než přijímáochlazuje se. Těleso při záření vyzařuje různé vlnové délky o různých intenzitách záření. Graf ukazuje závislost intenzity záření na vlnové délce při různých teplotách a jsou na něm vyznačené části, kde záření zasahuje do viditelného spektra. Vrchol křivky (λmax) spočítáme λmax = b/t (b je konstanta b = 2,9.10-3 m.k) λmax se s zvyšující teplotou přesouvá ke kratším vlnovým délkám (vyšším frekvencím). Vrcholky křivek leží na křivce, jejíž průběh svědčí o tom, že vlnová délka λmax odpovídající záření s největší intenzitou je nepřímo úměrná termodynamické teplotě. Tuto závislost nazýváme Wienův posunovací zákon. Tento vztah je platný jen pro absolutně černé těleso, což je fyzikální abstrakce jejíž hlavní vlastností je, že pohlcuje veškerou energii, která na těleso dopadá. Celkovou energii, kterou zdroj vyzáří za 1s, charakterizuje celková intenzita M e tepelného záření černého tělesa, což je celková energie vyzářená plochou 1m 2 zdroje za jednu s. Její hodnotu určuje Stefanův-Boltzmannův zákon. Ze Stefanova-Boltzmannova zákona vyplývá, že energie vyzařovaná černým tělesem se s rostoucí teplotou prudce zvyšuje.
σ=5,67.10-8 W.m -2.K -4 P S 4 M e = σt = 4 4 σt σt1 k = Sσ = T 4 P T 4 1 Vyzařující plocha S je konstantní stejně jako σ a pokud těleso odvádí energii jen zářením P (nebo převážně zářením) je konstantní. 4 4 T T 1 Údaje získané měřením: Měřili jsme závislost proudu na napětí pro různé vodiče ve vzduchu za normálního a za sníženého tlaku, tři žárovky a zářivku. P Z naměřených údajů jsme spočítali:odpor, teplotu, výkon, a hodnotu k = 4 4 T T1 Žárovku 12V/21W jsme prozkoumali více a pokusili jsme se i určit vyzařovací plochu wolframového vlákna. Žárovce jsme odřízli baňku, vlákno jsme vyfotili na podložce z papírového pravítka. Spočítali jsme počet pixelů na 1 mm (293) a počet pixelů na průměr vlákna (30-31). Dopočítali jsme průměr vlákna (0,105mm). Délku vlákna jsme spočítali podobně za pomocí průměru z vnějšího a vnitřního průměru závitu a počtu závitů spirálky n = 41.Z těchto hodnot jsme dopočítali povrch vyzařování (S). Za povrch S jsme brali povrch trubičky tvořené spirálkou vinutí vlákna. Určili jsme tedy : průměr vlákna d 1 = 0,105 mm průměr spirálky d 2 = 0,60 mm délka spirálky l = 5,0 mm délka přívodních drátků s = 3,2 mm Vypočetli jsme efektivní povrch spirálky S = π.( d 2 -d 1 ).l = 9,9. 10-6 m 2. Z grafu () jsem určili oblast, kde se již téměř nemění a zůstává konstantní hodnota k a určili její hodnotu k = 5.10-13 W/K 4. Teplotu jsme určovali ze závislosti odporu na teplotě R = R + Δ, Τ = R R 1 1.(1 α T ) + R 1 α T 1 Kde T 1 = 295 K je teplota okolí. Z povrchu vyzařování S, konstanty k, jsme spočítali Stefan-Boltzmannovu konstantu σ, která nám vyšla 5,3.10-8 W/m 2 K 4.Tabulková hodnota činí 5,68.10-8 W/m 2 K 4. Shoda, která je velmi dobrá je spíše výsledkem náhody než přesnosti měření. Pro kontrolu naměřených hodnot jsme určili délku vlákna žárovky dvěma nezávislými metodami. Z fotografie spirálky a pomocí jejího elektrického odporu. Z fotografie: l1 = n. π.( d 2 -d 1 ) + s = 68 mm. Z elektrického odporu vlákna :
2 R1 π d1 l2 = = 86 mm 4 ρ Dále jsme měřili VA charakteristiky. VA charakteristika žárovky a vlákna žhaveného na vzduchu je průběhem srovnatelná, ale VA charakteristika žárovky je plynulejší, protože u vlákna není možno zajistit stejné chlazení po celou dobu měření.va charakteristika vlákna žhaveného za sníženého tlaku je srovnatelná s VA charakteristikou žárovky. VA charakteristika u kanthalu je lineární, protože kanthal nemění s rostoucí teplotou odpor.
