А. П. ИВАНОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ИСТОЧНИКИ
СВЕТА
Второе переработанное издание
при участии Б. Л. БАЛАШИНСКОГО
Допущено Главным управлением
политехнических и машиностроительных вузов
Министерства высшего образования СССР
в качестве учебного пособия
для студентов светотехнических специальностей
энергетических и электротехнических вузов
и факультетов
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА	1955	ЛЕНИНГРАД
Книга выпущена к пятидесятилетнему юбилею
Московского ордена Ленина энергетического института
имени В. М. Молотова
ЭЭ 5-2
Настоящая книга содержит теоретический и техниче-
ский материал, относящийся к электрическим 1 источникам
света. Сюда относятся: описания типов ламп, их расчеты,
характеристики и схемы включения — газосветных, люми-
несцентных и электродосветных ламп.
Книга может быть использована в качестве учебного
пособия для студентов и аспирантов энергетических и фи-
зико-технических специальностей, а также может быть
полезна инженерно-техническим работникам, занимаю-
щимся разработкой, производством и эксплуатацией элек-
трических источников света
Автор Алексей Петрович Иванов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
* * *
Редактор Б. Л. Балашинский	Техн, редактор Г. Е. Ларионов
Сдано в пр-во 25/VI 1955 г. Формат бумаги 70X1 С8Цв Т-08157	Тираж 5 000	Подписано к печати 20/Х 1955 г. 24,66 п. л.	Уч.-изд. л. 27 Цена 16 р. 95 к.	Зак. № 356
Типография Госэнергоиздата^ Москва, Шлюзовая наб., 10.’
ПРЕДИСЛОВИЕ
Подготовка квалифицированных кадров служит одной из за-
дач, связанных с дальнейшим развитием промышленности, и
предлагаемая книга может служить одним из средств для реше-
ния этой задачи.
Согласно указаниям Партии и Правительства высшие учеб-
ные заведения обязаны в течение ближайших трех-четырех лет
обеспечить подготовку стабильных и высококачественных учеб-
ных пособий по основным учебным дисциплинам.
Настоящая книга составлена как учебное пособие, соответ-
ствующее курсу «Электрические источники света», читавшемуся
автором кн1ипи ib течение ряда лет на Электрофизическом факуль-
тете Московского ордена Ленина энергетического института
имени В. М. ’Молотова.
Содержание книги представляет собой расширенный курс
этих лекций, посвященный в первой части разбору теории тепло-
вого излучения, а также физических явлений и свойств ламп на-
каливания, во второй части включает теоретический и практиче-
ский материал, относящийся к новым источникам света — лампам
газового разряда, простым — газосветным и люминесцентным.
Книга в целом отражает успехи техники в данной области,
представленные в своем развитии, включая .достижения послед-
него времени. При выборе и изложении материала основной за-
дачей было дать полный систематизированный обзор источников
света в тесной увязке практического материала с основами со-
временных теорий, относящихся к смежным областям физики:
теории спектров и строения атома, теории газового разряда; яв-
лений различных видов люминесценции и приложений этих тео-
рий, для объяснения физических процессов, протекающих в газо-
разрядных лампах.
В вопросах эксплуатации описываемых источников света автор
считал возможным ограничиваться краткими описаниями, рассчи-
тывая на использование существующей светотехнической лите-
ратуры.
Автор пользуется случаем выразить свою благодарность всем
членам кафедры, участвовавшим в обсуждении рукописи книги,
а также профессорам Н. А. Капцову, Р. А. Нилендеру и доценту
Б. Л. Балашинскому за ряд ценных советов в отзывах о руко-
писи.
А. Иванов

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие ........................... 3
Введение. Исторический обзор развития
электрических источников света . .	9
РАЗЛИЛ I
СОВРЕМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИ-
СТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Глава первая. Современные источники
света и их классификация . .	13
1-1. Тепловые источники света ...	13
1-2. Люминесцирующие источники све-
та ......................... 14
1-3. Источники света смешанного излу-
чения ...................... 17
Глава вторая. Энергетические харак-
теристики излучения ....	18
2-1. Основные величины, применяе-
мые при измерении энергии из-
лучения ................... 18
2-2. Мощность излучения или поток
излучения.................. 18
2-3. Угловая плотность потока излу-
чения ..................... 19
2-4. Поверхностная плотность испу-
скаемого потока излучения . . 20
2-5. Закон Ламберта и его примене-
ние ..........................  21
2-6. Спектральные энергетические
величины излучения ....	23
2-7. Отражение, пропускание и погло-
щение энергии излучения ... 23
2-8. Приемники излучений....... 25
2-9. Световые величины и единицы 27
2-10. Световая отдача источников
света........................... 29
РАЗДЕЛ II
ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Глава третья. Теория теплового излу-
чения ............................. 31
3-1. Основные условия иопределения 31
3-2. Закон Кирхгофа............  32
3-3. Абсолютно черное тело .... 34
3-4. Закон Стефана-Больцмана ... 36
3-5. Распределение энергии в спектре
абсолютно черного тела.......... 37
3-6. Уравнение Планка........... 39
Глава четвертая. Исследование зако-
нов теплового излучения ... 44
4-1. Экспериментальное исследование
излучения абсолютно черного тела 44
4-2. Световое излучение абсолютно
черного тела........................48
4-3. Световая экономичность абсолют-
но черного тела............... 50
Глава пятая. Приложение законов теп-
лового излучения .....................54
5-1. Излучение нечерных тел .... 54
5-2. Излучение металлов.......... 55
5-3. Уравнения излучения металлов 57
5-4. Оптическая пирометрия .... 58
Глава шестая. Энергетический баланс
ламп накаливания..................... 63
6-1. Выделение и рассеяние энергии 63
6-2. Баланс выделяемой и рассеивае-
мой энергии...................... 64
Глава седьмая. Работа прямолинейно-
го тела накала в вакууме . . 65
7-1. Физические характеристики воль-
фрама . .	.....	.65
7-2. Характеристики идеальной воль-
фрамовой нити.................... 71
7-3. Соотношения между электриче-
скими характеристиками нити и
ее размерами..................... 73
Глава восьмая. Работа спирального
тела накала в вакууме .... 75
8-1. Характеристики спирального
тела накала ....	.75
8-2. Эффект экранирования поверхно-
сти тела накала ...............78
8-3. Баланс энергии спирального тела
накала .	.	.... 80
8-4. Определение размеров спиральной
нити........................   81
Глава девятая. Охлаждение тела на-
кала электродами и держате-
лями .................................82
9-1. Влияние охлаждения электрода-
ми и держателями на параметры
лампы..........................82
9-2. Уравнение распределения темпе-
ратуры вблизи электродов . .	83
9-3. Определение температуры в раз-
личных точках раскаленного тела 86
9-4. Определение эквивалентных по-
правок длин нити для различных
характеристик.............•. . . . 86
9-5. Применение поправок при расче-
те реальной нити................. 90
Глава десятая. Работа тела накала в
атмосфере газа....................... 92
10-1. Основные явления при переда-
че тепла в газовой среде ... 92
содержание
10-2. Отвод тепла газом при низких
давлениях..................... 93
10-3. Отвод тепла газом при высоких
давлениях..................... 94
10-4. Определение толщины и диаме-
тра застойного слоя........... 97
10-5. Влияние размеров и конструк-
ции тела накала на тепловые по-
тери в атмосфере газа..........99
10-6. Применение выведенных уравне-
ний для расчетов тепловых по-
терь в лампах.................101
Глава одиннадцатая. Распыление ка-
лильного тела в вакууме и
газах ...............................102
11-1. Причины распыления калильно-
го тела . .	...	. . 102
11-2. Тепловое распыление металла в
вакууме ......................1С4
11-3. Тепловое распыление металла в
атмосфере газа................1С6
Глава двенадцатая. Изменение парамет-
ров тела накала при его рас-
пылении .............................107
12-1. Изменение диаметра и энергети-
ческих параметров цилиндриче- •
ского тела накала при Г= const 107
12-2. Изменение во времени диаме-
тра и энергетических параметров
нити при U = const...............109
12-3. Распыление спиральной нити. . ПО
Глава тринадцатая. Срок службы ламп
накаливания.........................111
13-1. Факторы, оказывающие влияние
на срок службы ламп - • ... 111
13-2. Механические свойства воль-
фрама и его структура .... ИЗ
13-3. Роль дефектных участков нити
и критическая потеря в весе . . 117
Глава четырнадцатая» Эксплуатацион-
ные свойства ламп накаливания 120
14-1. Классификация ламп накалива-
ния	.............12)
14-2. Конструктивные особенности,
электрические и световые пара-
метры ламп...................121
14-3. Изменение параметров ламп на-
каливания в зависимости от на-
пряжения электрической сети . 126
14-4. Изменение параметров лампы
в процессе ее работы.........127
11-5. Отклонение параметров ламп от
номинальных значений ...	. 129
14-6. Современные типы ламп накали-
вания .......................131
14-7. Стандартизация электрических
ламп накаливания.............135
Глава пятнадцатая. Выбор наивыгод-
нейшего удельного расхода
мощности и расчет тела
н кала...............................136
15-1. Выбор наивыгоднейшего удель-
ного расхода мощности........136
15-2. Расчет тела накала, работающе-
го в вакууме.................139
15-3. Формулы пересчета..........141
15-4. Расчет тела накала в газовой
среде...........................142
РАЗДЕЛ III
ИСТОЧНИКИ СВЕТА ГАЗОВОГО
РАЗРЯДА
Глава шестнадцатая. Электрическая
проводимость газовой среды 146
16-1. Прохождение электрического то-
ка через вакуум и материаль-
ную среду....................146
16-2. Классификация элементарных
процессов газового разряда . . 147
Г лава семнадцатая. Свойства газовых
разрядов, применяемых в га-
зоразрядных лампах...........149
17-1. Классификация форм газового
разряда......................149
17-2. Возникновение и развитие тихого
разряда......................151
17-3. Тлеющий	разряд..................152
17-4. Дуговой	разряд..................155
Г лава восемнадцатая. Энергетические
свойства источников света
газового разряда.............157
18-1. Общий баланс энергии газораз-
рядной лампы.................157
18-2. Особенности работы	анода	.	.	157
18-3. Особенности работы	различных
видов катодов...............158
18-4. Эксплуатационные свойства от-
дельных типов катода	. .	.	.	169
Глава девятнадцатая. Световые, элек-
трические и эксплуатацион-
ные свойства газового разряда 162
19-1. Световой поток источников све-
та газового разряда .................... 162
19-2. Коэффициенты полезного дей-
ствия и световая отдача излуче-
ния ....	....	165
19-3. Зажигание газового разряда . . 167
19-4. Электрические характеристики
источников света газового раз-
ряда "...	..............170
19-5. Стабилизация газового разряда 173
19-6. Срок службы источников света
газового разряда......................175
Глава двадцатая. Газосветные лампы
тлеющего разряда с отрица-
тельным свечением............177
20-Г. Обзор развития и общие, свой-
ства тлеющих ламп............177
20-2. Типы современных тлеющих
ламп и их электрические и свето-
вые характеристики ......... 178
20-3. Применение тлеющих ламп . 182
Глава двадцать первая. Газосветные
трубки тлеющего разряда с
положительным свечением . . 182
•21-1. Обзор развития и общие свой-
ства газосветных трубок тлею-
щего разряда......................182
СОДЕРЖАНИЕ
7
21-2. Электрические и световые свой-
ства газосветных трубок тлею-
щего разряда с положительным
свечением .......................184
21-3. Газосветные трубки тлеющего
разряда с благородными газами 187
21-4. Применение газосветных трубок
тлеющего разряда и включение
их в электрическую сеть . . ; 189
Г лава двадцать вторая. Газосветные
трубки дугового разряда с
положительным свечением . . 191
22-1. Обзор развития и общие свой-
ства дуговых газосветных тру-
бок с перманентными газами 191
22-2. Электрические, световые и экс-
плуатационные характеристики
газосветных трубок дугового раз-
ряда . ..........................193
22-3. Газосветные лампы сверхвысоко-
го давления с криптоном и ксе-
ноном ...................... ....	196
Глава двадцать третья. Газосветные
лампы и трубки с парами
металлов.............................198
23-1. Особенности й основные свой-
ства ламп с парами металлов 198
23-2. Обзор развития и общее описа-
ние ртутных ламп низкого дав-
ления ................. 199
23-3. Общие физические свойства •
ламп с ртутным катодом . ♦ . 202
23-4. Электрические, световые и экс-
плуатационные характеристики
ртутных ламп низкого давления
с жидким катодом.................203
Глава двадцать четвертая. Газосвет-
ные лампы низкого давления
с парами натрия..............206
24-1. Обзор развития и общие свой-
ства натриевых ламп . .	206
24-2. Световые и электрические харак-
теристики и выбор режима рабо-
ты натриевой лампы...........209
24-3. Типы натриевых ламп и основ-
• ные их характеристики .	. . 212
24-4. Эксплуатационные свойства на-
триевых ламп при нестационар-
ном и долговременном режиме 215
Глава двадцать пятая. Газосветные
лампы высокого давления с
парами ртути.................217
25-1. Обзор развития и общее описа-
ние ртутных ламп высокого дав-
ления •.......................217
25-2. Общие физические свойства газо-
вого разряда в парах ртути при
высоких давлениях ....	219
25-3. Спектральные и световые свой-
ства разряда в парах ртути при
высоком давлении.................220
25-4. Ртутные лампы высокого дав-
ления из стекЛа..............221
25-5. Ртутные лампы высокого давле-
ния из кварца ‘..............226
Глава двадцать шестая. Газосветные
лампы сверхвысокого давле-
ния с парами ртути . ... ; 229
26-1. Общее описание ртутных ламп
сверхвысокого давления .	. . 229
26-2. Основные виды ртутных ламп
сверхвысокого давления .... 231
26-3. Лампы сверхвысокого давления
малой мощности с естествен-
ным охлаждением (трубчатой
формы)......................• . . 232
26-4. Лампы сверхвысокого давления
средней и большой мощности с
естественным охлаждением (ша-
рообразной формы)................233
26-5. Лампы сверхвысокого давления
средней и большой мощности с
водяным охлаждением (трубча-
той формы).......................234
Глава двадцать седьмая. Лампы с амаль-
гамами и парами других ме-
таллов ..............................236
27-1. Обзор развития ламп с амаль-
гамами и другими металлами . . 236
27-2. Лампы с парами кадмия, цин-
ка и таллия..................238
27-3. Лампы с парами калия, руби-
дия и цезия..................239
Глава двадцать восьмая. Фотолюминес-
центные лампы........................239
28-1. Обзор применений фотолюминес-
ценции для усовершенствования
источников света.............239
28-2. Люминофоры и их характери-
стики .......................241
. 28-3. Применение фотолюминесцен-
ции для увеличения световой от-
дачи и улучшения цветности
ртутных ламп.......................243
28-4. Фотолюминесцентные трубки вы-
сокого напряжения (тлеющего
разряда)'.................... . . . 245
28-5. Фотолюминесцентные ртутные
лампы низкого напряжения . . 246
Глава двадцать девятая. Газосветные
высокочастотные лампы (лам-
пы безэлектродные индук-
ционные и лампы импульсные) 255
29-1. Безэлектродные индукционные
лампы высокочастотного раз-
ряда ‘.......................255
29-2. Газосветные лампы импульсно-
го разряда.........................257
8
СОДЕРЖАНИЕ
Глава тридцатая. Электродосветные
лампы с» вольфрамовыми
электродами в атмосфере
инертного газа и паров ртути 261
30-1. Лампы с вольфрамовыми элек-
тродами в атмосфере инертного
газа........................•. . 261
30-2. Лампы с вольфрамовыми элек-
тродами в атмосфере ртутных
паров.......................• . 266
Глава тридцать первая. Электродосвет-
ные лампы с электродами,
работающими в среде атмо-
сферного воздуха....................268
31-1. Физические свойства дуги в сре-
де атмосферного воздуха . . . 268
31-2. Типы дуговых ламп с угольны-
ми и металлическими электрода-
ми и их. характеристики .... 270
31-3. Интенсивные дуговые лампы . . 274
РАЗДЕЛ IV
ПЕРСПЕКТИВЫ УСОВЕРШЕНСТВОВА-
НИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ
СВЕТА
Глава тридцать вторая. Недостатки
современных ламп накалива-
ния и ламп газового разряда и
пути их устранения ..... 280
32-1. Основные требования, предъяв-
ляемые к искусственным источни-
кам света....................280
32-2. Преимущества, и недостатки со-
временных электрических источ-
ников света..................280
32-3. Недостатки ламп накаливания и
перспективы их усовершенство-
вания .......................281
32-4. Недостатки ламп газового раз-
ряда и перспективы их усовер-
шенствования ................283
Литература .........................285
Алфавитный указатель................287
ВВЕДЕНИЕ
Исторический обзор развития электрических источников света
Тепловые и световые явления элек-
трического тока были открыты вскоре
после изобретения гальванического
элемента Вольтой в 1800 г. Уже в
1801 г. во Франции — Тенар и Готро
показали, что электрическим током
тонкую металлическую проволоку мож-
но довести до температуры светлого
каления и даже расплавить.
Почти в то же время, в 1802 г., об-
стоятельные опыты профессора физи-
ки С.-Петербургской медико-хирурги-
ческой академии Василия Владимиро-
вича Петрова (1761—1834) установи-
ли возможность получения световых
явлений от открытой им электрической
дуги.
Явление светящейся дуги было по-#
лучено В. В. Петровым с помощью-
«огромной наипаче батареи, состоящей
иногда из 4200 медных и .цинковых
кружков», т. е. с помощью вольтова
столба, э. д. с. которого должна была
равняться около 2 100 в.
Таким образом, при дальнейших ра-
ботах исследователей открылись два
пути превращения электрической энер-
гии в световую: первый путь—исполь-
зование тепловых явлений электриче-
ского тока, приводящий к изобрете-
нию электрической лампы нака-
ливания, и второй — использова-
ние явления электролюминесценции,
приводящий к изобретению и разра-
ботке электродосветных и
газосветных ламп. Одновремен-
ное использование первого и второго
явлений привело к созданию электро-
досветных ламп со смешанным излу-
чением (тепловое и люминесцентное).
А. Лампы накаливания. Одним из
первых изобретателей ламп накалива-
ния был русский военный электротех-
ник, капитан Сергеев, который в 60-х
годах построил электрическую лампу—
прожектор с телом* накала в виде пла-
тиновой спирали, с водяным охлажде-
нием, применявшуюся в военно-инже-
нерных частях для освещения минных
галерей.
В 1872 г. Александр Николаевич
Лодыгин (1847—1923) подал заявку
на привилегию, предметом которой
была построенная им лампа с телом
накала в виде тонкого* стерженька из
ретортного угля, заключенного в сте-
клянную колбу. На эту лампу он полу-
чил русскую привилегию в 1874 г., но
еще до получения привилегии широко
демонстрировал в С.-Петербурге раз-
ные способы освещения при помощи
этих ламп накаливания.
Однако Лодыгину не удалось до-
биться в период 1875—1879 гг. внед-
рения своих ламп накаливания, так
как в эти годы с большим успехом
применялись электрические свечи Яб-
лочкова. Тем не менее, электрическая
лампа Лодыгина сыграла известную
роль в истории освещения в том отно-
шении, что способствовала усилению
интереса к этому типу источников све-
та и, несомненно, послужила исход-
ным моментом для развертывания
Т. А. Эдисоном весьма обширных
изысканий в области ламп накалива-
ния, закончившихся в 1879 г. усЪвер-
шенствованием лампы накаливания с
угольной нитью.
