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1、光源原理与设计—白炽灯诸定昌第二章白炽灯光源原理与设计—白炽灯诸定昌白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉η=8~15lm/wH=1*103小时灯丝色温Tc=2700~2900K(灯光黄）Ra≈100光源原理与设计—白炽灯诸定昌2.1热辐射的性质光源原理与设计—白炽灯诸定昌一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射TE（thermalEquilibrium)热力学平衡状态LTE（localthermalEquilibrium)局部热力学平衡状态光源原理与设计—白炽灯诸定昌二、基尔霍夫定律（KirchholfLaw)1.光辐射出度Me(T)Me(T)=Pe(T
2、)/S单位（W/m2)Pe——单位时间辐射的能量。2.光谱辐射出度Mλ（λ,T)Mλ（λ,T)=dMe(T)/dλ=dPe(T)/Sdλ光源原理与设计—白炽灯诸定昌3.光谱的吸收率α(λ,T)α(λ,T)=dPe’(λ,T)=/dPe(λ,T)4.KirchholfLaw光源原理与设计—白炽灯诸定昌三、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光源原理与设计—白炽灯诸定昌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·m
3、2)C2=hc/kB=1.44*10-2(m·K)当λ不是很大，T不是很高时MλB(λ,T)=C1λ-5e-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，可见光部分增加光源原理与设计—白炽灯诸定昌3．斯忒藩——玻尔兹曼定律MeB(T)=∫0∞MλB(λ,T)dλ=σSBT4σSB=5.67*10-8W/(m2·K4)4．维恩位移定律λm·T=b=2.89779*10-3(m·K)光源原理与设计—白炽灯诸定昌四、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
4、体的MλB(λ,T)小。定义光谱发射率：ε(λ,T)=Mλ(λ,T)/MλB(λ,T)＜1光源原理与设计—白炽灯诸定昌2.2白炽灯的结构与材料光源原理与设计—白炽灯诸定昌一、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求1.熔点高2.蒸发率V小影响V的因素Tf自身的蒸汽化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、钨的主要性质光源原理与设计—白炽灯诸定昌2.3真空白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计—白炽灯诸定昌一、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光源原理与设计—白炽灯诸定昌1.理想直
5、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)dλ2.实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使η下降。η=η0/δ，（遮挡因子）δ，=1.12~1.15光源原理与设计—白炽灯诸定昌二、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=1/4nV=n√(kT/2πm)单位时间单位表面沉积的钨质量为：Vap=α0N1m=α0n√(kTm/2π)=0.06α0P/T0.5光源原理与设计—白炽灯诸定昌2.蒸发率与灯寿命的关系温度T（K）Vap（g/cm2*s）H(hr)
6、Vap*H22002.24*10-127.2*1045.8*10-424001.38*10-101.14*1035.5*10-426004.17*10-93.86*1015.8*10-430001.05*10-60.155.7*10-4可以看出Vap*H=const实验：d=0.1m/m在不同Tf下的Vap光源原理与设计—白炽灯诸定昌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=4VapH/ρdfG直∝1/dfdf灯丝直径b)螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺G螺≈（50~60）%G直光源原理与设计—白炽灯诸定昌三、总结基本矛盾T↑——→η↑（Me∝T
7、4）T↑——→Vap↑——→H↓∴Tf=2300~2600KH=1*103hrsη=8~10lm/W光源原理与设计—白炽灯诸定昌2.4充气白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计—白炽灯诸定昌一、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。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。光源原理与设计—白炽灯诸定昌二、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为1m长的灯丝表面在一秒种内扩散出去的钨原子数。光源原