Příloha 1: žárovka 12V/21W U/V I/mA P/W R/Ω t/ C k / W/K 4 ) 0,01 18,6 0,000186 0,54 21-2,0E-12 0,02 37,2 0,000744 0,54 21-8,0E-12 0,03 55,2 0,001656 0,54 23 1,2E-11 0,04 73,6 0,002944 0,54 23 2,1E-11 0,05 91,7 0,004585 0,55 24 2,2E-11 0,06 110 0,0066 0,55 24 3,0E-11 0,07 126,5 0,008855 0,55 27 1,6E-11 0,08 143,8 0,011504 0,56 28 1,7E-11 0,09 159,2 0,014328 0,57 32 1,4E-11 0,1 174 0,0174 0,57 35 1,2E-11 0,11 187,7 0,020647 0,59 40 1,0E-11 0,12 200 0,024 0,60 45 9,0E-12 0,13 216 0,02808 0,60 46 1,0E-11 0,14 230 0,0322 0,61 48 1,0E-11 0,15 242 0,0363 0,62 53 9,9E-12 0,16 255 0,0408 0,63 56 1,0E-11 0,17 268 0,04556 0,63 58 1,0E-11 0,18 278 0,05004 0,65 63 9,6E-12 0,19 289 0,05491 0,66 67 9,5E-12 0,2 299 0,0598 0,67 71 9,2E-12 0,3 381 0,1143 0,79 117 7,4E-12 0,4 440 0,176 0,91 164 6,1E-12 0,5 480 0,24 1,04 214 4,9E-12 0,6 512 0,3072 1,17 264 4,1E-12 0,7 540 0,378 1,30 312 3,5E-12 0,8 562 0,4496 1,42 361 2,9E-12 0,9 582 0,5238 1,55 408 2,5E-12 U/V I/mA P/W R/Ω t/ C k / W/K 4 ) 1 600 0,6 1,67 454 2,2E-12 1,2 640 0,768 1,88 534 1,8E-12 1,4 674 0,9436 2,08 611 1,6E-12 1,6 706 1,1296 2,27 684 1,4E-12 1,8 738 1,3284 2,44 750 1,2E-12 2 770 1,54 2,60 811 1,1E-12 2,5 840 2,1 2,98 956 9,2E-13 3 912 2,736 3,29 1076 8,3E-13 3,5 980 3,43 3,57 1184 7,6E-13 4 1040 4,16 3,85 1290 7,0E-13 4,5 1100 4,95 4,09 1383 6,6E-13 5 1160 5,8 4,31 1468 6,3E-13 5,5 1212 6,666 4,54 1555 6,0E-13 6 1268 7,608 4,73 1629 5,8E-13 6,5 1319 8,5735 4,93 1704 5,6E-13 7 1370 9,59 5,11 1774 5,5E-13 7,5 1417 10,6275 5,29 1844 5,3E-13 8 1466 11,728 5,46 1907 5,2E-13 8,5 1511 12,8435 5,63 1972 5,1E-13 9 1559 14,031 5,77 2028 5,0E-13 9,5 1601 15,2095 5,93 2090 4,9E-13 10 1645 16,45 6,08 2146 4,8E-13 10,5 1689 17,7345 6,22 2198 4,8E-13 11 1727 18,997 6,37 2257 4,6E-13 11,5 1770 20,355 6,50 2306 4,6E-13 12 1810 21,72 6,63 2357 4,5E-13 Voltámpérova charakteristika žárovky 12V/21W do 0,1V 200 150 I (ma) 100 50 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 U(V)
Voltampérova charakteristika žárovky 12V/21W I/mA 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 U/V 3,5E-11 3,0E-11 2,5E-11 k (W/K 4 ) 2,0E-11 1,5E-11 1,0E-11 5,0E-12 0,0E+00 0 5 10 15 20 25 P(W)
Žárovka 12V/5W U/V I/mA P/W R/Ω t/ C k / W/K 4 0,2 40,4 0,008 5,0 108 6,01E-13 0,3 48,5 0,015 6,2 200 3,41E-13 0,4 55,4 0,022 7,2 269 2,81E-13 0,5 61,8 0,031 8,1 327 2,53E-13 0,6 67,9 0,041 8,8 377 2,39E-13 0,7 73,4 0,051 9,5 423 2,26E-13 0,8 79,2 0,063 10,1 461 2,25E-13 0,9 84,3 0,076 10,7 499 2,18E-13 1 89,2 0,089 11,2 534 2,14E-13 1,2 98,6 0,118 12,2 598 2,08E-13 1,4 107,5 0,151 13,0 655 2,05E-13 1,6 116 0,186 13,8 706 2,04E-13 1,8 123,8 0,223 14,5 756 2,00E-13 2 131,7 0,263 15,2 798 2,01E-13 2,5 149,6 0,374 16,7 900 1,98E-13 3 166,3 0,499 18,0 988 1,98E-13 3,5 181,8 0,636 19,3 1069 1,97E-13 4 196,4 0,786 20,4 1143 