После . 80-х годов прошлого ' века
лампы накаливания начинают прочно
внедряться в практику электрического
освещения во всех странах, в том чи-
сле и в России.
А. Н. Лодыгин в конце прошлого
века разрабатывал также и конструк-
ции ламп с металлическим телом нака-
ла. Его мысль — изготовлять тело
10
ВВЕДЕНИЕ
накала в виде нити из тугоплавких ме-
таллов—молибдена и вольфрама, ока-
залась очень плодотворной и была
впоследствии воспринята практикой.
С целью повышения экономичности
угольных ламп и увеличения их срока
службы совершенствовались также и
методы изготовления угольных тел
накала в последних выпусках ламп.
Так, угольные стержни в лампах заме-
нялись тонкой угольной нитью и в ка-
честве материала для тел накала ста-
ла применяться нить, выполненная из
обугленной нитроцеллюлозы. В про-
цессе усовершенствования ламп с ме-
таллической нитью* для изготовления
тела ндкала стали применяться посте-
пенно тугоплавкие металлы: осмий,
цирконий, тантал и, наконец, воль-
фрам.
Первые лампы накаливания с при-
менением вольфрамовой нити, вытес-
нившей впоследствии нити из других
материалов, появились в 1903 г. В ре-
зультате дальнейших работ по усовер-
шенствованию ламп накаливания и
технологии их изготовления в 1906—
1909 гг. появились лампы накалива-
ния с вольфрамовой тянутой нитью,
а в 1912—1913 гг. были сконструиро-
ваны лампы накаливания с наполне-
нием инертным газом и со спираль-
ным телом накала. Последующее усо-
вершенствование ламп накаливания
выразилось в создании в 1934 г. газо-
наполненных ламп с биспиральным те-
лом накала, обладающих более высо-
кой экономичностью по сравнению с
односпиральными лампами. Примене-
ние для этих ламп в качестве газа на-
полнителя — криптона и ксенона в
1936 г. дало возможность сконструи-
ровать современную наиболее эконо-
мичную лампу накаливания, являю-
щуюся последним достижением в об-
ласти усовершенствования этих источ-
ников света.
Б., Газосветные лампы. Свечение
в газовой среде под влиянием разря-
дов — явление, широко распространен-
ное в природе. Человек с незапамят-
ных времен является свидетелем таких
величественных явлений, как северное
сияние, предгрозовое свечение возвы-
шенных предметов (огни Эльма) и наи-
более мощный газовый разряд в при-
роде — молния. Искусственное воспро-
изведение электрических явлений и их
исследование стали возможными по-
сле построения в 1663 г. первой элек-
трической машины, состоявшей из
серного вращающегося шара, натирае-
мого с помощью руки. При опытах с
этой машиной и атмосферном давле-
нии наблюдалось слабое свечение
электризуемой поверхности шара.
Наблюдение световых явлений, свя-
занных с прохождением электричества
через разреженную газообразную сре-
ду, сопутствовало исследованиям дру-
гих электрических явлений и стало до-
ступным благодаря открытию в 1643 г.
учеником Галлилея — Торичелли спо-
соба получения барометрической пу-
стоты и изобретению первого воздуш-
ного насоса в 1650 г.
Мысль о практическом применении
светящихся трубок впервые высказа-
на в 1742 г. И. Г. Винклером, кото-
рый, описывая в своем труде «Мысли
о свойствах электричества» опыты со
свечением откачанных трубок, содер-
жащих ртутные пары (каплю ртути) и
соединенных с электрической маши-
ной, предлагает выполнять светящиеся
трубки в виде фигур и букв.
Исследование более мощных форм
газового разряда, наблюдаемых в яв-
лениях атмосферного электричества,
относится к периоду 1747—1754 гг.,
когда Ломоносов совместно с Г. В. Рих-
маном в России окончательно устано-
вили тождество явлений атмосферного
электричества с электрическими явле-
ниями, наблюдаемыми в лабораторной
обстановке.
Теория Ломоносова изложена им
25 ноября 1753 г. на публичном акте
в Академии в речи «Слово о явлениях
воздушных от электрической силы про-
исходящих».
В записках Ломоносова 1757 г.
также указывается, что «свет в труб-
ках (с жидкой ртутью) без воздуха —
электрический», происходящий от тре-
ния ртути о стекло.
Изобретение гальванического эле-
мента в 1800 г. дало возможность по-
лучить устойчивый электрический ток и
в соответствии с этим — первую энер-
гетическую базу как для научных опы-
тов в области электричества, так и
ВВЕДЕНИЕ
11
для некоторых его технических при-
ложений. Уже через два года после
изобретения гальванического элемента
Василием Владимировичем Петровым
было открыто и исследовано явление
светящейся дуги, представляющей со-
бой наиболее мощную форму искусст-
венного газового разряда.
Работы В. В. Петрова можно счи-
тать заключительными работами пер-
вого периода исследования основных
явлений газового разряда, так как
дальнейшие работы в этой области по-
священы в основном более глубокому
изучению этих явлений, разработке их
теории и применению их для научных
и практических целей. Развитию этих
работ в первую очередь способствова-
ло усовершенствование источников
электрической энергии, позволившее
вывести новый вид освещения из стен
лабораторий на широкую дорогу прак-
тического их использования.
После открытия Фарадеем явления
электромагнитной индукции в 1831 г.
' и усовершенствования индукционной
катушки работы по исследованию све-
тящегося электрического разряда по-
лучили широкий размах. Работы са-
мого Фарадея в этой области (до
1838 г.), производившиеся им с по-
мощью электростатической машины,
относятся к установлению различия
форм разряда (тихий разряд, тлею-
щий разряд, искра) и условий их воз-
никновения. Фарадей отметил также
различие световых явлений на отри-
цательном и положительном полюсах
трубки и существование темного про-
странства между ними (фарадеево
темное пространство).
Одним из наиболее важных техни-
ческих факторов, способствовавших
исследованию свойств электрического
разряда в газах, было усовершенство-
вание методов изготовления светящих-
ся трубок, наполненных различными
газами, произведенное Гейслером в
1856 г. Гейслер, стеклодув из Тюрин-
гии, пользуясь усовершенствованным
им способом откачки, начал изготов-
ление названных его именем трубок
с платиновыми электродами, наполнен-
ных различными газами. Трубки име-
ли различную форму и широко исполь-
зовались многими физиками как для
демонстрации явлений газового раз-
ряда, так и для его исследования.
Ряд важных исследований светя-
щегося разряда и открытие других
электрических явлений в разреженных
газах и пустоте были произведены
после этого многими исследователями.
Так, Плюккер в 1859 г. исследовал
спектры светящихся газов в гейсле-
ровских трубках и несколько позднее,
в 1862 г., отметил, что от одного и то-
го же вещества в зависимости от тем-
пературы можно получать спектры
различного вида.
Практическое применение светя-
щихся трубок для целей освещения
началось в 1893 г. в результате исполь-
зования трубок с разреженными газа-
ми (азот и углекислота) конструк-
ции американского инженера Мура.
В 1910 г. для светящихся трубок ста-
ли применять неон, аргон и др., что
дало возможность упростить их кон-
струкцию. В 1928 г. получили распро-
странение так называемые интенсив-
ные трубки повышенной яркости с рас-
каленными катодами, предназначенные
для нормальных эксплуатационных на-
пряжений. Параллельно создавались
лампы и светящиеся трубки с парами
металлов. Первой такой лампой, ис-
пользующей свечение ртутных паров,
была ртутная лампа И. Репьева, пред-
ложившего ее в 1879 г. Впоследствии
в 1900—1901 гг. в эти лампы были
внесены конструктивные усовершен-
ствования, которые сделали их удоб-
ными для практического применения.
Лампы и трубки с парами натрия по-
явились несколько позднее и нашли
распространение, только начиная с
1919—1920 гг.
В период 1930—1932 гг. в ртутной
лампе был применен впервые оксид-
ный катод и конструкция ламп полу-
чила ее современное оформление. В ре-
зультате больших работ, начиная с
1904 г., связанных с использованием
для ртутных ламп кварцевого балло-
на, была создана простая и надежная
конструкция ламп с металлическими
вводами (1912—1913 гг.) и твердыми
оксидными катодами в 1930—1932 гг.,
которая дала возможность использо-
вать интенсивное излучение в ультра-
фиолетовой области спектра. В 1935 г.
12
ВВЕДЕНИЕ
появились первые образцы ртутных
ламп сверхвысокого давления с дав-
лением ртутных паров в несколько де-
сятков и даже сотен атмосфер. В по-
следние годы были сконструированы
газовые лампы сверхвысокого давле-
ния с аргоном, криптоном и ксеноном,
а также импульсные лампы с кратко-
временной вспышкой большой свето-
вой интенсивности. Особо следует от-
метить появление в 1938 г. экономич-
ных так называемых люминесцентных
ламп, в которых применены люминес-
цирующие вещества (люминофоры),
преобразующие невидимые ультрафио-
летовые излучения при разряде в па-
рах ртути в видимые излучения. Воз-
можность увеличения таким образом
световой отдачи ламп за счет исполь-
зования люминесцирующих веществ
была предсказана академиком С. И.
Вавиловым еще в 1931 г. В этих лам-
пах используется смешанный вид
люминесценции — электролюминесцен-
ция при электрическом разряде в па-
рах ртути и фотолюминесценция, воз-
никающая при возбуждении люмино-
форов под влиянием ультрафиолето-
вых излучений разряда.
В. Электродосветные лампы. Внед-
рение электрического, освещения при
помощи электродосветных ламп или,
как их иногда называют, дуговых
ламп начало развиваться примерно
с 40-х годов прошлого века.
Проблема «разделения электриче-
ского тока» для дуговых ламп нашла
свое решение в трудах Владимира Ни-
колаевича Чиколева (1845—1898).
В 1869 г. он построил дуговую лампу
с электромагнитным регулятором но-
вого’ типа — «дифференциальную»; в
1872 г. он заменил электромагнитный
регулятор этого типа дифференциаль-
ным электромашинным, и, таким обра-
зом, дуговая электрическая лампа в
конструктивном и эксплуатационном
отношении была доведена до достаточ-
но высокой степени совершенства и
могла получить более или менее ши-
рокое практическое применение. На-
чиная с 70-х годов прошлого века, рас-
пространяется дуговое освещение при
помощи дифференциальных ламп для
гражданских нужд (большие помеще-
ния, улицы, площади) и для военных
, целей (прожекторные лампы).
В 1876 г. Павлу Николаевичу Яб-
лочкову (1847—1894) был выдан па-
тент на источник света нового типа,
получивший в технике наименование
«электрической свечи». Это была ду-
говая лампа, способная действовать
без всякого регулятора и давать отно-
сительно небольшой световой поток,
в связи с чем такая свеча была при-
годна для освещения небольших по-
мещений.
Источники света являются одним
из элементов осветительной установки.
Их рациональное использование свя-
зано с необходимостью применения
осветительной арматуры, предназна-
ченной в основном для желательного
перераспределения светового потока
источника света, а также с необходи-
мостью правильного, выбора количе-
ства источников света, их световой
мощности и расположения. До появ-
ления свечи П. Н. Яблочкова электро-
осветительная арматура для электри-
ческих источников света не изготовля-
лась. Первые электрические светиль-
ники, представляющие собой сочета-
ние источника света — свечи П. Н. Яб-
лочкова и осветительной арматуры,
появились лишь после 1876 г. Парал-
лельно с развитием электрических
источников света совершенствовалась
и применяемая для них осветительная
арматура. Однако только после пер-
вой мировой войны электрический све-
тильник получил свое обоснованное
техническое оформление. По мере усо-
вершенствования электрических источ-
ников света и развития новой науки —
светотехники совершенствовались и
осветительные установки, которые ста-
ли создаваться уже на основе разра-
ботанных правил и норм искусствен-
ного освещения.
Отечественная светотехническая
промышленность, освоившая не только
все новейшие • усовершенствования
ламп. накаливания, но и производство
многочисленных источников света газо-
вого разряда, за сравнительно корот-
кий срок добилась больших успехов и
в настоящее время по своему техниче-
скому состоянию не уступает передо-
вым зарубежным странам.
РАЗДЕЛ I
СОВРЕМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
ГЛАВА ПЕРВАЯ
СОВРЕМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
С физической точки зрения источ-
ником света может быть названа
любая материальная система есте-
ственного или искусственного происхо-
ждения, генерирующая электромаг-
нитные излучения в видимой области
спектра.
В технике использования энергии
излучения истдчником света назы-
вается прибор, служащий для превра-
щения какого-либо вида энергии (на-
пример, тепловой или электрической)
в энергию видимых излучений.
Современные искусственные источ-
ники света преимущественно исполь-
зуют для превращения в видимые
излучения электрическую энергию,
а потому и называются электрически-
ми источниками света. По видам излу-
чения источники света можно разде-
лить* на три класса: тепловые, люми-
несцирующие и смешанного излу-
чения.
1-1. Тепловые источники света
Наиболее распространенным спо-
собом получения света служит нагре-
вание твердых тел до температуры
свечения. В электрических источниках
света это нагревание может осуществ-
ляться за счет тепла, выделяющегося
при протекании электрического тока
по проводнику, являющемуся телом
накала. Такие источники света, назы-
ваемые лампами накаливания, нахо-
дят в настоящее время широкое при-
менение. Основным недостатком этих
источников света является их малая
экономичность по сравнению с . други-
ми техническими приборами, предназ-
наченными для превращения одного
вида энергии в другой.
Это объясняется тем, что чувстви-
тельность глаза ограничивается узким
интервалом спектра, соответствующим
видимым излучениям, лежащим в той
области теплового излучения, где прр
рабочих температурах современных
ламп накаливания интенсивность из-
лучения невелика. Вследствие этого
.только незначительная доля всей энер-
гии, излучаемой тепловым источни-
ком, воспринимается глазом в виде
света, в то время как остальная, по-
давляющая часть может быть воспри-
нята только в виде тепла.
В связи с этим даже для наиболее
совершенных тепловых источников
света — вольфрамовых ламп накали-
вания при температуре нити Т =
=2 450° К (вакуумная лампа) доля
энергии, приходящаяся на видимую
часть спектра, составляет всего около
7% и при температуре Т = 2 800° К
(газонаполненная лампа) около 12%.
Из этого видно, что в современной
лампе накаливания в свет может быть
превращена лишь очень небольшая
доля излучаемой ею энергии; если же
учесть особенности глаза в смысле
чувствительности его к излучениям
различных длин волн, то использова-
ние энергии для осветительных целей,
определяемое световым к. п. д.. излу-
чения, в лучшем случае у ламп нака-
ливания составляет около 4%.
Повышение светового к. п. д. излу-
чения ламп накаливания связано с по-
вышением температуры нити накала,
а последняя ограничивается распыле-
нием и температурой плавления мате-
риала нити.
Однако даже при температуре
солнца, которая почти в 2 раза пре-
восходит температуру плавления воль-
14
СОВРЕМЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
[гл. 1
фрама, световой к. п. д. излучения не
превышает 14% и при дальнейшем по-
вышении температуры уже понижает-
ся. Таким образом, у тепловых источ-
ников света, излучение которых незна-
чительно отличается от излучения
«абсолютно черного тела», принци-
пиально нельзя ожидать к. п. д., пре-
вышающего указанный предел.
В связи с этими обстоятельствами
можно сказать, что при существую-
щем уровне знаний о свойствах мате-
риалов для тела накала нельзя пред-
полагать значительного повышения
светового к. п. д. тепловых ’ источников
света, так как максимальная темпера-
тура плавления наиболее тугоплавких
реальных тел, как например, карбидов
некоторых металлов (карбид тантала,
титана и др.) и некоторых других со-
единений, не превышает 4 490° К. Если
же учесть то обстоятельство, что свой-
ства данных материалов пока еще не
позволяют производить массовую вы-
работку нитей накала, то можно ска-
зать, что для получения более эконо-
мичного источника света необходимо
прибегнуть к другому способу, отлич-
ному от нагревания твердых тел.
Вместе с этим за лампой накали-
вания даже в существующем ее виде
остается ряд известных всем преиму-
ществ, которые, нужно думать, еще
надолго сохранят за ней широкие
области применения.
1-2. Люминесцирующие источники
света
Превращение отдельных видов
энергии в энергию световых излучений
может происходить при некоторых
условиях и непосредственно независи-
мо от теплового состояния вещества,
излучающего свет. Такие способы по-
лучения световых излучений носят об-
щее название люминесценции, а со-
ответствующие источники света назы-
ваются люминесцирующими.
Люминесценция представляет собой
избыток энергии, излучаемой веще-
ством над температурным его излуче-
нием. Так как это определение охва-
тывает кроме люминесценции также
ряд других явлений энергии излучения:
отражение, различные виды рассея-
ния света и некоторые другие, то по
предложению акад. С. И. Вавилова
люминесценцией следует называть
избыток над температурным излуче-
нием тела в том случае, если этот
избыток излучения обладает конеч-
ной длительностью . (свечения) при-
мерно от 10“10 сек. и больше.
В зависимости от рода применяе-
мой первичной энергии и некоторых
других признаков люминесценция мо-
жет быть разделена на отдельные
виды (электролюминесценция, фото-
люминесценция, хемилюминесценция
и т. д.).
Все эти виды люминесценции прин-
ципиально могут быть объединены
одним общим признаком: излучение
света при явлении люминесценции не
подчиняется законам теплового излу-
чения. Поэтому люминесцирующие
источники света иногда называются
«источниками холодного света». Это
название, однако, не .предопределяет
обязательного отсутствия повышения
температуры излучателя при его ра-
боте, так как в некоторых случаях, на-
пример в случае дугового разряда в
газах, температура излучателя — га-
за — может повышаться очень значи-
тельно.
В природе мы наблюдаем ряд све-
товых явлений, не вызываемых повы-
шением температуры.
При медленно протекающих хими-
ческих процессах соединения органи-
ческих веществ с кислородом, напри-
мер в случае гниения дерева или
упавших листьев, мы можем наблю-
дать свечение, хорошо заметное в тем-
ные ночи. Ряд случаев свечения жи-
вых организмов (насекомых, рыб и
низших организмов — инфузорий) дает
также возможность наблюдать эти
проявления непосредственно в при-
роде.
Хорошо известный всем «светляк»—
одно из самых замечательных явлений
в этой области. Свет его при исследо-
вании оказывается полностью холод-
ным светом как в смысле температуры
излучателя — тела насекомого, так и
в смысле распределения энергии излу-
чения по спектру. Вся излучаемая им
энергия лежит в пределах видимой
части спектра, и даже больше, самый
§ 1-2]
ЛЮМИНЕСЦИРУЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

характер света полностью приспособ-
лен к свойствам нашего глаза. В ре-
зультате световой к, п. д. такого излу-
чения достигает 97%.
Существование в природе реально-
го ’ источника света с такой высокой
световой отдачей указывает одйн из
путей экономичного получения свето-
вой энергии.
В чем же заключается причина это-
го явления и каковы возможности
использования этого принципа в техни-
ке? Путем исследования свечения на-
секомых удалось выяснить, что свет их
является результатом химической ре-
акции двух веществ, вырабатываемых
специальными органами насекомого.
При опытах удалось выделить оба
эти вещества из организма насекомого
и путем смещения получить свет, одна-
ко получить эти вещества искусствен-
но пока не удалось. Вполне очевидно,
что практическое осуществление. таких
химических соединений являлось бы
одним из кардинальных решений зада-
чи получения холодного света.
Современная техника, однако, на-
ходит другие пути получения холодно-
го света, используя не энергию хими-
ческих превращений, а энергию элек-
трического тока при прохождении его
через разреженные газы или пары.
Уже более 100 лет тому назад на
основании работ В. В. Петрова и дру-
гих стало известным, что прохождение
электрического тока через разрежен-
ный газ сопровождается свечением
последнего. При исследовании этого
свечения с помощью спектроскопа вы-
яснилось, что спектр такого свечения
по своему характеру существенно от-
личается от спектра раскаленных твер-
дых тел. В то время как спектр
температурного излучения является
сплошным с постепенным и незамет-
ным переходом одного цвета в другой,
спектр газа, излучающего свет под
влиянием электрического разряда,
представляет собой ряд отдельных ли-
ний и полос, разделенных темными
промежутками и расположенных в раз*
личных областях спектра в зависи-
мости от природы газа и некоторых
других условий.
Соответственно этой особенности
каждый газ имеет характерный для
него цвет свечения. Излучения в неви-
димой части спектра также количе-
ственно и качественно весьма сильно
отличаются у различных газов.
При подборе соответствующего га-
за или паров металлов принципиально
можно получить излучение энергии в
любой части спектра и, таким образом,
значительно повысить отдачу излуче-
Инфракрасная область
il
пустот
лампа накалива-
ния 7]с=^ ljS% (10лм1От.
'Газополная лампа накаливания
(20лм/6т)
Газосветная лампа с ртутны-
ми парами при высоком давле-
нии 1^~237о(143лм/вт)
I
п
Излучение светляка
Г[д=97%(600лм/6гп)
Газосветная лампа с
натриевыми парами
=со- тК!<ШМ/вт)
О 0J 0,4 0/6 0,3 1,0 U М 1,6 1,6лаа
Фиг. 1-1.
ния в данной области. В качестве при-
мера, наглядно демонстрирующего это,
можно привести сопоставление диа-
грамм распределения энергии по
спектру некоторых -источников излуче-
ний. На фиг. 1-1 приведены такие
диаграммы: А—для теплового излу-
чения вольфрама при температуре
2 450° и 2 800° К, Б и В — соответ-
ственно для излучения электролюми-
несцирующих (газосветных) ламп с па-
рами ртути и натрия и Г — для излу-
чения светляка.
Из цифр, приведенных на диаграм-
мах, легко видеть, что в тех случаях,
когда свет получается за счет люми-
несценции (пары ртути и натрия, свет-,
ляк), световой к. п. д. излучения мо-
жет достигнуть величин, превышающих
максимальные значения светового
к. п. д. теплового излучения. Причина
Фиг. 1-2.
Лампы с вольфрамовыми электрвва-
а,ми о среде инертного газа_____
Лампы с вольфрамовыми электрода-
ми'ми в парах ртути и аргоне
о/ Дуеовые лампы с электродами из
а чистого угля_________________
по Дуговые лампы с угольными электро-
^Ламиродертсащими сила металла
оо Дуговые лампы с металлическими
электродами
24. Дуговые интенсивные лампы
I ’IfJ]
ухааэ иминьохэи япнняинаяоэ
9I
§ 1-3]
ИСТОЧНИКИ СВЕТА СМЕШАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
17
этой характерной особенности люми-
несцирующих источников света лежит
в механизме излучения, допускающем
в данном случае индивидуализирован-
ное возбуждение элементарных излу-
чающих систем — атомов и молекул,
что позволяет при известных условиях
путем соответствующего подбора ве-
щества получать излучение в желае-
мой части спектра. Это обстоятельство
имеет очень большое практическое зна-
чение и заставляет в ряде случаев
предпочитать люминесцирующие источ-
ники света источниками теплового из-
лучения.
Источники света тепловые и люми-
несцирующие в свою очередь можно
классифицировать по разным призна-
кам, свойственным источникам света
данного вида излучения. Так, напри-
мер, современные тепловые источники
света — лампы накаливания, в зави-
симости от среды, в которой происхо-
дит нагревание тела, подразделяются
на вакуумные и газонаполненные.
Первые в свою очередь могут быть
подразделены на лампы с прямолиней-
ной нитью и лампы со спиральной
нитью. Вторые же в зависимости от
рода газа-наполнителя подразделяются
на лампы с азотом, аргоном или крип-
тоно-ксеноновой смесью, а также в за-
висимости от конструкции спирали —
на лампы с односпиральной нитью и
лампы с биспиральной нитью. Лампы
газового разряда, использующие прин-
цип электролюминесценции, подразде-
ляются в зависимости от рода газового
разряда на лампы тлеющего, дугового,
высокочастотного и импульсного раз-
ряда.. Помимо этого эти лампы можно
подразделить на разновидности в за-
висимости от характера излучающей
среды (благородные газы, пары ме-
таллов), а также в зависимости от
рода свечения (отрицательное, поло-
жительное). Кроме проведенного под-
разделения, лампы газового разряда
можно классифицировать еще по вели-
чине давления газовой среды, по кон-
структивным или некоторым другим
особенностям.
1-3. Источники света смешанного
излучения
В некоторых случаях наряду с про-
цессом люминесценции при работе
источника света имеет место выделение
тепла, которое достигает такой вели-
чины, что одновременно возникает
тепловое излучение. Примером таких
источников света со смешанным излу-
чением могут служить лампы электро-
досветные, у которых свечение дуги
обусловлено явлением электролюми-
несценции, а свечение раскаленных
электродов обусловлено повышением
их температуры. Электродосветные
лампы, использующие такой смешан-
ный принцип излучения, подразделяют-
ся на лампы с электрической дугой в
газе или парах металла и на лампы
с электрической дугой в атмосфере
воздуха. Последние можно классифи-
цировать в зависимости от материала
электродов (электроды из чистого
угля, электроды с солями металлов,
металлические электроды) или в зави-
симости от некоторых других при-
знаков.
К источникам света, использующим
смешанный принцип люминесценции,
можно отнести так называемые люми-
несцентные лампы. В этих лампах
одновременно с электролюминесцен-
цией используется фотолюминесцен-
ция — люминесценция, возникающая
вследствие непосредственного действия
электромагнитных излучений на спе-
циальные вещества, называемые люми-
нофорами. Такие лампы обладают бо-
лее высокой экономичностью и други-
ми преимуществами, благодаря кото-
рым находят все большее применение.
Люминесцентные лампы в зависимо-
сти от рода газового разряда подраз-
деляются на люминесцентные лампы
тлеющего и дугового разряда.
Принципиальная схема классифика-
ции современных электрических источ-
ников света приведена на фиг. 1-2.
2 А. П. Иванов.
18
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 3
ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
2-1. Основные величины, применяемые
при измерении энергии излучения
Для определения количественных
соотношений при излучении и взаимо-
действии энергии излучения с веще-
ством пользуются непосредственным
измерением энергии, выделяющейся в,
результате воздействия данных излуче-
ний на вещество за известный проме-
жуток времени, и сравнивают ее с ве-
личинами, определяющими простран-
ственные характеристики энергии излу-
чения.
Такими пространственными харак-
теристиками являются объемная
плотность энергии излуче-
ния, а также угловая и по-
верхностная плотность по-
тока излучения.
Кроме пространственных характе-
ристик, нужно принимать во внимание
состав излучений и поляризованность.
а)	Энергия излучения.
Энергия излучения W — энергия, кото-
рую имеют распространяющиеся элек-
тромагнитные волны.
Независимо от состава данного из-
лучения, определяемого количествен-
ным соотношением входящих в него
монохроматических составляющих и
свойств, зависящих от состояния поля-
ризации, для всякого излучения сохра-
няет свою силу закон эквивалентности
энергии и работы. При поглощении
энергии излучения веществом на осно-
вании закона сохранения энергии в за-
висимости от рода протекающего про-
цесса имеет место выделение какого-
либо другого вида энергии: тепловой,
энергии электрического тока, энергии
фотохимических превращений и др. в
количествах, эквивалентных энергии
излучения, действующей на вещество.
Единицами для измерения энергии
излучения служат общепринятые энер-
гетические единицы: калория, эрг и
джоуль.
Размерность энергии [IF] = ML2T~2,
где М — масса, L — длина и Т —
время.
б)	Объемная плотность
энергии излучения. Простран-
ственная характеристика энергии из-
лучения может быть выражена ее
объемной плотностью, представляющей
количество энергии (эргов, джоулей,
калорий) в единице объема, например
в 1 см3. Эта характеристика прекрасно
увязывается и с физическими представ-
лениями электромагнитного поля и
с теорией квант.
Выражение для объемной плотно-
сти энергии излучения при неравномер-
ном ее распределении в пространстве
имеет вид:
(2-1)
где U — объемная плотность энергии
излучения; IF — энергия излучения и
V — объем.
Объемная плотность энергии излу-
чения измеряется калориями, эргами
и джоулями на один кубический сан-
тиметр (кал!см3, эрг1см3, дж)см3).
Размерность U:
[U]^=ML^T~2.
2-2. Мощность излучения
или поток излучения
При рассмотрении процессов, свя-
занных с явлениями излучения энергии
и ее взаимодействия с веществом, бо-
лее удобно оперировать с мощностью
излучения или количеством энергии,
отнесенным к единице времени.
Мощность излучения носит наиме-
нование потока излучения F и изме-
ряется в эрг/сек, ваттах и кал/сек;
таким образом:
F=^,	(2-2
at
где F — поток излучения; dIF — энер-
гия излучения, выделяемая за проме-
жуток времени dt.
Размерность F-.
[Е]=И=ЛШТ-з.
§ 2-3]
УГЛОВАЯ ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА
19
В том случае, когда энергетическое
состояние характеризуется объемной
плотностью энергии излучения, пере-
ход от энергии к мощности излучения
можно осуществить путем определения
количества энергии, проходящего в
1 сек. через I см? воображаемой по-
верхности, перпендикулярной к на-
правлению .распространения луча.
Очевидно, что в этом случае мощ-
ность излучения, приходящаяся на
1 см2, Ро определится из уравнения
P0=cU=c^,	(2-3)
где с — скорость распространения энер-
гии излучения, см/сек.
Размерность Ро может быть выра-
жена следующим образом:
[Ро]=Н1^=^-3.
2-3. Угловая плотность потока
излучения
Для характеристики энергетических
свойств излучения в данном направле-
нии служит угловая простран-
ственная плотность пото-
ка излучения или количество
энергии, излучаемой в единицу време-
ни — секунду — в единице простран-
ственного угла — стерадиане 1 — в дан-
ном направлении. »
Угловая пространственная плот-
ность потока излучения, или энергети-
ческая сила света, определяется как:
(2-4)
Величина J, равная потоку излуче-
ния, приходящемуся на стерадиан, из-
меряется в ваттах, эрг/сек,' кал/сек на
стерадиан и имеет одинаковую с по-
током излучения физическую размер-
ность:
С понятием угловой пространствен-
ной плотности потока излучения тесно
связано понятие о точечном источнике
энергии излучения. Все реальные
1 Стерадианом, или единичный простран-
ственным (телесным) углом называется угол,
имеющий вершину в центре шаровой поверх-
ности и вырезающий на сфере радиусом г по-
верхность произвольного по форме периметра,
равную г2*
2*
источники энергии излучения обладают
конечными размерами'поверхности или
объема излучения и не могут представ-
лять собой геометрической точки, из-
лучающей энергию в окружающее про-
странство. Поэтому в реальных усло-
виях под названием точечного
источника подразумевается такой
источник излучения, размеры которого
очень малы по сравнению с расстоя-
нием, на котором рассматривается его
действие.
Уравнение (2-4) может служить для
определения полного потока излуче-
ния, испускаемого в конечном телес-
ном угле <о.
В общем виде такое решение сво-
дится к определению интеграла
=j	(2-5)
взятого по всему телесному углу ш.
В случае неравномерного распреде-
ления потока излучения в пространстве
для аналитического определения по-
тока F по (2-5) необходимо знать за-
висимость J от пространственных угло-
вых координат, определяющих также
и угол со.
Для характеристики источника из-
лучения, имеющего неравномерное рас-
пределение лучистого потока в про-
странстве, пользуются средней
энергетической силой света,
которая может быть определена из сле-
дующего уравнения:
J =—.	(2-6)
СР U)	' '
t
где F—поток излучения, испускаемый
в пределах телесного угла <о.
В случае потока излучения Го, ис~
пускаемого в пределах полной сферы
(ш=з4тг), Jcp носит название средней
сферической силы света, опре-
деляемой уравнением
J„=^-	(2-7)
При рассмотрении потока излуче-
ния, испускаемого в пределах полу-
сферы (верхней или нижней) FQ и F&
(w=2n), средние силы света носят наз-
20
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 2
ванне средней полусферической (верх-
ней или нижней), определяемых уравне-
ниями:
у -£□ .	(2-9)
О 2к
2-4. Поверхностная плотность
испускаемого потока излучения
а) Энергетическая свети-
мость. Основной энергетической ха-
рактеристикой излучения всякого ре-
ального тела конечных размеров являет-
ся поверхностная плотность
испускаемого им потока из-
лучения, или энергетическая
светимость /?, под которой разу-
меется отношение потока излучения к
испускающей его поверхности:
Остается неизменной и размерность:
[/?]=[£]= ^=А4Т-з.
в) Энергетическая
яркость. Для характеристики испу-
скания энергии излучения поверх-
ностью в данном направлении про-
странства служит поверхостная
плотность потока излучения
в данном направлении или
энергетическая яркость В,
под которой разумеется отношение
энергетической силы света в данном
направлении к проекции излучающей
поверхности на плоскость, перпенди-
кулярную к тому же направлению.
Энергетическая яркость выражает-
ся как:
r-£8._L,	(2-12)
°? dS cosf	v
R=%,
где — энергетическая сила света в
данном направлении;
dS — элемент поверхности;
Р — угол между нормалью к по-
верхности и данным направ-
лением.
Средняя энергетическая
яркость. Для характеристики по-
верхностей с неравномерной энергети-
ческой яркостью пользуются иногда
понятием средней энергетической яр-
(2-11) кости B$cg, выражающейся отноше-
нием энергетической силы света источ-
ника в ^данном направлении к про-
екции излучающей поверхности на
плоскость, перпендикулярную данному
направлению:
(2-Ю)
йспускае-
элементом
где dF— поток излучения,
мый во всех направлениях
поверхности dS.
б) Энергетическая,
щенность. Если на элемент поверх-
ности dS падает поток излучения dF,
то энергетическая освещенность е
будет
осве-
—dF
е— dS‘
Она представляет собой отноше-
ние потока
верхности,
падает.
Сравнивания
видим, что для
мости R и освещенности Е определяю-
щие уравнения тождественны, и раз-
личны лишь физические процессы, про-
текающие на данной поверхности:
испускание потока излучения в первом
случае и воздействие потока излучения
на поверхность во втором.
Очевидно, что энергетическая свети-
мость измеряется, так же как и энер-
гетическая освещенность, в ваттах,
эрг/сек, кал/сек на один квадратный
сантиметр
(вт	эрг кал \
сл2’ сек см? ’ сексм2}'
излучения к по-
на которую он
(2-10) с, (2-11), мы
энергетической свети-
(2-13)
Нормальная яркость. В ча-
стном случае, когда р=0 и данное на-
правление совпадает с направлением
нормали к поверхности, (2-13) полу-
чает вид:
„ dIn
B~d£’
(2-14)
и Вк в этом случае носит
нормальной энергетической
Энергетическая яркость измеряется
в ваттах, эрг/сек, кал/сек на квадрат-
ный сантиметр и стерадиан.
название
яркости.
/о 1
D _____Р . _____
&Р ~ S cos р
§ 2-5]
ЗАКОН ЛАМБЕРТА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
2J
Ее размерность выражается сле-
дующим образом:
Физический смысл понятия энерге-
тической яркости может быть разли-
чен:
а) При испускании энергии излуче-
ния непрозрачным твердым или жидким
телом с резко ограниченной поверх-
ностью можно для простоты предста-
вить, что энергия излучения испу-
скается исключительно наружной по-
верхностью (фиг. 2-1).
Если мы ограничим поток энергии
излучения, испускаемый поверхностью,
непрозрачным экраном, имеющим очень
малое отверстие с площадью До и рас-
положенным таким. образом, что ис-
точник излучения имеет в данном на-
правлении Ах энергетическую силу
света Д/р, то энергетическая яркость
будет
Д/о д/й
где видимая в направлении Ах часть
поверхности тела	и р — угол
между нормалью к поверхности и дан-
ным направлением.
• б) Для случая испускания лучистой
энергии веществом, не имеющим опре-
деленной пограничной поверхности,
можно исходить из следующих пред-
ставлений.
Будем считать, что прозрачный све-
тящийся объем ограничен непрозрачной
поверхностью с отверстием До (фиг. 2-1).
Если взять на прямой Ах на большом
расстоянии от точки А другую точку L,
то в этом случае проходящий через
отверстие поток излучения создает на
помещенном в точке L воображаемом
экране энергетическую освещенность
Д£, как будто бы мы располагаем ис-
точником излучения, обладающим энер-
гетической силой света bJ—Bto.
Энергетическая освещенность в точ-
ке L при расстоянии ее от отверстия,
равном г, будет
Д£=^=В^..	(2-16)
Отношение представляет собой
телесный угол Дш, под которым видны
из точки L отверстие в экране Да и
излучающая в данном направлении
часть источника; поэтому вместо (2-16)
можно написать
S=E--	<2-17)
Таким образом, в этом случае
энергетическая яркость измеряется
энергетической освещенностью, отне-
сенной к единице телесного угла при
нормальном падении лучей.
Так как значение яркости В отно-
сится к наблюдателю, находящемуся
в точке L, то источник излучения мо-
жет и не иметь резко выраженной по-
граничной поверхности. Ввиду того что
энергетическая яркость зависит в дан-
ном случае только от телесного угла
Дш, расстояние экрана от источника
не играет никакой роли.
2-5. Закон Ламберта и его применение
Исследование излучения поверхно-
стей источников показывает, что изме-
нение энергетической силы света эле-
мента поверхности источника в зависи-
мости от направления в большей или
меньшей степени подчиняется зако-
ну косинусов Ламберта.
В полной мере закон Ламберта
действителен, например, для так на-
зываемого черного излучения и иде-
ально рассеивающих или идеально
матовых поверхностей. Для поверхно-
стей, подчиняющихся закону Ламбер-
та, яркость во всех направлениях оди-
накова и энергетическая сила света
элемента поверхности изменяется про-
порционально косинусу угла между
нормалью к поверхности и данным
направлением.
Математически закон Ламберта мо-
жет быть выражен так:
dJp=BdScos₽, (2-18)
22
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 2
где энергетическая яркость В не зави-
сит от направления. Таким образом,
* (2-18) является частным случаем об-
,щего уравнения (2-12).
Графически закон изменения энер-
гетической силы света от направления
может быть представлен в плоскости
окружностью, касающейся к излучаю-
щей поверхности в данной точке, как
показано на фиг. 2-2,а, в простран-
стве — шаровой поверх-
ностью, полученной пу-
тем вращения этой ОК’
ружности вокруг нормали.
Фиг. 2-2.	Фиг. 2-3.