1,96E-13 4,5 210 0,945 21,4 1213 1,94E-13 5 224 1,120 22,3 1273 1,97E-13 5,5 236 1,298 23,3 1338 1,93E-13 6 246 1,476 24,4 1410 1,84E-13 6,5 264 1,716 24,6 1425 2,06E-13 7 276 1,932 25,4 1475 2,07E-13 7,5 285 2,138 26,3 1538 1,99E-13 8 295 2,360 27,1 1591 1,95E-13 9 312 2,808 28,8 1706 1,83E-13 10 337 3,370 29,7 1761 1,97E-13 11 346 3,806 31,8 1902 1,70E-13 12 370 4,440 32,4 1944 1,84E-13 13 392 5,096 33,2 1993 1,93E-13 Voltampérova charakteristika žárovky 12V/5W 500 proud (ma) 400 300 200 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 napětí (V)
Závislost k (W.K 4 ) na výkonu žárovky 12V/5W k(w.k 4 ) 7,00E-13 6,00E-13 5,00E-13 4,00E-13 3,00E-13 2,00E-13 1,00E-13 0,00E+00 0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 výkon (W)
Příloha 3: Žárovka 12V/50 ma U/V I/mA P/W R/Ω t/ C k / W/k 4 0,06 2,34 0,0001404 25,6 51 4,1E-14 0,07 2,76 0,0001932 25,4 48 6,3E-14 0,08 3,14 0,0002512 25,5 49 7,8E-14 0,09 3,34 0,0003006 26,9 63 5,8E-14 0,1 3,73 0,000373 26,8 62 7,5E-14 0,2 6,23 0,001246 32,1 110 8,9E-14 0,3 7,79 0,002337 38,5 169 7,6E-14 0,4 8,73 0,003492 45,8 237 5,8E-14 0,5 9,43 0,004715 53,0 303 4,6E-14 0,6 10,08 0,006048 59,5 363 3,9E-14 0,7 10,9 0,00763 64,2 406 3,7E-14 0,8 11,5 0,0092 69,6 455 3,4E-14 0,9 12,08 0,010872 74,5 501 3,1E-14 1 12,53 0,01253 79,8 549 2,8E-14 1,2 13,48 0,016176 89,0 634 2,4E-14 1,4 14,7 0,02058 95,2 691 2,4E-14 1,6 15,8 0,02528 101,3 747 2,4E-14 1,8 16,8 0,03024 107,1 801 2,3E-14 2 17,7 0,0354 113,0 855 2,2E-14 2,5 20 0,05 125,0 965 2,1E-14 3 22,1 0,0663 135,7 1064 2,1E-14 3,5 24 0,084 145,8 1157 2,0E-14 4 25,59 0,10236 156,3 1253 1,9E-14 4,5 27,7 0,12465 162,5 1310 2,0E-14 5 29,4 0,147 170,1 1380 2,0E-14 5,5 31,1 0,17105 176,8 1442 2,0E-14 6 32,7 0,1962 183,5 1503 2,0E-14 6,5 34,2 0,2223 190,1 1564 2,0E-14 7 35,6 0,2492 196,6 1624 1,9E-14 7,5 37,1 0,27825 202,2 1675 1,9E-14 8 38,5 0,308 207,8 1727 1,9E-14 8,5 39,9 0,33915 213,0 1775 1,9E-14 9 41,3 0,3717 217,9 1820 1,9E-14 9,5 42,6 0,4047 223,0 1867 1,9E-14 10 43,9 0,439 227,8 1911 1,9E-14 10,5 45,1 0,47355 232,8 1957 1,9E-14 11 46,3 0,5093 237,6 2001 1,9E-14 11,5 47,6 0,5474 241,6 2038 1,9E-14 12 48,7 0,5844 246,4 2082 1,9E-14
I/mA 60 50 40 30 20 10 0 voltampérová charakteristika žárovky 12V/50mA 0 5 10 15 U/V Závislost k (W/K 4 ) na vykonu žárovky 12V/50mA k (W/K 4 ) 1,0E-13 9,0E-14 8,0E-14 7,0E-14 6,0E-14 5,0E-14 4,0E-14 3,0E-14 2,0E-14 1,0E-14 0,0E+00 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 P (W)