В качестве следствия, вытекающего
из закона Ламберта, можно привести
соотношение, имеющее место при об-
мене лучистой энергией двух элемен-
тов поверхности dS и dS\ (фиг. 2-3),
находящихся на расстоянии г друг от
друга и нормали которых N и N] об-
разуют с линией, соединяющей осно-
вания этих нормалей, соответственно
углы Р и
Поток излучения dF, посылаемый
элементом dSt по направлению г и
охватывающий элемент dSb будет
dF—BdS cos pdo>,	(2-19)
где
d<o=^°s ,	(2-20)
откуда
dF—^dSdSx cos р cos рн (2-21)
Из симметрии (2-21) вытекает, что
при равных яркостях элементов dS и
dSi поток излучения, посылаемый
одним элементом поверхности на дру-
гой, равен потоку, получаемому им от
другого элемента.
Закон Ламберта дает также воз-
можность сделать выводы примени-
тельно к следующему случаю, имею-
щему теоретический и практический
интерес.
Взаимная зависимость
энергетической светимости
и яркости для идеальных
поверхностей. Предположим, что
мы имеем элемент идеальной поверх-
ности AS = 1 см2, подчиняющийся
закону Ламберта, и нам необходимо
-определить полный поток .излучения,
испускаемый этим элементом поверх-
ности в пределах верхней полусферы.
Для этого возьмем поверхность
шара радиуса, равного единице, и рас-
смотрим элементарный лучистый по-
ток dF, падающий от элемента AS=1
на поверхность шара внутри элемен-
тарного угла d<o, определяемого в про-
странстве углами аир (фиг. 2-4).
На основании предыдущего имеем:
dF-В cos pdo>, (2-22)
но элементарный телесный угол d&=
= da sin Р dp, откуда
dF=Bcos pda sinр dp.	(2-23)
Фиг. 2-4.
' Полный поток энергии излучения,
испускаемый элементом AS, внутри
полусферы Fa= R определяется сле-
дующим образом:
2
—пВ Jsin
о
(2-24)
Таким образом, для поверхностей,
подчиняющихся закону Ламберта, энер-
§ 2-7 ] ОТРАЖЕНИЕ, ПРОПУСКАНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗЛУЧЕНИЯ
23
гетическая светимость /? равна энер-
гетической яркости В, умноженной
на
2-6. Спектральные энергетические
величины излучения
При исследовании энергии излуче-
ния почти всегда приходится иметь
дело со сложным потоком, состоящим
из излучений различных частот (длин
волн). Интегральные энергетические
величинь! такого сложного потока
излучения находятся в определенной
зависимости от энергетических харак-
теристик входящих в него элементар-
ных монохроматических потоков.
Под монохроматическим потоком
излучения подразумевается поток, со-
стоящий из излучений с длинами волн,
отличающимися одна от другой на бе-
сконечно малую величину. Так, если
длины волн элементарного монохрома-
тического потока dFkнаходятся в пре-
делах or 2 до 2-f-d2, то его. величина
может быть выражена уравнением
z/Fx=cpxd2,	(2-25)
где срх— коэффициент пропорциональ-
ности для данной длины волны 2.
Коэффициент срх носит название
спектральной интенсивности потока из-
лучения. Соответственно этому для
монохроматических энергетической яр-
кости dBk или энергетической свети-
мости dRk коэффициенты пропорцио-
нальности будут Ьк и гх. Эти коэффици-
енты в дальнейшем мы будем называть
спектральной энергетиче-
ской яркостью и спектраль-
ной энергетической светимо-
стью для данной длины в о л -
н ы.
В этом случае имеем:
а)	для спектральной энергетической
яркости' Ьк
 (2-26>
б)	для спектральной энергетиче-
ской светимости
г^~ d\ •
Из (2-26) и (2-27) можно видеть,
что размерность спектральных вели-
чин равна размерности величины
сложного излучения, умноженной на
[Л]-1, или
И
[rJ=:[-g-=JWT-3L->.
Таким же образом можно получить
спектральные энергетические характе-
ристики и для других величин, приве-
денных в § 2-1—2-4.
Энергетические величины излучения
для конечных пределов длин волн мож-
но выразить уравнениями:
а)	в случае потока, включающего
излучения с прерывным распределе-
нием их энергии по спектру (линейча-
тый или полосатый спектр),
(2-28)
б)	для потока с непрерывным рас-
пределением энергии по спектру (сплош-
ной спектр)
F=J<pxdA.	(2-29)
Функциональная зависимость, опре-
деляющая распределение энергии по
спектру срх=/(2), может быть в неко-
торых случаях выражена аналитически,
что дает возможность непосредствен-
ного решения (2-29). В других случаях,
когда вид функции yk—f (2) неизвестен,
уравнения (2-28) и (2-29) приходится
решать графическим путем. Для этого
зависимость срх от длины волны выра-
жают в виде кривой. Тогда площадь,
охватываемая кривой, в известном
масштабе будет представлять F. Та-
кие кривые носят название спектраль-
ных кривых распределения потока излу-
чения.
2-7. Отражение, пропускание
и поглощение энергии излучения
При падении потока излучения F
на поверхность тела в общем случае
могут иметь следующие явления.
а)	Часть потока Fp может быть
отброшена в окружающее простран-
24
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
(гл. 2
ство в направлениях, определяемых
свойством вещества и поверхности —
зеркальное отражение, по-
верхностное рассеянное от-
ражение энергии излуче-
ния.
б)	Другая часть Fx может пройти
через тело с изменением первоначаль-
ного направления лучей в зависимости
от свойств среды (преломление
и внутреннее рассеяние).
Оба первых случая сопровождают-
ся иногда явлениями изменения каче-
ства первоначального потока излуче-
ния, выражающимися в дисперсии или
поляризации, а также в избирательном
отражении и пропускании.
в)	Остальная часть потока Fa мо-
жет быть поглощена телом и превра-
щена в другой вид энергии. (В этом
случае по закону сохранения энергии
энергия тела увеличивается соответ-
ственно количеству энергии, поглощен-
ной телом.)
Наиболее простой случай правиль-
ного или зеркального отражения, пре-
ломления лучей и их поглощения схе-
матически1 представлен на фиг. 2-5.
Здесь часть потока излучения Гр от-
ражается от поверхности по закону
зеркального отражения, часть Fx про-
ходит через тело АВ, подвергаясь пре-
ломлению и одновременно претерпевая
отражение (в части F^) от нижней
пограничной поверхности тела; после
частичного поглощения средой и об-
ратного преломления поток F' выходит
в пространство. Часть потока F* по-
глощается телом, причем поглощение
в случае вещества, обладающего не-
которой прозрачностью, проходит во
всей толще тела, а не только вблизи
его поверхности.
Как видно будет далее, процесс
поглощения всегда связан с измене-
нием физического состояния тела, за-
висящим от его свойств и свойств, по-
глощенных телом излучений.
Свойства вещества, вызывающие
отражение, пропускание и поглощение,
характеризуются величинами, входя-
щими в следующее уравнение баланса:
Ff+Ft+F=F. (2-30)'
Если разделить (2-30) на F, _чо
можно получить:
^+т + ^ = 1-	<2'31>
р
Величина которую мы обозна-
чим через р, носит в общем -случае
название коэффициента отра-
жения поверхности тела.
Фиг. 2-5.
В частных случаях зеркального и
рассеянного отражения соответствую-
щие величины носят название коэф-
фициента зеркального от-
ражения и коэффициента
рассеянного отражения.
Fx
Величина -у = т называется в об-
щем случае коэффициентом
пропускания. В частных случаях
направленного и рассеянного пропус-
кания соответственно будем иметь
коэффициент направленного
пропускания и.коэффициент
рассеянного пропускания.
р
Величина ~ = а называется коэф-
F*
фициентом поглощения веще-
ства.
Соответственно этому (2-31) при-
нимает вид
р + т + а = 1.	(2-32)
§2-8]
ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЙ
25
В частном случае непрозрачного
тела соответственно имеем:*
р+а = 1.	(2-33)
Значения величин р, т и а, входя-
щих в (2-32) и (2-33), зависят в об-
щем случае от следующих факторов:
1.	От рода вещества, его агрегат-
ного состояния (твердое, жидкое, га-
зообразное) и его температуры. Для
твердых тел, кроме того, имеет зна-
чение структура тела (аморфная и
кристаллическая) и для коэффициента
отражения — состояние поверхности
(полированная и матовая).
2.	От направления падающего, а
для р и t также и выходящего луча.
3.	От рода излучений, определяе-
мых их частотой * или длиной вол-
ны X, а также от состояния поляриза-
ции. Коэффициенты отражения, про-
пускания и поглощения, относящиеся
к монохроматическим лучистым пото-
кам, в этом случае носят название
спектральных коэффициен-
тов отражения, пропуска-
ния или поглощения.
4.	В случае вещества, обладающего
прозрачностью, соотношение
входящих в (2-32) величин зависит
также и от размеров тела (его толщи-
ны). Коэффициент пропускания в дан-
ном случае определится из уравнения
т = e~k'x,	(2-34)
где е — основание натуральных лога-
рифмов; k’ — коэффициент, характери-
зующий поглощение данного вещества,
и х — линейные размеры тела в на-
правлении пропускания.
2-8. Приемники излучений
В качестве явлений, используемых
в приемниках энергии излучения, мо-
гут служить тепловые, фотоэлектриче-
ские, фотохимические и фотобиологи-
ческие процессы.
Если реакция приемника на дей-
ствие .излучений имеет вполне опреде-
ленный, устойчивый и однозначный ха-
рактер, то могут быть установлены и
постоянные эквиваленты соответствую-
щих преобразований энергии.
а)	Спектральный коэффи-
циент реакции приемника.
При изучении явлений действия излу-
чений на вещество было выявлено, что
большинство их имеет селективный ха-
рактер, и поэтому спектральная чув-
ствительность всякого приемника
является одной из важнейших его ха-
рактеристик.
Мера спектральной чувствительно-
сти приемника определяется его
спектральным коэффициентом реакции
Vx, который представляет собой отно-
шение количественного фактора дан-
ной реакции к энергии монохроматиче-
ского излучения, вызвавшего эту реак-
цию. Таким образом, величина спек-
трального коэффициента реакции при-
емника может быть выражена уравне-
нием
dP.
=	(2-35)
Величина dPx может быть выра-
жена в единицах, характеризующих
данную реакцию и приемник, a dPx —
в энергетических единицах, принятых
для энергии излучения. Соответствен-
но этому величина Vx выражается
именованным числом. Так, в том слу-
чае, если приемником служит глаз,
то спектральный коэффициент реак-
ции Vx носит название видности
или коэффициента видимости
монохроматического потока
и выражается в люменах на ватт.
В случае фотоэлектрического прием-
ника (фотоэлемент) Vx может быть
выражен в электрических единицах,
количественно характеризующих фото-
электрический эффект (ампер, прихо-
дящихся на 1 вт вызывающего дан-
ный эффект монохроматического, по-
тока излучения). При фотохимических
приемниках коэффициент Vx может
быть выражен количеством вещества,
вступившего за единицу времени
в реакцию и приходящегося на 1 вт
монохроматического потока излучения,
вызвавшего данную реакцию.
В тех случаях, когда величина
спектрального коэффициента реакции
приемника Vx изменяется вместе с
длиной волны действующих излучений
[УХ = /(Л)], приемник носит название
селективного'приемник а; уело-
:26
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 2
вие постоянства Vx при различных
длинах волн 2 характеризует ней-
тральный приемник излучений.
Изменение спектрального коэффи-
циента реакции в зависимости от дли-
ны волны может быть выражено неко-
торой кривой, которая носит
название кривой с п е к т-
ральной чувствитель-
ности прием н и к а. Спек-
тр а л ьн ая	чу в ствител ьн ость
приемника <в отдельных облас-
тях спектра может иметь макси-
мум, который может служить
мерой для относительной чув-
ствительности, приемника в дру-
гих областях спектра.
Отношение спектрального коэффи-
циента реакции приемника Vx в об-
ласти длины волны А к ^максималь-
ному его значению VMaKC можно на-
звать относительным спек-
тральным коэффициентом ре-
акции. Эта величина обозначается
через Кх:
^х ~ v~~'	(2-36)
v макс
Изменение Кх характеризуется кри-
вой такого же вида, как и кривая
изменения Vx. Относительный спек-
тральный коэффициент реакции есть
величина отвлеченная, и максималь-
ное значение Кх равно единице.
На фиг. 2-6 приведены кривые от-
носительных коэффициентов реакции
для различных приемников: 1 — глаза,
2 — фотографической пластинки, 3 —
фотоэлемента и 4 — эритемального
действия излучений на человеческую
кожу. Из сравнения кривых 1, 2, 3
и 4 можно видеть, что оптимальные
значения длины волн для различных
приемников сильно разнятся одца от
другой.
б)	Интегральный коэффи-
циент реакции приемника.
Общая или интегральная чувствитель-
ность приемника излучений может
быть выражена величиной интеграль-
ного коэффициента реакции, который
для сложного линейчатого спектра
определяеуся следующим уравнением:
V = ^=-£-,	(2-37)
в котором Р— суммарный количе-
ственный фактор данной реакции и
Фиг. 2-6.
Р—сложный поток излучений, вызы-
вающий данную реакцию.
Из уравнения (2-35) можно полу-
чить, что
dP. = N.dP, = VJ\dl, (2-38)
А	ДА	A A	*	z
где Px — коэффициент пропорциональ-
ности для данной длины волны Л,
соответствующий одной из спектраль-
ных энергетических величин (спек-
тральной энергетической яркости, све-
тимости и т. д.).
Интегрируя (2-38) в пределах желае-
мого интервала длин волн от до Я2,
имеем:
Хд	Х2
Р = f VxPxdi = Ven f Pxd%, (2-39)
I A A	v p I A	*	f
X|	X,
откуда
J VKPxdl ’
-V=Vc/) = ^--------.
X,
(2-40)
Так как Vx = KXV , то для от-
носительного интегрального коэффи-
циента реакции К подобным же обра-
зом имеем:

К =
у
V
у макс
(2-41)
§2-9]
СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ
27
Так как при построении спектраль-
ных кривых приемника принимается,
что Ру = const, то легко видеть, что
коэффициенты V и К могут быть
получены в виде частного от деления
площади, соответствующей кривой
реакции, на ее базис.
Общая реакция приемника на дей-
ствие излучений > определенного спек-
трального состава может быть выра-
жена графически, как частное двух
площадей кривых Ру и КуРу для дан-
ного интервала длин волн от до Л2
(фиг. 2-7).
Кривая Ру есть спектральная кри-
вая потока излучения,. действующего
на приемник, а кривая КуРу, получен-
ная путем умножения ординат кри-
вой Ру на соответствующее значение
Кх, представляет собой спектральную
кривую реакции приемника на излу-
чения.
2-9. Световые величины и единицы
Коэффициент реакции приемника
может служить в качестве переводного
множителя для построения системы ве-
личин, в которых энергия излучения
оценивается по действию ее на данный
приемник. Такие величины можно на-
звать приведенными величи-
нами*.
Из приведенных величин особо
важными являются световые величи-
ны, в которых энергия оценивается псГ
впечатлению, производимому ею на
глаз.
1 В настоящей книге световые величины
обозначены прямыми буквами в отличие от
энергетических, которые обозначены курсив-
ными. На фигурах они различаются по форме
написания.
Уравнения, связывающие энергети-
ческие и световые величины и служа-
щие для перехода от одних величин
к другим, имеют следующий вид:
1) Для монохроматического света
dF = VAdZ, (2-42)
где dF — элементарный монохромати-
ческий. световой поток в ин-
тервале длин волн от Л до
Л + dl, оцениваемый по впе-
чатлению, производимому им
на глаз;
Vx — спектральный коэффициент
реакции, называемый спек-
тральным коэффициентом ви-
димости или „монохромати-
ческой видности света" для
данной длины волны Л;
— спектральная интенсивность
монохроматического потока
излучения, вызывающего дан-
ное впечатление.
2) Для сложного светового потока
в пределах длин волн от до Я2:
а)	в случае линейчатого спектра
х2
^:=2ул.	<2-«)
где Fy — монохроматический поток из-
лучения;
б)	в случае сплошного спектра
р;:=J vA<«,
(2-44)
или при выражении через интеграль-
ный коэффициент реакции, определяе-
мый (2-37) и (2-40):
а)	в случае линейчатого спектра
pX2=v^Fx, (2-45)
б)	в случае сплошного спектра
х2
bt = vf^- (2-46)
Эта величина носит название „све-
тового эквивалента мощности". Об-
ратная величина М =;	— носит на-
* макс
28
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
(гл. 2
звание „механического эквивалента
света* * и измеряется в ваттах на лю-
мен.
Основные световые величины име-
ют следующие определения
Световой поток F — мощность
энергии излучения, оцениваемая по
световому ощущению, которое она
производит.
Размерность F: абсолютная [F] =
= (ML2T~3V], световая [F], где V —
видность.
Световая энергия L—произведение
светового потока на время его дей-
ствия-. L = F^ или L= Г F dt, где t—
время.
Размерность F: абсолютная [L] =
= [ML2T~2V], световая [L] = [FT].
Светность или светимость R — от-
ношение -светового потока к площади
„	т\ dF
светящейся поверхности*. R =	, где
dSi — площадь светящейся поверх-
ности.
Размерность R: абсолютная [R] =
= [МТ-ЗУ], световая [R] = [FL-2].
Освещенность Е—отношение свето-
вого потока к площади освещаемой
JF	А
им поверхности*. Е =	, где dS2 —
площадь освещаемой поверхности.
Размерность Е: абсолютная [Е] =
= [MT-3V], световая [Е] = [FL"2].
Количество освещения Н — произ-
ведение освещенности на время ее
действия: Н = Е/, или Н = J Edf.
Размерность Н: абсолютная [Н] =
~ [Л1Г"2У], световая [НJ = [FZ~2Т].
Сила света J* — отношение свето-
вого потока к телесному углу, в кото-
т dF
ром он распространяется: J = где
do) — телесный угол.
Размерность J: абсолютная [J] =
= [AlZ2T“3Vj, световая [J] = [Fti"1];
Q—размерность телесного угла.
Яркость В—отношение силы света
в данном направлении к проекции све-
1 Общесоюзный стандарт 7637.
* Для устранения применения одинако-
вых обозначений /, принятых в разных стан-
дартах для силы света и тока, в книге при-
нято для силы света обозначение J, а энер-
гетической силы света J.
тящейся поверхности на плоскость,
перпендикулярную к тому же направ-
JI 1	।
лению: В = -------, где а—угол меж-
аЗ^ cos л
ду нормалью к светящейся поверх-
ности и направлением силы света.
Размерность В: абсолютная [В] =
= [2WT’3V], световая [В] = [FL"2^”1]-
Как следует из указанных выше
определений световых величин, они
аналогичны определениям соответстую-
щих энергетических величин, отличаясь
от них лишь тем, что выражаются че-
рез световой поток, а не через энерге-
тический. В соответствии с этим абсо-
лютная размерность световых и энер-
гетических величин отличается лишь
дополнительным множителем V—коэф-
фициентом видности.
Единицы, применяемые для измере-
ния световых величин, зависят от
основной единицы, выбранной для из-
мерения светового потока Ч
За. единицу светового потока при-
нят люмен (лм) — световой поток;
испускаемый полным излучателем
.(абсолютно черным телом) при темпе-
ратуре затвердевания платины’ с пло-
щади пять тысяч триста пять десяти-
миллиардных квадратного метра. В со-
ответствии с этим остальные световые
единицы определяются следующим
образом:
Единица световой энергии люмен-
секунда (лм-сек) — световая энер-
гия, которая при световом потоке в
один люмен расходуется в течение
одной секунды.
Единица светности р а д л ю к с
(рлк) — светность одинаковой во всех
точках светящейся плоскости поверх-
ности, которая испускает в одну сторо-
ну от себя световой поток в один лю-
мен с площади в один квадратный
метр.
Единица силы света свеча {св)—
сцла света точечного источника в тех
направлениях, в которых он испускает
'световой поток в один люмен, одинако-
во распределенный внутри телесного
угла в один стерадиан.
1 „Положение о световых единицах/
утвержденное приказом председателя Коми-
тета по делам мер и измерительных приборов
при Совете Министров СССР № 56 от 13 ап-
реля 1948 г.
§ 2-10]
СВЕТОВАЯ ОТДАЧА ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
29
Единица яркости децимилли-
стильб (дмсб) — яркость предельно
малой одинаково во всех точках светя-
щейся плоской поверхности, для кото-
рой отношение силы света в свечах к
ее площади в квадратных метрах рав-
но единице, причем яркость и сила
света определяются в перпендикуляр-
ном направлении к этой поверхности.
10 дмсб составляют 1 миллистильб
(мсб), а 10 000 дмсб составляют
1 стильб.
Единица освещенности люкс
(лк) — освещенность поверхности, ко-
торая получает одинаково распреде-
ленный по ней световой поток в один
люмен на площади в один квадратный
метр.
Единица количества освещения
люкс-секунда (лк-сек) — количе-
ство освещения, которое получает по-
верхность при освещенности ее в один
люкс в течение одной секунды.
При принятой единице светового
потока — люмене коэффициент види-
мости V выражается в люменах
на ватт (лм)вт). Максимальное зна-
чение коэффициента видимости Умакс=
= 621 лм[вт* соответствует длине
волны А = 0,555 мкн.
2-10. Световая отдача источников света
Одним из важнейших факторов, ха-
рактеризующих энергетические свой-
ства всякого прибора, потребляющего
энергию, является его полезная отда-
ча. В случае превращения какого-либо
вида энергии в энергию излучения по-
лезный эффект источника излучения,
как было указано выше, зависит от
рода приемника энергии излучения,
обусловливающего использование спек-
трального состава потока излучения.
В источниках света, предназначенных
к работе, связанной с использованием
в качестве приемника глаза, как изве-
стно, полезно используемый участок
спектра лежит в пределах 0,4—0,8 мкн.
* В последнее время введены уточнения
в значении единицы светового потока—люмена
и константы излучения, вследствие чего но-
вое максимальное значение коэффициента
видимости Ч*£акс = 683 .новых* лм/вт при
1ма¥С—0,555 [4 (Д. К э й и Т. Л э б и, Справоч-
ник физика-экспериментатора, ИЛ, 1949,
стр. 189.)
Ввиду того Что работа реального
прибора связана обыкновенно с рядом
технических вспомогательных прибо-
ров, необходимо ввести еще понятие
о полезном эффекте источника, учиты-
вая потери в отдельных его частях.
При определении полезной отдачи
источника поэтому необходимо исхо-
дить из баланса подведенной и исполь-
зуемой мощности.
Соответственно этому можно разли-
чать следующие виды отдач источника
излучения:
а)	общая отдача излучения всей
системы источника излучения;
б)	отдача излучения самой лампы;
в)	общая световая отдача всей си-
стемы источника;
г)	световая отдача самой лампы;
д) энергетическая отдача излучения;
е) отдача видимого излучения;
ж) световая отдача излучения.
На основании этого можно дать
следующие выражения полезных отдач:
а) Общая отдача излучения источ-
ника
_ X—оо
Н* = £ =	. (2-47)
б)	Отдача излучения самой лампы
X —ОО
2 Л ^х/?дХДк
Н«<->=£=^^---------------• (2Ч8)
в)	Общая световая отдача источ-
ника
Х-0,8
2 ЭДхДХУдХ
Нсв =- 7- = -S Х=М Р----• (2-49)
г)	Световая отдача самой лампы
Х—0,8
J j
н,...=А=	-------- <2-5°)
Л	л
д) Энергетическая отдача излуче-
ния
Х=0,8
J] 2 Д5хЯдхДХ
= =	---------(2-51)
J ASxW*
5 Х-0
30
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
[ГЛ. ?
е) Отдача видимого излучения
Х=0,8
J]
’i.=£ =	----------• (2-52)
2 2
5 Х=0,4
ж) Световая отдача излучения
Х-0,8
__ F __ •$ Х=0, 4	/су го \
- f ~--------х^Б---------• (2-55)
2 2dSxW>
5 Х-0
Примечания: 1. При сплошном спектре
знаки 2 можно заменить интегралами в соот-
ветствующих пределах.
2.	При равномерном спектральном излу-
чении всей площади источника величина
заменяется величиной S.
S
3.	В некоторых случаях световая эконо-
мичность определяется обратной величиной
Н = JL, выражающейся в вт'лм и называе-
мой удельным расходом мощности.
4.	При замене Vx коэффициентом относи-
Vx 1 „
тельной видимости К\ =	Vx по-
* макс 621
лучаем в (2-49) и (2-50) значения светового’
к. п. д.
5.	При замене в (2-52) и (2-53) Vx на Кх
получаем соответственно к. п. д. видимого из-
лучения и световой к. п. д.
РАЗДЕЛ II
ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
3-1. Основные условия
и определения
При выводе законов теплового из-
лучения необходимо сделать ряд сле-
дующих основных предпосылок.
Под тепловым излучением понимает-
ся процесс возникновения энергии из-
лучения, являющейся. следствием ис-
ключительно превращения тепловой
энергии тела в энергию излучения. При
этом предполагается, что в процессе
излучения и поглощения энергии телом
в составе тела не происходит никаких
других изменений (химических, элек-
трических и др.) за исключением изме-
нения его теплового состояния. Исклю-
чается также возможность других ви-
дов возбуждения света за счет всех
видов люминесценции.
Элементы времени, в течение кото-
рых протекает данный процесс, также
должны быть велики по сравнению с
периодом колебания любой волны, со-
держащейся в составе данного излу-
чения.
При рассмотрении законов тепло-
вого излучения явления испускания и
поглощения излучений имеют исключи-
тельное значение, поэтому необходимо
условиться относительно основных
определений, количественно характе-
ризующих эти явления.
а)	Испускатёльная способ-
ность тела. Если представить излу-
чающее тело (фиг. 3-1) с граничной
поверхностью, на которой располо-
жен элемент dS, и рассматривать
элементарный поток с излучениями
в пределах длин волн от Л до 2 4- d2,
распространяющийся в пространстве
внутри телесного угла d<o и разло-
женный на два прямолинейно поляри-
зованных луча, то мощность излуче-
ний для направления, нормального
к поверхности тела, можно выразить
уравнением
df[ = exdid<s>dS. (3-1}
Для направления, образующего
с нормалью к поверхности тела угол р,
при тех же условиях (фиг. 3-2) имеем:
df^ = е} dX d<o dS cos (3-2}
Коэффициент пропорциональности
ех мы будем называть испускательной.
способностью тела для элемента dS
в данном направлении внутри телес-
ного угла d<o для данной длины вол-
ны 2 и плоскости поляризации.
Согласно светотехнической терми-
нологии величина может быть на-
32
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 3
звана спектральной энергетической
яркостью поляризованного излучения
в данном направлении.
Мощность df выражается или в
ваттах или в эргах в секунду, dX—
в сантиметрах, dS — в квадратных
сантиметрах ий — в долях те.
При обмене энергией излучения
двух элементов dS и dSr, находящихся
на расстоянии г, нормали которых
образуют с линией соединения углы £
и р', на основании закона Ламберта
можно написать:
df^ = ех dl da da) zz ex dl da' d^1,
где df и d& — проекции элементов dS
и dS1 на плоскость, перпендикулярную
к линии соединения, и — телес-
ный угол, под которым элемент dS
виден из элемента dS\
б)	Поглощательная способ-
ность тела. Предположим, что на
тот же элемент dS падает поток излу-
чения такой же мощности df, также
под углом р, в том же интервале
длины волны 1 и 2 + dl, для той же
плоскости поляризации; тогда со-
гласно § 2-7 часть потока излуче-
ния рх отразится от поверхности эле-
мента или будет им рассеяна, тх бу-
дет пропущена телом и часть ах по-
глощена телом и превращена в его
массе в другой вид энергии, напри-
мер в тепло.
Величина ах согласно установив-
шейся в физике терминологии назы-
вается поглощательной способностью
тела для данного направления, дан-
ного интервала длин волн и плоскости
поляризации. В терминологии, приня-
той в светотехнике, величина ах но-
сит название спектрального
коэффициента поглощения.
Величина ах есть отвлеченное число и
может изменяться в пределах от О
до 1.
3-2. Закон Кирхгофа
Важнейший закон теплового излу-
чения — закон Кирхгофа, устанавли-
вающий зависимость между излуче-
нием и поглощением энергии излуче-
ния различными телами, — может быть
выражен в следующей форме.
Отношение излучательной и погло-
щательной способностей взятых для
одной и той же точки тела, одного
направления излучения, одной длины
волны и плоскости поляризации при
данной температуре, для всех тел есть
величина постоянная.
В математической форме для спек-
тральных величин е' и ах тел, 1, 2,
3,... закон Кирхгофа может быть
выражен равенством
= const. (3-3)
аАГ а\Т а\Т
И для интегральных величин ет и аг
' н nt
вт еТ	&Т	j. /о
. — const, (3-4)
(Ху.	CL	CL jf
f H ftt	/ ft rtf
где eT, eT, eT,... и aT, ar, ar соответ-
ственно равны излучательной и погло-
щательной способностям произвольно
взятых тел при данной температуре Т
и для излучений в интервале длин
волн от 0 до со.
Можно вообразить тело, которое
способно поглощать полностью все
лучи в интервалах любой длины волны.
Тело, обладающее такими свойствами,
называется абсолютно черным
телом и излучение его — черным
или полным излучением.
Очевидно, что при любой длине
волны для абсолютно черного тела
axr= 1, и из (3-3) и (3-4) можно полу-
чить:
рчеР /о е\
a^j. — “j- и вТ — аХГ ’ I’’ 3'
ет Е?Р
— =.^Г— И ет—.атЕчеР. (3-6)
аГ 1 Т Т Т
В общем величина коэффициента
поглощения для любого реального те-
ла зависит от .рода вещества и изме-
няется в зависимости от некоторых
других факторов.
§3-2 J
ЗАКОН КИРХГОФА
33
1)	от агрегатного состояния веще-
ства (твердое, жидкое, газообразное);
2)	для непрозрачных твердых тел
также от состояния поверхности (поли-
рованная, матовая);
3)	от температуры тела;
4)	от рода излучения, определяемо-
го его частотой (длина волны) и со-
стоянием поляризации;
5)	от направления падающего из-
лучения.
В зависимости от изменения коэф-
фициента поглощения при изменении
длины волны излучения все тела могут
быть разделены на три категории.
1.	Черное тело — коэффициент
поглощения во всех случаях не зави-
сит от длины волны и всегда равен
единице: ачер = const = 1.
2.	Серые тела — коэффициент
поглощения не зависит от длины вол-
ны. По своей величине он всегда мень-
ше единицы, и абсолютное его значе-
ние может изменяться лишь в зависи-
мости от температуры тела.
3.	Избирательные или се-
лективные тела — коэффициент
поглощения зависит от длины волны.
По своей величине он остается мень-
шим единицы. Коэффициент поглоще-
ния и селективные свойства тела могут
изменяться вместе с температурой и
другими факторами, приведенными
выше:
«ИЗЛ = М*. Л<1.
Реальные ’тела природы почти
всегда излучают избирательно, прибли-
жаясь по характеру своего излучения
к серому телу. Тел, обладающих абсо-
лютно черным излучением, в природе
не существует.
В качестве экспериментального под-
тверждения закона Кирхгофа может
быть использован опыт Риччи, произ-
веденный им ранее теоретического вы-
вода этого закона Кирхгофа. Риччи
в 1833 г. построил прибор, состоящий
из двух металлических камер А и В
(фиг. 3-3), расположенных одна про-
тив другой и соединенных изогнутой
стеклянной трубкой.
Камеры образуют герметически
замкнутую систему и разъединены не-
большой каплей жидкости, образую-
3 А. П. Иванов.
щей подвижную пробку в верхней ча-
сти трубки, соединяющей камеры. Тор-
цевые поверхности камер покрывались:
одна — ламповой копотью, другая —
исследуемым веществом, например ки-
новарью. В промежутке между камера-
ми Л и В помещалась третья каме-
ра С, торцевые поверхности которой,
обращенные к камерам А и В, также
покрывались: одна — копотью, дру-
гая — киноварью. Через камеру С
можно было пропускать горячую воду
при различных температурах.
Фиг. 3-3.
Легко видеть, что при неравенстве
температур торцевых поверхностей ка-
мер А и В капля жидкости, находя-
щаяся в трубке, будет перемещаться
в сторону более холодной камеры. При
равенстве температур, наоборот, капля
жидкости в трубке будет неподвижна.
Очевидно, что в том случае, когда тор-
цевые стороны камер А и В обращены
к торцевым поверхностям камеры С,
покрытым различными материалами,
при обмене тепловым излучением меж-
ду поверхностями количество тепла,
сообщаемое от камеры С камерам А
и В, будет одинаково. Это вытекает
из того, что полное количество тепла,
излучаемое закопченной поверхностью
С, поглощается поверхностью А частич-
но и, с другой стороны, такая же часть
тепла, излучаемая поверхностью С,
покрытой киноварью, поглощается пол-
ностью поверхностью В. Равенство ко-
личеств тепла, сообщаемых камерам
А и В, со стороны С служит доказа-
тельством соотношения Кирхгофа.
Из выведенных соотношений выте-
кает простое правило, действительное
для теплового излучения всех тел при-
роды: тело обладает тем большей спо-
собностью к излучению данного соста-
ва, чем выше его способность погло-
щения тех же излучений.
Справедливость этого заключения
качественно легко проверить на ряде
простых примеров.
34
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 3
Так, прозрачная капелька соли при
нагревании ее в платиновой петле из-
лучает свет очень слабо по сравнению
с непрозрачной платиной, и черниль-
ное пятно, нанесенное на поверхность
жести, светится при нагревании более
ярко, чем чистая поверхность платины.
Такое же явление наблюдается и
по отношению к поляризованному све-
ту. Свет, испускаемый накаленным
турмалином, будет частично поляризо-
ван, и в нем будут преобладать те на-
правления, которые при прохождении
света через турмалиновую пластйнку
наиболее поглощаются.
К газам, так же как и к твердым
‘ и жидким телам, закон Кирхгофа при-
меним только при условии чистого тем-
пературного излучения и неприменим
для других способов возбуждения.
Однако тепловое излучение газов
очень слабо, и при экспериментальном
исследовании количественное соотно-
шение Кирхгофа может быть наруше-
но вследствие действия других факто-
ров, например явления люминесценции.
Слабый эффект, свечения газов при
нагревании есть следствие их малой
плотности; при увеличении плотности
возрастает и яркость температурного
свечения газов и паров.
Свечение пламени при сжигании ве-
ществ, содержащих углерод, подчи-
няется закону Кирхгофа, так как в
этом случае свечение есть следствие
нагревания мельчайших частиц угля,
образующихся при разложении углево-
дородов.
При введении в сферу бесцветного
пламени солей некоторых металлов,
например натрия, можно наблюдать
с помощью спектроскопа появление
резких спектральных линий натрия на
фоне слабого сплошного спектра.
3-3. Абсолютно черное тело
Приведенные выше уравнения (3-5)
и (3-6) устанавливают связь между
характеристическими величинами излу-
чения любого тела природы и излуча-
тельной способностью абсолютно чер-
ного тела, являющейся важнейшей ве-
личиной в теории теплового излучения.
Свойства этой величины могут быть
выражены в следующих положениях:
Так как величина £хг не зависит от
плоскости поляризации, то излуча-
тельная способность абсолютно чер-
ного тела Е^р одинакова для всех пло-
скостей поляризации. Отсюда следует,
что излучение абсолютно черного те-
ла всегда не поляризовано.
Излучательная способность абсо-
лютно черного тела Е™р имеет для
всех направлений пространства одина-
ковую величину, и излучение абсолют-
но черного тела подчиняется закону
Ламберта.
3.	Величина излучательной способно-
сти абсолютно черного тела Е^р про-
порциональна квадрату преломления
среды, в которой распространяются из-
лучения:
^гР)а = ^Т,	(3-7)
где
(£х^)а — излучательная способность
абсолютно черного тела в сре-
де а;
па — показатель преломления сре-
ды;
Ехт — излучательная способность
абсолютно черного тела в пу-
стоте, для которой па = 1.
4.	Излучательная способность аб-
солютно черного тела зависит исклю-
чительно от длины волны и темпера-
туры, и вид основных функций Е*етр ~
— f(^, Т) и Ечтер —fi (Г) имеет для всех
абсолютно черных тел универсальный
характер.
5.	Так как при всех условиях абсо-
лютно черное тело обладает макси-
мальной поглощательной способностью
а = 1, то из закона Кирхгофа следует,
что оно обладает и максимальной из-
лучательной способностью по сравне-
нию с прочими телами при тех же дли-
нах волн и температуре.
В дальнейшем изложении в Се вы-
воды для излучательной способности
абсолютно черного тела Е^Т — Т)
будут относиться к случаю его излу-
чения в пустоте.
Среди тел природы не обнаружено
ни одного, которое полностью облада-
§ 3-3]
АБСОЛЮТНО ЧЕРНОЕ ТЕЛО
35
ло бы свойствами абсолютно черного
тела. Даже такие «черные» для види-
мого света тела, как сажа, платиновая
и висмутовая чернь, имеют коэффи-
циент поглощения а = 0,96 — 0,99.
Ввиду отсутствия в природе тела
с абсолютно черной поверхностью
абсолютно черное тело осуществляется
искусственно в виде полого шара или
цилиндра, изготовленного из огнеупор-
ного материала с зачерненной внутрен-
ней поверхностью. Для наблюдения в
оболочке такой полости делают узкое
отверстие или щель.
Идею полного поглощения вну-
тренней поверхностью такого абсо-
лютно черного тела легко понять из
фиг. 3-4.
Еслй поглощательная способность
внутренней поверхности такой полости
а = 0,и, то после первого отражения
тело отражает 10%, после второго 1%
и после третьего 0,1% первичного по-
тока, если же после третьего отраже-
ния луч выйдет из отверстия, то общая
поглощательная способность такого
тела будет равна 0,999, т. е. весьма
близка к единице.
Очевидно, что внутренняя поверх-
ность замкнутого* тела будет и излу-
чать, как абсолютно черное тело. Ана-
литически это можно доказать следую-
щим образом.
Поток энергии излучения, испу-
скаемый поверхностью накаленного
замкнутого тела, состоит из двух
частей:
а)	лучистых потоков собственного
излучения поверхности;
б)	отраженных лучистых потоков.
Распределение потоков будет сле-
дующим (табл. 3-1):
При п, достаточно большом,, и
Р<1
в + вр + вр2 + ...ч-вр,г =
.	(3-8)
1 — р	1 — р	'	7
Таким образом, для непрозрачных*
тел
SB =	= — = В'ер. (3-9)
1 — р а	'	7
Фиг. 3-4.