Příloha 4: Železný drát za sníženého tlaku U/V I/A P/W R/Ω t/ C k /W/K 4 0,85 2,611 2,2 0,33 132 1,2E-10 1,17 3,59 4,2 0,33 132 2,2E-10 3,32 4,21 14,0 0,79 507 3,9E-11 3,9 4,4 17,2 0,89 586 3,2E-11 5,15 4,63 23,8 1,11 769 2,0E-11 6,44 5,2 33,5 1,24 871 2,0E-11 7,19 5,45 39,2 1,32 936 1,8E-11 8,34 6,08 50,7 1,37 979 2,1E-11 9,6 6,74 64,7 1,42 1021 2,3E-11 10,21 7,06 72,1 1,45 1039 2,4E-11 11,38 7,65 87,1 1,49 1073 2,7E-11 12,57 8,3 104,3 1,51 1094 3,0E-11 13,3 8,65 115,0 1,54 1113 3,1E-11 14,5 9,3 134,9 1,56 1131 3,5E-11 15,65 9,5 148,7 1,65 1202 3,1E-11 V oltampérova charakteristika Fe drátu-za sníženého tlaku 10 I (ma) 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 U (V) Závislost k (W/K 4 ) na výkonu k (W/K 4 ) 4,5E-11 4,0E-11 3,5E-11 3,0E-11 2,5E-11 2,0E-11 1,5E-11 1,0E-11 5,0E-12 0,0E+00 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 P (W)
Příloha 5: Žhavení železného drátu za normálního tlaku U/V I/A P/W R/Ω t/ C k / W/K 4 0,49 1,9 0,9 0,26 77 1,3E-13 1,01 2,56 2,6 0,39 188 6,9E-14 1,28 2,76 3,5 0,46 244 5,5E-14 1,89 3,04 5,7 0,62 372 3,5E-14 2,55 3,35 8,5 0,76 485 2,7E-14 2,96 3,4 10,1 0,87 573 2,0E-14 3,6 3,45 12,4 1,04 713 1,3E-14 4,3 3,56 15,3 1,21 846 9,8E-15 4,73 3,6 17,0 1,31 932 8,1E-15 5,37 3,68 19,8 1,46 1050 6,5E-15 6,06 3,8 23,0 1,59 1159 5,5E-15 6,41 3,89 24,9 1,65 1202 5,3E-15 7,08 4,08 28,9 1,74 1273 5,1E-15 7,65 4,24 32,4 1,80 1329 4,9E-15 8,4 4,38 36,8 1,92 1421 4,5E-15 9,13 4,27 39,0 2,14 1599 3,2E-15 10,75 4,49 48,3 2,39 1807 2,6E-15 5 Závislost proudu na napětí železný drát na vzduchu I (A) 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 U (V)
1,4E-13 Závislost k (W/K 4 ) na výkonu železný drát na vzduchu 1,2E-13 1,0E-13 k (W/K4) 8,0E-14 6,0E-14 4,0E-14 2,0E-14 0,0E+00 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 P (W)
Příloha 6: Kanthal na vzduchu U/V I/A P/W R/Ω U/V I/A P/W R/Ω 0,38 0,104 0,04 3,65 7,15 1,943 13,89 3,68 1,04 0,29 0,30 3,59 7,82 2,134 16,69 3,66 1,72 0,495 0,85 3,47 8,45 2,29 19,35 3,69 2,05 0,593 1,22 3,46 9,18 2,45 22,49 3,75 2,71 0,78 2,11 3,47 9,67 2,57 24,85 3,76 3,4 0,972 3,30 3,50 11,25 2,95 33,19 3,81 3,76 1,072 4,03 3,51 12,8 3,4 43,52 3,76 4,42 1,256 5,55 3,52 14,47 3,83 55,42 3,78 5,09 1,439 7,32 3,54 15,1 4 60,40 3,78 5,44 1,534 8,34 3,55 15,63 4,14 64,71 3,78 6,1 1,7 10,37 3,59 16,34 4,3 70,26 3,80 6,79 1,85 12,56 3,67 17,6 4,62 81,31 3,81 Voltampérová charakteristika kanthalu I (A) 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 U (V)
Příloha č. 7: Kanthal za sníženého tlaku U/V I/A P/W R/Ω 1,22 0,836 1,020 1,46 2,49 1,631 4,1 1,53 3,72 2,367 8,8 1,57 4,35 2,713 11,8 1,60 5,54 3,414 18,9 1,62 6,79 4,13 28,0 1,64 7,45 4,52 33,7 1,65 8,66 5,2 45,0 1,67 9,93 5,92 58,8 1,68 10,52 6,27 66,0 1,68 11,72 6,83 80,0 1,72 12,96 7,52 97,5 1,72 Voltampérová charakteristika kanthalu I (A) 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 4 6 8 10 12 14 U (V)
Přílohy fotografií: 1) vlákno žárovky s měřítkem 2)žhavené vlákno za sníženého tlaku
3)text nasvícený naší žárovkou 4)žhavené vlákno na vzduchu
5)zapálený výboj v zářivce při 13,5V
6)aparatura pro žhavení vláken za sníženého tlaku