Влияние отверстия на полный коэф-
фициент поглощения полого тела зави-
сит от коэффициента отражения р,
материала стенок, пространственного
угла £2, под которым отверстие видно
из различных точек внутренней по-
верхности полости, а также от сте-
пени диффузности отражения стенок
сосуда и его формы.
Полный коэффициент поглощения
замкнутой полости при наличии от-
верстия можеж быть выражен форму-
лой вида
Таблица 3-1
	Полное излучение		
Непосредственное излу- чение 	 После 1-го отражения . . 2-го	»	В В-		
. 3-го	В-		- Вр2 -f- Bf.8
» п-го	.	В-		
В простейшем случае для
диффузной поверхности при
учете однократного отражения
(при малых значениях коэффици-
ента отражения р) коэффициент
поглощения шарообразного по-
лого тела может быть выра-
жен формулой
(3-11)-
3*
36
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
{гл. 3
где £2 — пространственный угол, под
которым отверстие видно из
точки, находящейся на про-
тивоположной стенке шара.
В том случае, если оболочка полого
тела обладает некоторым пропускани-
ем, согласно (2-7)
1 —р = а -f- т, (3-12)
где т — коэффициент пропускания.
Тогда (3-17) можно написать в сле-
дующем виде:
ЕВ =	= ——Вчер	(3-13)
“+г 1 + ^-
1 а
. 1
или, обозначая----— через
е, имеем:
ЕВ = еВ’'в/’,	‘ (3-14)
Таким образом излучательная
способность полого тела с пропускаю-
щей свет оболочкой меньше излуча-
тельной способности черного тела в
1 .
отношении -----.
1+т
Коэффициент излучения е стре-
мится к нулю при х—> 1, так как в
этом случае а—>0.
Отсюда видно, что суммарная яр-
кость оболочки полого тела, обладаю-
щего полной прозрачностью, .также
равна нулю.
При т—>0 и соответственно а—>1
величина s—И. Таким образом, для
непрозрачного полого тела суммарная
яркость равна яркости абсолютно чер-
ного тела, что было выведено и ранее.
При опытах с полым телом необхо-
димо во всех точках полости поддер-
живать одинаковую температуру, так
как только при этих условиях излу-
чение внутренней поверхности такого
полого шара, наблюдаемое через малое
отверстие, можно принять за излуче-
ние абсолютно черного тела.
3-4. Закон Стефана-Больцмана
Постоянная закона Кирхгофа, рав-
ная интегральной излучательной спо-
собности абсолютно черного тела,
представляет величину, зависящую
исключительно от температуры Г.
В 1879—1884 гг. Стефан и Больц-
ман установили, что интегральная
излучательная способность абсолютно
черного тела изменяется пропорцио-
нально четвертой степени абсолютной
температуры.
В математической формулировке
закон Стефана-Больцмана имеет сле-
дующий вид:
=	(3-15)
где RT — интегральная энергетическая
светимость абсолютно чер-
ного тела;
а — постоянная, равная 5,672 X
X 1.0я-12 вт см~2 град"4;
Т — абсолютная температура те-
ла, °К.
В тех случаях, когда излучающее
абсолютно черное тело окружено сре-
дой, которая сама излучает энергию,
происходит обмен излучением между
излучающим телом и окружающей его
средой. Действительная потеря энер-
гии со стороны тела в этом случае
равна разности энергии, теряемой за
счет излучения, и энергии, получаемой
поверхностью тела из окружающего
его пространства. Если излучение
окружающей тело среды обладает
свойствами излучения абсолютно чер-
ного тела, то мощность, теряемая еди-
ницей поверхности черного тела, может
быть выражена уравнением
/?г=а(л-г;),	(з-1б)
где Т — температура излучающего те-
ла, °К;
То — температура окружающей сре-
ды, обладающей свойствами
излучения черного тела.
В таком виде уравнение Стефана-
Больцмана применимо при низких тем-
пературах излучающего тела, когда
обратное излучение среды может
играть известную роль. В тех случаях,
когда температура излучающего тела
по сравнению с температурой окру-
жающей среды достаточно велика,
можно пользоваться выражением
(3-15).
Числовые значения постоянной за-
кона Стефана-Больцмана были опре-
делены экспериментально многими
исследователями.
§3-5]
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В СПЕКТРЕ
37
3-5. Распределение энергии в спектре
' абсолютно черного тела
(Формулы Михельсона, Голицына, Вина
и Рэлея-Джинса)
Применение закона Кирхгофа для
определения спектральных характери-
стик излучения различных тел требует
знания закона распределения энергии
в спектре абсолютно черного тела,
которое определяется видом функции
= Т) в (3-5).
Кривые распределения энергии по
спектру для раскаленного тела, были
получены экспериментально Лэнглеем
в 1866 г., который с помощью спектро-
болометра исследовал излучение уголь-
ной сажи при различных температу-
рах. Хотя сажа и не абсолютно черное
тело, однако общий характер кривых
излучения давал представление об
ожидаемом распределении энергии. в
спектре абсолютно черного тела. Кри-
вые, полученные Лэнглеем, приведены
на фиг. 3-5; зде£ь по оси ординат отло-
жена относительная энергия, излучае-
мая раскаленной сажей в области раз-
личных длин волн, и по оси абсцисс—
показатели преломления каменной со-
ли, соответствующие данным длинам
волн.
Ход кривых, полученных Лэнглеем,
показывал, что при всех температурах
энергия излучения для некоторого зна-
чения длины волны достигает макси-
мума, который возрастает при увели-
чении температуры. Лэнглеем было
замечено также, что длина волны, при
которой имеет мерто максимум, также
зависит от температуры.
а)	Формула Михельсона.
Первым сделавшим попытку теорети-
ческого вывода закона распределения
энергии в спектре абсолютно черного
тела был профессор В. А. Михельсон
в Москве, который в 1886 г. на осно-
вании предположения, что электромаг-
нитные волны испускаются колеблю-
щимися атомами излучающего тела, и
приложения закона распределения ско-
ростей Максвелла вывел формулу сле-
дующего вида:
Е1т = сТ*,г 2.~6е ™ ,	(3-17)
из которой в виде следствий можно
получить:
’ ^макс Т = C0I]St>	(3-18)
£^J-4’5 = const.	(3-19)
Внешнее сходство формулы Ми-
хельсона с позднейшими формулами
Вина и Планка показывает, что в при-
менении метода решения задачи он
был на верном пути, и лишь произ-
вольность основного допущения приве-
ла его к неверным выводам.
б)	Закон смещения Голи-
цына и Вина. В 1890—1893 гг.
другим русским ученым — Б. Б. Голи-
цыным из термодинамических сообра-
жений был выведен знаменитый «закон
смещения», который позднее, в 1894 г.,
был выведен также Вином из прило-
жения второго закона термодинамики,
законов давления света и принципа
Допплера к адиабатическому сжатию
черного излучения. Этот закон устанав-
ливает зависимость интенсивности из-
лучения абсолютно черного тела от
длины волны и температуры, выра-
жающуюся общим уравнением:
£»г=^(т).	Р-20)
или в функции частоты
(3-21)
В этом уравнении вид функции
чист0 теРм°Динамическим путем
без дополнительных специальных до-
пущений о молекулярном механизме
излучения и поглощения не мог быть
установлен. Однако из этого закона
38
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 3
можно было видеть, что при повыше-
нии температуры для монохроматиче-
ского излучения, входящего в состав
излучения черного тела, существует
соотношение
XT z= XT,	(3-22)
в котором X и X' — значения длин волн
монохроматического излучения при на-
чальной и конечной температурах Т
и Г.
Этот закон изменения длины волны
излучения .вместе с температурой при-
вел Вина к его знаменитому „закону
смещения максимума излучения" или
„первому закону Вина", который вы-
ражается равенством
Л Т = const = А, (3-23)
где 1макс — длина волны, соответствую-
щая максимальной энер-
гии в спектре излучения
абсолютно черного тела; .
Т — температура излучающего
абсолютно черного тела,
°К.
Числовое значение константы А
было получено экспериментально Люм-
мером и Прингсгеймом равным 0,2940
при измерении длины волны X в сан-
тиметрах. Позднее теоретически было
получено, что А — 0,288 см °К, и в
настоящее время установлено, что
Л=0,2897; таким образом, (3-23) полу-
чает вид:
^7=°>2897 см °К. (3-24)
Это уравнение показывает, что при
возрастании температуры. максимум
йзлучения абсолютно черного тела сме-
щается в сторону коротких волн.
С помощью (3-24) можно опреде-
лить длину волны, соответствующую
максимальному излучению энергии в
спектре при данной температуре, или
температуру абсолютно черного тела
при данной .длине волны максимума
излучения. Так, если принять, что ви-
димый спектр заключен в пределах от
0,4 до 0,75 мкн, то пребывание макси-
мума излучения абсолютно черного
тела в пределах видимого спектра со-
ответствует интервалу температур от
7 250° К для А = 0,4 мкн до 3 860° К
для Х= 0,75 мкн. Температура абсо-
лютно черного тела, соответствующая
совпадению максимума излучения с
максимальной чувствительностью гла-
за (Х = 0,555 мкн), будет равна около
5 200° К.
Пользуясь законом Стефана-Больц-
мана и полученным законом смещения,
Вин установил другое важное соотно-
шение, определяемое уравнением
EmT~3 = const = В, (3-25)
где Ет — максимальное значение энер-
гии на 1 см2 излучающей поверхности
и на единицу длины волны в спектре
абсолютно черного тела при данной
температуре Т.
Значение постоянной В для удель-
ной интенсивности неполяризованных
излучений было получено равным
3,98-10”12 вт см~3 град~ъ, и таким
образом,
Ет = 3,98Л0~,2Т6 вт см~3, (3-26)
т. е. значение максимума излучения
в спектре абсолютно черного тела
возрастает пропорционально пятой
степени температуры.
Соединяя уравнения (3-23) и (3-25),
можно получить зависимость между
и в следующем виде:
^тЕт = А3В. (3-27)
в)	Уравнение распределе-
ния Вина. Выше было указано, что
при выводе своих законов чисто тер-
модинамическим путем Вин мог уста-
новить зависимость, определяющую
распределение энергии по спектру и
выражающуюся уравнением
E» = CiF^)- (3-28)
ДТ’ч
где F — (— } есть неизвестная функция,
для определения вида которой приня-
тых основных положений недоста-
точно.
Дополнительными данными при
определении действительного вида
функции F (у) могли служить пред-
посылки, касающиеся самого механиз-
ма излучения. В качестве таких пред-
посылок в 1896 г. Врн ввел два допу-
щения: первое — он предположил, что
§ 3-6]
УРАВНЕНИЕ ПЛАНКА
39
излучение длины волны 1 зависит
только от скорости атомов и молекул,
составляющих излучающее тело, и
второе — что распределение атомов По
скоростям подчиняется закону Макс-
велла.
На основе этих дополнительных
положений он установил, что уравне-
ние распределения энергии по спектру
имеет следующий вид:
_
= CjZ~5e хг ,	(3-29)
где Ci и с2 — постоянные;
е — основание натуральных
логарифмов.
Вывод этого уравнения был боль-
шим шагом вперед, так как в извест-
ной области длин волн, соответ-
ствующей малым значениям ХГ, и
в частности в видимой часъи спектра,
уравнение Вина дает очень хорошие
совпадения с данными, полученными
из опыта. Однако более точные иссле-
дования показали, что уравнение Вина
служит предельным выражением неко-
торого общего закона, который был
впоследствии открыт Планком.
г)	Уравнение распределе-
ния Р э л е я-Д ж и н с а. Другой
предельный случай, действительный
для больших значений ХГ и дающий
хорошие результаты при измерениях
в длинноволновой части спектра, пред-
ставляет уравнение, выведенное Рэлеем
в 1900 г.
Джинс в 1906 г. показал, что это
уравнение является необходимым след-
ствием классической динамики и стати-
стики. Уравнение Рэлея-Джинса мо-
жет быть выведено непосредственно из
электромагнитной теории света и прин-
ципа равноделения энергии по степени
свободы.
Если предположить, что излучение
электромагнитных волн подобно вол-
нам Герца происходит вследствие ко-
лебаний линейного вибратора, то между
полной энергией вибратора wx для дан-
ной длины волны 2 и удельной интен-
сивностью поляризованного излучения
е'т согласно законам электродинамики
существует следующая зависимость:
74
(3-30)
где с — скорость света.
Согласно принципу равноделения
энергии по степеням свободы полная
энергия линейного вибратора с одной
степенью свободы равна сумме его
кинетической и потенциальной энергии,
или = kT, где k — постоянная Больц-
мана; &= 1,38* 10-16 эрг град и Т —
температура,
значения и. в
сительно £хг,
Выполняя подстановку
(3-30) и решая его отно-
имеем:
(3-31)
р, __ ckT
Выведенное уравнение Рэлея-Джин-
са согласуется с данными опыта лишь
для длинных волн и находится в про-
тиворечии с экспериментальными дан-
ными при переходе в область коротких
волн, так как по мере уменьшения
длины волн величина Е[т в (3-31) по-
лучает бесконечно большие значения.
Из рассмотрения же кривых, получен-
ных опытным путем, видно, что зна-
чение Е’)т при некоторой длине волны
всегда имеет максимум.
Если построить диаграммы распре-
деления энергии в спектре абсолютно
черного теЛа в логарифмической систе-
ме координат, то применимость урав-
нений Вина и Рэлея-Джинса для раз-
личных температур и длин волн мо-
жет быть выражена областями, выде-
ленными на фиг. 3-6.
3-6. Уравнение Планка
а)	Выводы уравнения
Планка. Недостатки формул Вина
и Рэлея-Джинса показали, что для
вывода закона излучения абсолютно
черного тела необходимо принять ка-
кие-то новые условия, которые давали
бы возможность получить общее урав-
40
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[ГЛ. 3
пение, переходящее в предельных слу-
чаях к выведенным выше уравнениям
(3-29) и (3-31). Планк, приступив к
разрешению этого вопроса, принял за
основу следующие положения:
Первое — он полагал, что излуче-
ние есть следствие колебания атомных
линейных вибраторов, возбуждающих
электромагнитные волны подобно виб-
раторам Герца. Очевидно, ’что для та-
кого вибратора должно быть действи-
тельным приведенное выражение
(3-30).
Из опыта получено, что (3-31)
дает значения средней энергии вибра-
тора большее, чем его действительное
значение, но вместе с тем для широ-
ких пределов температуры по мере ее
увеличения значение энергии вибра-
тора все более приближается к kT.
Это- дало Планку основание для
второго — главного — его предположе-
ния, что вибратор излучает энергию не
непрерывно, а некоторыми количества-
ми — «квантами» е. Применяя для
определения средней энергии вибрато-
ра теорию вероятностей, можно полу-
чить, что
 (3’32)
После подстановки (3-32) в (3-30)
имеем:
= <3’33)
При е — 0 уравнение (3-33) полу-
чает неопределенный вид; после осво-
бождения от неопределенности (напри-
мер, методом Лопиталя) подстановка
е “ 0 превращает (3-33) в формулу
Рэлея-Джинса. Это обстоятельство,
а также сходство (3-33) с уравнением
Вина дало основу для третьего пред-
положения, что энергия кванта, погло-
щаемого или испускаемого вибратором,
зависит от частоты излучения или его
длины волны, а именно:
е = Ь,	(3-34)
где h — универсальная постоянная,
имеющая размерность „дей-
ствия";
v — частота излучения.
Подставляя значение (3-34) в (3-33)
и переходя от частот к длинам волн
(у =	, получаем уравнение Планка:
Р — c2h 1
^5 * ch
Вводя обозначения t?! = c2h и с2 =
=	, получаем уравнение Планка в
следующем виде:
(с2 \—1
еХГ—1) . (3-35)
Если сравнить уравнение (3-35)
Планка с уравнением (3-39) Вина, то
легко заметить, что в случае, если
ехг >1, значения Е>т, определенные
по обоим уравнениям, не будут зна-
чительно расходиться. Это имеет ме-
сто в том* случае, если XT невелико.
Математически (3-39) может быть
получено из (3-35), если разложить
выражение (ехг — 1) в ряд
(с2 \— 1	/ __ с2
хт 1 )	(	1	।
е — 1/	— \е	+ е	-f-
Зс2	«с2\
+ е хг + ... + ? хг)-
и ограничиться первым членом разло-
жения. Это допустимо при быстрой
сходимости ряда, т. е. в том случае,
если XT имеет малую величину.
Так, если при использовании урав-
нения Вина желательно не допускать
ошибки, большей 1%, то необходимо
Ci
иметь е1т > 100 или XT <0,31. Отсюда,
применяя закон смещения Вина, можно
получить, что в этом случае 2<
< 1,0752^^, т. е. уравнение Вина
можно применять во всех случаях,
когда расчет касается области спектра,
находящейся на стороне коротких
волн по отношению максимума.
Слабая сторона приведенного выше
вывода уравнения Планка заключает-
ся в том, что, отвергнув принцип рав-
ноделения энергии по степеням свобо-
ды, основанный на общих выводах
динамики, Планк оставил в качестве
исходного положения уравнения элек-
тродинамики, которые построены на
той же базе.
§3-6]
УРАВНЕНИЕ ПЛАНКА
,41
Вывод уравнения Планка, лишен-
ный этих недостатков, был дан Эйн-
штейном, который в качестве основных
предпосылок принял лишь два поло-
жения: первое, что поглощение и ис-
пускание лучистой энергии происходят
конечными порциями — квантами, и
второе, что акты испускания и погло-
щения следуют законам случая. В ре-
зультате соответствующих выводов
Эйнштейн пришел к формуле, выра-
жающей уравнение Планка в функции
частоты v:
^т=Г--	(3-36)
ekT
б)	Функциональная зависи-
мостьвеличйн£хгиEvT. При пере-
ходе в уравнениях распределения
энергии по спектру от длин волн к
частотам, или наоборот, необходимо
помнить, что, например, величина £хг
не может быть получена из величи-
ны EvT простой подстановкой значе-
ния длины волны Л через
из уравнения
2v — с.
Так как связь £хг и £v?
вается выражением
00	0	оо
J = J EyTdX — j £xr
О	00	о
(3-38)
то из (3-37) следует, что
d\ __ с
dv	&
и
Е.т = Ъг (3-39)
частоту
(3-37)
"устанавли-
Выполняя подстановку Е)Т из (3-39)
в (3-29), (3-31) и (3-35), получаем сводку
уравнений распределения энергии в
спектре абсолютно черного тела сле-
дующего вида (табл. 3-2).
Уравнение Планка может выражать
спектральные величины энергетиче-
ской яркости Вхг, светимости RIT и
объемной плотности энергии (7ХГ. В за-
висимости от выражаемой уравнением
величины изменяются и коэффициенты
С] соответственно значениям, приве-
денным в табл. 3-3.
Величина с2' во всех случаях имеет
одно значение:
ch
—	1,44 см град, или точнее:
исходя из пересмотренных констант
с, h и k, с2 = 1,4384 ztz. 0,00034 см град
(при с =2,9979-1010 см сек~\k = 1,38 X
Х10"16эрг град', й=б,62-10"27эргсек).
Экспериментальная проверка урав-
нения Планка, произведенная Люмме-
ром и Прингсгеймом, показала, что
оно действительно для всех длин
волн и температур и приближается
к частным значениям, выраженным
уравнениями Вина и Рэлея-Джинса,
по мере изменения величин 1Т.
Исследования уравнения Планка
показывают также, что из него могут
быть получены законы Стефана-Больц-
мана и оба закона Вина, при этом
приведенные выше экспериментальные
константы а, А и В (3-15), (3-23) и
(3-25) могут быть вычислены по дру-
гим физическим величинам.
в)	Вывод закона Стефана-
Больцмана из уравнения
П ланка. Элементарный поток слож-
ного излучения с длинами волн в пре-
делах от I до Л -\-dl, приходящийся
Таблица 3-2
	= Т)	Е,Т = fi (л 7)
Уравнение Вина •	с2 с	К	ХГ	Е./Т = “1 V3 е Т
Уравнение Рэлея-Джинса	£хг = ck	Е^т =	Т
Уравнение Планка	/ _ Г	1 г	1 £xr==qX-5\e	—1/	/ a2v	\ -1 Е^=ь^\е Т - ))
42
ТЕОРИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 3
Таблица 3-6
С- п *Г	Числовое значение		4,99-10-22 вт см2		3,46-10-22 вт сек град:-*
II				*5	
	о U			к оо	оо
					
	(D о £			о» 1 сч	о» • чи ГО
	СП Я			/1 —	1 сз
	О ж к; £			2 S	О Ч-t
	о Я ’ я 5 гг S			3,74- ет	2,6- тем
II					СО
					
				к СЧ	К сч
					
				сч Ч-<	сч •
	о я 0 Я О 0			-01	1 Q О —• CJ
II	Ч X О 0				С?
	Я X			—• со	
	з4 СО			—*	од зт
сч					
II					
					’
				СЧ	сч
					
				сч	2 1
	Ф Ф о X 0 и О ф			S	• 10-1 град
	Ч В О 03			Ю г» СП С,	*
	,я в			Ю со	
/<	РГ* СО			o'	©S
					<90
					
					
					
	0 ф • ° я				
	5 в			ОО	
	О ф			со	
	Ч у				
	У оз Я и и* со			1, СМ	
	сч 1				
		Оч	га ж в		е нса
		я ф в	03 С		нени Джи
		в	! Я		Я №
		га	1		га
		Cl Я			
			1 S		^5 СП
			ж й		Рн
на 1 см2 поверхности, может быть вы-
ражен уравнением
dRT = RXTdl. (3-40)
Очевидно, что графически поток излу-
чений dRT выражается элементарной
площадкой dS, имеющей основание d'K
и высоту RXT. Путем интегрирования
(3-40) в пределах длин волн от 0 до оо
можно получить уравнение Стефана-
Больцмана.
После подстановки в (3-40) значе-
ния /?хг из уравнения Планка и интег-
рирования имеем:
ОО	00	С2	__J
RT = J /?хг dX= j C^-5	— 1 ) dX.
0	0
(3-41)
Принимая = а, получаем:
1
ea— 1
2 = и dl=-^^-,
2 или после подстановки значений 2 и dX
* в уравнение (3-41)
/?г —С|
п	1
Разлагая выражение —-—j в ряд,
имеем:
= е-а+^2а+^"3а + ... +^ла,
откуда
С2
£ Je ?a3da-f- е 2аa3da +
L о	о
a3 da + . .
e"naa3da j .
(3-43)
Принимая во внимание, что для
любого члена ряда при а положитель-
ном и т целом положительном суще-
ствует соотношение вида:
e“aaamda=
ат+}
§3-6]
УРАВНЕНИЕ ПЛАНКА
получаем:
п -£1-Г±_1_ А । _1_1_ ill-
- .4 — 14 “Г 24 I- 34 I • • • “Г „4 —
с2 L	J
= ^Г*[1+^+± + ...+4-1. (3-44)
с2 L	J
Сумма быстро сходящегося ряда,
заключенного в скобки, равна и
окончательно:
r = "4. А. /ч -6,49394	Т*. (3-45)
т 15 4	4
Пользуясь правилами определения
производной для неявных функций
вида f (2, /?хг) = О,
_ df . df
d\	' dR^T 9
имеем:	dRlT
^dX~ ~
Таким образом, постоянная а за-
кона Стефана-Больцмана, выраженная
через константы уравнения Планка
и с2, равна
а = 6,49394	(3-46)
С2
и после подстановки числовых вели-
чин
С; = 2«с2 h - 3,74 • 10"12 вт см2,
с\ =	(1.438)4 = 4,25;
окончательно имеем:
о = 6,493943,7д-'-^— = 5,67 X
4,25
X 10~12 вт см~2 град~*. (3-47)
г)	Вывод законов Вина из
уравнения Планка. Подобным
же образом из уравнения Планка мо-
гут быть выведены законы Вина.
Значения %макс и зависимость ее от
температуры могут быть получены
,	dP^
путем определения производной
и приравнивания ее нулю. Для этого
представим уравнение Планка в сле-
дующем виде:
V’5 (е"&-1) - С, = f (2, /?хг) = 0.
(3-48)
ИЛИ
с,
— 524 (ехг — 1) + °- у213 = 0. (3-50)
Производя сокращение на 24 и по-
лагая -— = а, имеем:
— 5(е2 — 1) + е“а = 0,	(3-51)
откуда после раскрытия скобок и
деления на 5 ел получаем:
-L+^-=l.	(3-52)
Это уравнение может быть решено
графическим путем, если представить
его в виде разности друх кривых:
1—1- и (фиг. 3-7).
Точка пересечения этих кривых
дает искомую величину, которая ока-
зывается равной a = 4,9651.
Отсюда получаем, что
—А2-.-=4,9651,	(3-53)
*макс1
ИЛИ
^макс ? — 4,96^ =4,9651=0»2897 СМ гРаЭ-
(3-54)
44
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 4
Таким образом, А = 0,2897 см град.
Путем подстановки значения Л
в уравнение Планка можно получить:
макс~~‘
/ С2 \	_4,9651
\4,9651 7’J
откуда
п т-5 — 4>96515 £1 — 21 202 —— В
^Хмакс1 — 142,4 с5 "~Z1’ZUZ — В.
(3-55)
После подстановки числовых зна-
чений Cj и с2 можно получить:
В = 21,202 -,754'^~12 = 13,27 X
X Ю-12 втсм~3град~5»
или
^маКсТ~5= 13,27- Ю-пвтсм-3град~6.
Л микс	9
(3-55а)
Числовые константы в (3-55) соот-
ветствуют измерению длины волны
X в см и спектральной энергетической
светимости /?хг в emjcM2.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ
ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
4-1. Экспериментальное исследование
излучения абсолютно черного тела
При экспериментальных исследова-
ниях излучения абсолютно черного те-
ла могут быть проверены законы
Стефана-Больцмана, Вина и Планка,
а также определены постоянные, вхо-
Фиг. 4-1.
дящие в уравнения, выражающие эти
законы. Кроме того, могут быть иссле-
дованы и световые свойства абсолютно
черного тела — закон изменения ярко-
стей и световой отдачи при повышении
температуры.
а) Осуществление абсо-
лютно черного тела. Выше
было показано, что излучение замкну-
той полости обладает свойствами излу-
чения абсолютно черного тела, кото-
рое практически наиболее просто мо-
жет быть осуществлено на этом прин-
ципе.
Исследование излучения абсолютно
черного тела может быть произведено
в интервалах от самых низких темпе-
ратур, предел которых ставится родом
применяемых охлаждающих средств,
до самых высоких, ограничиваемых
термическими свойствами материалов,
применяемых для изготовления абсо-
лютно черного тела.
При исследовании в интервале от
температур, близких к абсолютному
нулю, до нескольких сот градусов вы-
ше нуля стоградусной шкалы абсолют-
но черное тело выполняется в виде
полости с двойными стенками (фиг.
4-1), позволяющими заполнять проме-
жуточное пространство соответствую-
щими жидкостями или парами для
охлаждения или нагревания абсолютно
черного тела.
Для более высоких температур не-
обходимо пользоваться шамотными
печами, нагреваемыми с помощью угля
или газа. Однако в этом случае также
не удается достигнуть температуры
выше 1 400° С. Кроме того, в таких
печах, даже при двойных стенках,
нельзя получить неизменяющуюся и до-
статочно равномерную температуру по-
лости. Это является следствием несо-
вершенства газового нагревания, при
котором температура нагрева зависит
от режима давления газа в сети и
состава газа. Современные средства
измерения лучистой мощности настоль-
ко чувствительны к изменению темпе-
ратуры излучающего тела, что нор-
мальные колебания давления и состава
газа в газовых сетях приводят к за-
метному разбросу точек в получаемых
кривых излучения.
$ 4-1 ]
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
45
Фиг. 4-2.
Недостатки газового нагревания мо-
гут быть устранены при электриче-
ском нагревании абсолютно черного
тела, выполненного, как показано на
фиг. 4-2.
Здесь абсолютно черное тело имеет
вид цилиндра, внутренняя часть кото-
рого выполняется из тугоплавкого ма-
териала, например кварца или фарфо-
ра. Ряд внутренних диафрагм /, 2,
3,... служит для уменьшения охлаж-
дающего действия внешнего воздуха,
проникающего в трубку. Для уменьше-
ния отражения внутренняя поверхность
покрывается окисью никеля или ко-
бальта. Температура внутри трубки
измеряется с помощью термоэлемен-
та, проходящего через заднюю перего-
родку трубы. Нагревание трубки про-
изводится электрическим током, про-
пускаемым вдоль оси тела через внеш-
нюю платиновую трубку диаметром
4 см и длиной 40 см с толщиной стен-
ки 0,01 мм. Подводящие электрический
ток контакты располагаются на кон-
цах тела и выполняются путем сжатия
выступающих концов платиновой труб-
ки в плоскость по сторонам централь-
ного отверстия. С целью уменьшения
охлаждения обе трубки заключаются в
фарфоровую трубу, образующую воз-
душную рубашку, и снаружи все по-
крывается асбестовой оболочкой.
Такая система позволяет получить
температуру до 1 520° С при токе 100 а.
При дальнейшем увеличении темпера-
туры фарфор размягчается и делается
электропроводным, что оказывает влия-
ние на точность • измерения температу-
ры с помощью термопары; так, при
изменении направления тока нагрева-
ния термоэлектрический пирометр в
этом случае дает разницу показаний
в 20° С.
 Для расширения пределов нагре-
вания выше 1 500° С вместо платины,
имеющей точку плавления около
1 750° С, приходится применять другие
материалы, как, например, уголь.
На фиг. 4-3 представлен разрез
абсолютно черного тела, выполненного
из угольной трубы с внутренним диа-
метром 1 см и толщиной стенок 1,2 мм.
Трубка нагревается путем про-
пускания через нее электрического
тока, достигающего 160 а при темпе-
ратуре трубки около 2 300° С. Для
поддержания равномерной температу-
ры трубка должна иметь очень равно-
мерное сечение по длине и нагревание
должно проводиться электрическим то-
Фиг. 4-3.
ком, получаемым от аккумуляторной
батареи. Для осуществления хорошего
контакта концы трубки.затачиваются и
покрываются электролитически медью.
На эти концы насаживаются массив-
ные угольные цилиндры, также покры-
тые снаружи и внутри медью.
Цилиндры покоятся на массивных
металлических подставках, к которым
и присоединяются провода, подводя-
щие электрический ток. Закрепление
трубы в станине должно предусматри-
вать возможность ее беспрепятствен-
ного расширения под влиянием нагре-
вания. Внутри трубы располагаются
две пробки Pi и Р2, обеспечивающие
устранение возможности проникнове-
ния света со стороны трубки, противо-
положной наблюдателю. Третья проб-
ка Рз предохраняет внутреннее про-
странство трубы от окисления ее воз-
46
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 4
духом. Наружная поверхность трубки
защищена от окисляющего действия
воздуха путем заключения ее в систе-
му труб из различных материалрв:
угля, шамота и асбеста. Кроме того,
для уменьшения потери тепла наружу
вся система труб покрывается никеле-
вой оболочкой. Для уменьшения нагре-
вания вводов к цилиндру прикреп-
ляются пластинки D, служащие радиа-
торами.
б) Способы исследования
излучений. Количественная оцен-
ка излучений абсолютно черного тела
может быть произведена "с помощью
приемников энергии излучения, исполь-
зующих тепловые, фотоэлектрические
и фотохимические ее действия на ве-
щество. При исследованиях в видимой
части спектра, кроме того, можно поль-
зоваться также и визуальными метода-
ми. Наиболее надежные результаты
измерений энергии излучения можно
получить при использовании объектив-
ных методов, основанных на тепловых
действиях энергии излучения, пригод-
ных для любой части спектра.
Фотоэлектрические и фотохимиче-
ские способы, являясь объективными
методами, по существу ije могут быть
применены для всех участков спектра,
так как приемники этого рода обла-
дают селективными (избирательными)
свойствами. Предел использования
этих приемников для инфракрасной
части спектра обыкновенно не свыше
нескольких микрон. Кроме того, эти
способы измерения сопряжены с труд-
ностями точного определения кривых
спектральной чувствительности фото-
элемента и фотографической пластин-
ки, а также неустойчивостью их рабо-
ты во времени.
Субъективный — визуальный метод,
как известно, может быть применен
лишь в пределах видимой части спект-
ра от 0,4 до 0,75 мкн и в некоторых
случаях, дри использовании явлений
фотолюминесценции, также и для
ультрафиолетовой части спектра. Не-
смотря на очень большую чувствитель-
ность человеческого глаза к видимому
свету, специфические особенности гла-
за — зависимость кривой его чувстви-
тельности от интенсивности освещения,
а также неустойчивость и субъектив-
ность восприятия — затрудняют при-
менение визуального метода для точных,
работ. Характерной особенностью ви-
зуального метода является относитель-
ная оценка мощности световых излуче-
ний данного источника при сравнении
его с другим источником, принятым за
эталон.
Визуальные методы могут быть
использованы и для исследования неви-
димых излучений, такое исследование
возможно при посредстве явления фо-
толюминесценции. В ультрафиолетовой
части спектра оценка мощности излу-
чений производится по яркости свече-
ния при возбуждении фотолюминес-
ценции ультрафиолетовыми лучами и
в инфракрасной части спектра при на-
блюдении тушения светящегося фото-
люминесцирующего экрана под влия-
нием падающих инфракрасных излуче-
ний. В обоих случаях для правильной
оценки изменения мощности излучений
по спектру необходимо располагать
данными о спектральной чувствитель-
ности применяемого фотолюминесци-
рующего вещества.
Из объективных методов, позво-
ляющих производить абсолютные из-
мерения мощности излучений в любой
части спектра, необходимо в первую
очередь отметить методы, основанные
на превращении энергии излучений в
тепло, и измерения теплового эффекта
с помощью приборов, реагирующих на
изменение теплового режима. Эта
реакция может выражаться в измене-
нии электрического сопротивления про-
водника, нагреваемого при поглощении
излучений (болометр), в термоэлектри-
ческих явлениях (термостолбик) и в
радиометрическом эффекте (радио-
метр). Все три метода могут быть
использованы как для интегральных,
так и для спектральных измерений.
Болометр представляет собой тер-
мометр сопротивления, включаемый
в одну из ветвей моста Уитстона. Он
состоит из весьма тонкой зачерненной
ленты, выполненной из металла с
большим температурным коэффициен-
том сопротивления а, нагреваемой при
поглощении падающих на нее излуче-
ний. Если сопротивление части ленты,
подвергающейся нагреванию, равно г,
то при повышении температуры ее
§44]
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ
47
на t градусов приращение сопротив-
ления болометра Дг будет равно Дг—
= art. Повышение температуры t за-
висит от теплоемкости ленты, погло-
щательной способности освещаемой
ее части, а также от теплопроводности
и общей излучательной способности
ленты и ее размеров. Если в процессе
работы лента окружена газообразной
средой, то повышение температуры t
зависит также и от теплопроводности
газа.
Обыкновенно болометр изготовляет-
ся из платиновой фольги толщиной от
0,1 до 1,0 мкн, зачерненной сажей.
Фольга указанной тол-
щины может быть полу-
чена путем сваривания
серебряной и платиновой
пластинок с последую-
щим развальцовыванием.
Р азв ал ьцованн ая лента
Фиг. 4-4. для удаления серебряного
слоя протравливается за-
тем в кислоте. Из полученной таким
способом фольги вырезается полоска
необходимых размеров и конфигура-
ции. Форма полоски болометра, приме-
нявшегося Люммером и Курльбаумом,
приведена на фиг. 4-4.
Для линейных болометров указан-
ным способом могут быть приготовле-
ны и тонкие волластоновы нити. Об-
щее сопротивление болометра обыкно-
венно равняется от 5 до 10 ом, хотя в
некоторых случаях применяются боло-
метры и с более высоким сопротивле-
нием, достигающим сотен ом. Чувстви-
тельность болометра очень велика.
С помощью болометра возможно заме-
тить отклонение в температуре, дости-
гающее 10“5—10-7°С. Для увеличения
чувствительности болометра в некото-
рых случаях его помещают в вакуум.
Чувствительность всей болометриче-
ской установки зависит также от при-
нятой схемы включения и параметров
применяемого гальванометра.
Термостолбик представляет собой
систему термоэлементов, выполненных
из тонких проволок или полосок, обра-
зующих термопару, помещенную в ва-
кууме. При нагревании спаев под дей-
ствием излучений термоэлектрический
ток системы отмечается гальваномет-
ром. Чувствительность термостолбика
определяется произведением темпера^
турной чувствительности системы тер-
мопар на повышение температуры
спаев, вызываемое действием погло-
щающих излучений. Температурная
чувствительность системы может быть
характеризована отклонением стрелки
гальванометра при повышении темпе-
ратуры спаев на один градус. Она за-
висит от выбора материала термопары,
определяющей термоэлектродвижущую
силу элемента, и электрических пара-
метров гальванометра. Соединение от-
дельных термоэлементов, составляю-
щих систему, выполняется последова-
тельно или по дифференциальной схе-
ме. Для изготовления термопар наибо-
лее часто применяются комбинации:
железо—константан, висмут—серебро,
висмут — железо, а также комбинации
сурьмы с висмутом. Чувствительность
системы термопара — гальванометр
имеет наибольшее значение, когда со-
противление термоэлемента равно со-
противлению гальванометра.
Повышение температуры спаев тер-
моэлемента под действием падающих
излучений зависит в свою очередь от
поглощательной способности действую-
щей поверхности термопар, ее разме-
ров, теплопроводности металлов, со-
ставляющих термопару, и условий ее
охлаждения окружающей средой. По-
вышение температуры во времени (теп-
ловая инерция термоэлемента) зависит
также и от массы металла, составляю-
щего термостолбик. При использовании
термостолбика необходимо обращать
внимание на сохранение постоянства
температуры холодных спаев.
В некоторых случаях для измере-
ния энергии излучения применяется
также короткозамкнутый термоэлемент
в виде рамки, подвешенной на кварце-
вой нити в поле постоянного магнита.
При нагревании термопары в этом слу-
чае рамка вместе с укрепленным на
ней зеркалом поворачивается на неко-
торый угол, определяемый по шкале с
помощью зеркального отсчета. Этот
прибор, называемый микрорадиомет-
ром, очень чувствителен, но обладает
неудобством, связанным с необходим
мостью стационарной установки.
Приборы, основанные на использо-'
вании радиометрического эффекта в1
48
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 4
разреженной газовой среде, также мо-
гут быть применены для измерения
лучистой энергии. Как известно, радио-
метрический эффект заключается в су-
ществовании разности давления частиц
разреженного газа на поверхности тон-
ких пластинок, имеющих разную тем-
пературу. Такой прибор может быть
осуществлен в виде крылышка, подве-
шенного па кварцевой нити и помещен-
ного в среде газа при давлении от 0,01
до 0,1 мм рт. ст. Угол отклонения кры-
лышка под влиянием несимметричного
нагревания отдельных частей его по-
верхности падающими излучениями
служит мерой энергии излучений, вы-
зывающих это отклонение.
Подобно микрорадиометру такой
прибор требует стационарной установ-
ки. По сравнению с болометром и тер-
мостолбиком при одинаковой чувстви-
тельности радиометр выгодно отли-
чается постоянством действия и неза-
висимостью от условий окружающей
обстановки (влияние внешних электри-
ческих и магнитных полей, свойств
гальванометра и других причин).
Экспериментальные исследования
энергии излучения производятся при
посредстве специальных оптических си-
стем, свойства которых (дисперсия,.
спектральная прозрачность и т. д.)
должны находиться в зависимости от
рода исследуемых радиаций. Так, при
спектральных исследованиях в ультра-
фиолетовой части спектра оптика спек-
трального аппарата должна быть вы-
полнена из кварца, соответственно при
исследовании инфракрасной части
спектра для оптических систем приме-'
няются кварц, флуорит (прозрачный
плавиковый шпат), каменная соль,
сильвин (хлористый калий) и сероугле-
род; последний применяется в виде
жидкости, налитой в тонкостенные пол-
ные линзы или призмы, выполненные
из стекла или кварца. Для исследова-
ния инфракрасной части спектра вме-
сто системы линз часто применяются
сферические зеркала из металла.
Точные исследования излучения аб-
солютно черного тела сопряжены с
рядом трудностей, связанных с каче-
ством самого излучателя и приемника
лучистой энергии, свойства которых
при выполнении измерений должны
быть в точности известны. Кроме того,
большое значение имеет точное опреде-
ление физических постоянных прибора
и окружающей среды, как то: коэффи-
циента преломления призм, поглощения
и избирательных свойств линз и окру-
жающего воздуха и зависимости их от
температурных и других условий.
4-2. Световое излучение абсолютно
черного тела
а) Зависимость видимой
"яркости от температуры. Ви-
димая яркость (излучения) абсолютно
черного тела зависит от общей мощно-
сти, излучаемой в видимой части спек-
тра, и спектрального распределения ви-
димых излучений по длинам волн.
Как известно, видимые излучения
располагаются в пределах длин волн
от 0,380 до 0,790 мкн, однако в связи
с малой чувствительностью глаза при
крайних значениях длин волн видимой
части спектра практически можно счи-
тать, что интервал видимой области
спектра лежит в пределах длин волн
от 0,4 до 0,75 мкн.
Одновременно с повышением тем-
пературы быстро увеличивается интен-
сивность монохроматических излучений
во всех частях спектра и, кроме того,
максимум излучения энергии смещает-
ся в сторону коротких волн. Оба эти
фактора вызывают увеличение видимой
яркости абсолютно черного тела и из-
менение цветности его излучения.
Изменение видимой яркости абсо-
лютно черного тела в зависимости от
температуры для двух соседних весьма
близких ее значений Т2 и может
быть выражено уравнением вида:
где	изменяется вместе
JD /
с температурой по закону, характери-
зующемуся кривой фиг. 4-5.
Зависимость видимой яркости от
температуры может быть получена,
пользуясь уравнением Планка, кривой
относительной видимости (см. фиг. 2-6)
и механическим эквивалентом светаМ.
В этом случае видимая яркость абсо-
§4-2]
СВЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА
49
лютно черного тела определяется
уравнением
00
= <4-2)
О
где Вг — видимая яркость абсолютно
черного тела при темпера-
туре Т в стильбах;
М — механический эквивалент
света, равный 0,00161 вт1лм
(при световом эквиваленте
мощности, равном 621 лм)вт):
Кх — спектральный коэффициент
относительной видимости для
данной длины волны А;
Вхг — энергетическая спектральная
яркость абсолютно черного
тела, величина которой может
быть определена с помощью
уравнения Планка или Вина.
Вычисление интеграла в (4-2) может
быть произведено графически, путем
построения кривой светового потока
в достаточно крупном масштабе и
последующего планиметрирования пло-
щади полученной кривой.
Закон изменения видимой яркости
Вг абсолютно черного тела в зависи-
мости от температуры Т может быть
выражен эмпирической формулой
1g Вг =7,092—1,0896-^,
(4-3)
1СИ '	'
In вг= 16,329—2,508
или более точной формулой, пригод-
ной и для низких температур:
1g Вг	7,1842 — 1,1444 ^) +
+ 0,00736
In Вг = 16,5667—2,636 (^)+.
+ 0,0169 ^у.
В обоих уравнениях Вг есть яркость
абсолютно черного тела, выраженная
в стильбах. Результаты вычислений
Вг по уравнению (4-2), произведенных
Айвсом, и значения Вг, полученные
по формуле (4-4), приведены в табл. 4-1;
4 А. П. Иванов.
здесь же помещены результаты экспе-
риментальных наблюдений.
Из табл. 4-1 видно, что (4-4) дает
при вычислении очень точные резуль-
таты и может быть рекомендовано
для применения в практических слу-
чаях.
lnBt- 1пВг=п (lnTt-lnT2)
d lnB=ndlnT
п-Ш- М dT
n~ dlnT ~ В .T
Фиг. 4-5.
Для получения показателя степени
пв в (4-1) из (4-3) и (4-4) достаточно
продифференцировать одно из этих
уравнений, например (4-4); тогда имеем:
dlnBr=+= 2,636(!М-
*	&J*	у 1 j 1
-2,0169 (^У^,	(4-5)
откуда
_d^T dT	ZlQ4t
пв— . т — 2,636{-jrj
- 0,0338 (^у.	(4-6)
В табл. 4-2 приведены значения
dBr ат
-g—: -у-, полученные для различных
температур из (4-3) и (4-4).
б) Изменение цветности
Излучений. Выше было указано,
что при повышении температуры абсо-
лютно черного тела- вместе с повыше-
нием яркости изменяется и цветность
его излучения. Это изменение цветно-
50
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 4
Яркость черного тела» сб
Таблица 4-1
т,‘°к	Расчетная яркость		Измерен- ная яр- кость	г, °к	Расчетная яркость		Измерен- ная яр- кость
	по (4-3)	по (4-4)			« по (4-3)	по (4-4)	
1 200	0,0141	0,0144		2 400	350	349,6	350
1 200	0,242	0,2429		2 500	531	530,2	527
1 600	2,08	2,085		2 600	780	778,9	775
1 700	5,10	5,093	5,06	3 000	2 830	2 827	
1 800	11,3	11,31	11,2	4 000	2,33-104	2,340-104	
1 900	23,2	23,17	23,0	5 000	8,40-104	8,410-К4	
2 000	44,4	44,28	44,0	6 000	1,98-105	1,983-105	
2 100	79,8	79,73	79,6	7 000	3,67-105	3,667-105	
2 200	137	136,3	136,4	8 000	5,82-105	5,824-105	
2 300	223	222,7	222	10 000	1,115-106	1,115-106	
Таблица 4-2
—— 	 1т-——————  г, °к	1 000	2 000	3 000	4 000	5 000	6 000	7 000	8'000
dBr dT из (4-8) Т" ~Т из (4-9)	25,08 22,98	12,54 12,335	8,36 8,423	6,27 6,379	5,016 5,137	4,18 4,29	3,58 3,695	3,135 3,242
Фиг. 4-6.
сти является результатом неравномер-
ного возрастания спектральной интен-
сивности излучений для различных
длин волн. Изменение отношения спек-
тральной интенсивности монохромати-
ческих излучений к интенсивности из-
лучений, соответствующих максималь-
ной чувствительности глаза, принятой
за 100%, при различных температурах
приведено на фиг. 4-6.
4-3. Световая экономичность абсолютно
черного тела
Световая экономичность абсолютно
черного тела определяется к. п. д. и
световой отдачей его излучения.
а) Коэффициент полезно-
го действия излучения абсо-
лют ночерно г отел а. Можно раз-
личать следующие виды к. п. д. излу-
чения.
1)	Энергетический к. п. д. или
отношение мощности, излучаемой
абсолютно черным телом в пределах
видимой части спектра, к полной мощ-
ности его излучения.
Аналитическое выражение энергети-
ческого к. п. д. имеет следующий вид:
0,8	0,8
j Вхг dl J* R)T dl (
= --------------• (4-7)
d\	d'h
о	о
Графически энергетический к. п. д.
может быть выражен отношением
площадей Sj и S кривой фиг. 4-7
(кривая построена для излучения абсо-
лютно черного тела при 3 500° К).
2)	Коэффициент полезного дей-
ствия видимого излучения*^ или отно-
шение мощности излучения абсолютно
черного тела в видимой части спектра
и эквивалентной его световому потоку
к полной мощности его излучения
в той же видимой части спектра.
§4-3]
СВЕТОВАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА
51
Аналитическое выражение к. п. д.
видимого излучения имеет вид:
0,8	0,8
J	Вхг dl	J Кх #хг
0,4	___ 0,4	/л	о\
^В = “0^----------- - —Qfi--------- •	(4"8>
J ByjdX	J R-KTd\
0,4	0,4
Легко видеть, что числитель вы-
ражения (4-8), равный величине мощ-
ности излучения, непосредственно вос-
м	2 з
Фиг. 4-7.
принимаемой глазом и эквивалентной
видимой яркости или светимости,
может быть выражен площадью
кривой S2, полученной путем умно-
жения ординат кривой Вхг или /?хг
на коэффициент относительной види-
мости Кх для данной длины волны.
Таким образом, графически мо-
жет быть выражено отношением пло-
щадей S2 и Sj.
3)	Световой к. п. д. т]с, или отно-
шение мощности излучения абсолютно
черного тела в видимой части спектра
и эквивалентной его световому потоку
к полной мощности его излучения
в пределах длины волны от 0 до оо.
Аналитическое выражение светового
к. п. д. имеет вид:
0,8	0,8
J	j КХ/?ХГЛ
7)	. (4-9)
•c OO	00	'	7
j BXTd^	j R-KTd\
о	о
Графически световой к.п.д. можно
выразить отношением площадей S2 и Sj.
4*
Взаимная связь и может
быть определена уравнением
Из рассмотрения (4-12), (4-13), (4-14)
видно, что величны т]в и зави-
сят от температуры, и можно ожидать,
что при некоторых значениях темпе-
ратуры их значения достигнут макси-
мума. Это непосредственно связано
с законом смещения Вина и суще-
ствованием максимума спектральной
чувствительности глаза и коэффициен-
та относительной видимости Кх.
Соответствующие величины г\э> т\в
и определяются графическим путем
с помощью кривой распределения энер-
гии по спектру и кривой относитель-
ной видимости глаза. Определяя с по-
мощью (4-3) и (4-4) видимую яркость
Rr и светимость Вг абсолютно чер-
ного тела при различных температу-
рах и соответствующие значения энер-
гетических светимостей RT, можно
получить также и значения удельных
— Rr
расходов мощности Н =	•
К у
Порученные таким образом число-
вые значения указанных величин при
различных температурах приведены
в табл. 4-3.
Кривые изменения i)a, iqB и в за-
висимости от температуры по данным
приведенной таблицы представлены
на фиг. 4-8.
Как видно из фигуры, максималь-
ные величины и т|с и соответ-
ствующие им температуры Т имеют
следующие значения:
Максимум энергетического к. п. д.
. . •	= 39,4% при 7 000°К
Максимум к. п. д. видимого излучения
• • •	= 38,09 при 4 250иК
Максимум светового к п. д.....
= 14,15% при 6 500°К.
Приведенные выше кривые и по-
лученные по ним максимальные зна-
чения вычислены для пределов види-
мого спектра от 0,4 до 0,7 мкн при
с = 1,43 см град, с = 3,67 • 10"12 вт[см2
и постоянной закона Стефана-Больц-
мана а—5,7-\Q~K вт1см~-град~4.
52
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 4
Таблица 4-3
Темпера- тура аб- солютная, °К	Светимость энергетическая, вт/‘см~*	Яркость, сб	Светимость, AMjCM?	Удельный рас- ход мощности, вт!лм	Световой к. п. д. Чс
1200	11,84	0,0144	0,0452	272	0,0000061
1400	21,93	0,2429	0,763	28,7	0,000056
1 600	37,41	2,085	6,550	5,71	0,000282
1 700	47,68	5,093	16,0	2,98	0,000540
1800	59,93	11,31	35,53	1,687	0,000954
1 900	74,40	23,17	72,79	1,022	0,00158
2 000	91,34	44,28	139,1	0,657	0,00245
2100	111,03	79,73	250,5	0,443	0,00363
2 200	133,74	136,3	428,2	0,3123	0,00516
2 300	160,30	222,7	699,6	0,2291	0,00703
2 400	189,41	349,6	1 098,3	0,1725	0,00933
2 500	223,00	530,2	1696	0,1338	0,01203
2 600	260,89	778,9	2 447	0,1066	0,01510
2 700	303,40	1 114	3 500	0,0867	0,01857
2 800	350,91	1552	4 876	0,0720	0,0223
.2 900	403,8	2116	6 641	0,0607	0,0265
3 000	462,4	2 827	8 881	0,0521	0,0309
3 500	856,7	9 432	29630	0,02891	0,0557
4 000	1 461	2,340-104	7,351-104	0,01987	0,0810
5 000	3 568	8,410.104	2,642.1g4	0,01350	0,1193
6 000	7 399	1,983-105	6,230-105	0,01188	0,1355
7 000	13707	3,667-105	1,152-106	0,0110	0,1352
8 000	23 384	5,824-105	1,830-106	0,01278	0,1260
10 000	57 090 ft	1,115*106	3,503-106	0,01730	0,0988
При других интервалах видимой
части спектра и других значениях
констант величины максимумов и со-
ответствующих им температур изме-
няются. Так, при расширении преде-
лов видимого спектра до 0,4—0,75 мкн
максимальное значение т]в увеличивает-
ся на 11,5% и максимальное значение
т]в уменьшается на 11,8% при неко-
тором смещении температуры ма-
ксимума. Величина интегрального отно-
сительного коэффициента реакции К
выражается уравнением, имеющим
одинаковый вид с уравнением к. п. д.
видимого излучения т|в. Из определе-
ний § 2-8 легко видеть, чтб ьеличина
К имеет постоянное значение, так как
в основу определения спектральных
коэффициентов реакции приемника в
различных областях спектра положено
условие постоянства энергии rxdl,
возбуждающей данную реакцию. Из
(2-41) следует, что это постоянное
значение К для глаза может быть
найдено путем разделения площади
кривой относительной видимости
на ее базис. Интегрирование кривой
относительной видимости в пределах
полного видимого спектра дает:
= 0,1069 мкн. (4-10)
х,
Таким образом, интегральный коэф-
фициент относительной видимости К
в полном интервале видимой части
спектра будет:
К “ (Хг-хоккн)’ <4'Н)
или, \ принимая Л2 — = 0,7 — 0,4 =
zz 0,3 мкн, имеем К = 0,356.
При определении т)в условие по-
стоянства отсутствует и соот-
ветственно этому величины т)в при
различных температурах имеют раз-
личное значение, что можно видеть
непосредственно из рассмотрения кри-
вой tqb на фиг. 4-8.
б) Световая отдача излу-
чения абсолютно черного
тела. Световая отдача излучения
§4-3]
СВЕТОВАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ АБСОЛЮТНО ЧЕРНОГО ТЕЛА
53
абсолютно черного тела представляет
собой отношение видимого светового
потока, выраженного в люменах, к
полной мощности излучений тела при
данной температуре поверхности, и
пространственном угле. Она может
быть также выражена через световой
к. п. д. и механический эквивалент
света уравнением
=	(4-12)
где Нс — световая отдача абсолютно
черного тела, лм]вт;
М — механический эквивалент
света.
Из (4-12) видно, что закон измене-
ния световой отдачи абсолютно чер-
ного тела тот же, что и закон изме-
нения светового к. п. д. vc.
При использовании приведенных
выше уравнений (4-3) и (4-4) и закона
Стефана-Больцмана зависимость из-
менения световой отдачи излучения
абсолютно черного тела может быть
выражена уравнением
~ "ЙЧ" ~	>	(4-13)
где х = In Вг = f (Т) может быть вы-
ражен (4-3) или (4-9).
Условие максимума для Нс можно
получить из равенства = 0:
, ’•«’гг	_
dT с	Т» ~
откуда для Нс = Нс макс имеем:
Т^г = 4.	(4-15)
Но так как х = In Вг
dBr
и dx = ^~,.
то при Н = Н иакс
=	(4-16)
Зная условие максимума Нс, можно
получить значение температуры Т, при
которой имеет место максимум, и
самую величину максимума. Для этого,
дифференцируя (4-3) и (4-9) по Т, со-
ответственно имеем:
dB tdT _ 2,508-104	f
В : Т ~~ Т 9
dB dT	q rqr / Ю* \ 
“в"' T” “ 2,636 \7\)—
— 0,0338	(4-18)
Подставляя из (4-21) в полученные
dB dT .
уравнения значение у: у =4 и решая
их относительно Т, получаем:	.
для первого уравнения? =6270°К;
„ второго » Т =6 450° К.
Сравнивая полученные значения Т
с температурой максимума кривой
фиг. 4-8, можно видеть, что (4-4) дает
более точные результаты, чем (4-3).
Путем дальнейшей подстановки в (4-13)
значения х=1п В из (4-4) при Т=6 450°К
имеем:
_	3,14	е12,517
макс— 5,7.10-12 ' 6 450* ’
откуда после выполнения вычислений
„	_ 3,14.2,758.105	_ 8,65-10» __
ас.макс~ 5,7.10-‘2.17,3.10М“ 9,87.105 —
= 87,5 лм1впг.
Подстановка полученного макси-
мального значения световой отдачи
^смакс В (4-12) дает максимальное
значение светового к. п. д. т
__ 1 ту	__87,5___л 1Д1
V макс — 621	— 621 и»1 >
или 14,1%.
Таким образом, применение эмпири-
ческой формулы (4-4) и в данном слу-
чае дает хорошие результаты.
в) Механический эквива-
лент света. Из рассмотрения таб-
лицы и данных произведенного расчета
видно, что минимальный удельный рас-
54
ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 5
ход мощности при излучении абсолют-
но черного тела имеет место при
Т = 6 500° К и равняется около
0,0118 вт/лм, что соответствует макси-
мальной световой отдаче 85 лм/вт.
Если заменить абсолютно черное
тело идеальным излучателем, который,
обладая интегральным излучением аб-
солютно черного тела, мог бы всю свою
энергию излучать в виде монохромати-
ческого света с длиной волны, соответ-
ствующей максимальной чувствитель-
ности глаза А = 0,555 мкн, то удельный
расход мощности такого идеального из-
лучателя выражается механическим
эквивалентом света, равным М =
= 0,00161 вт/лм. Эта величина соот-
ветствует оптимальному превращению
энергии излучения в видимые излу-
чения.
Обратная величина механического
эквивалента = 621 лм/вт носит
название светового эквивалента мощ-
ности. Величина механического экви-
валента света может быть получена
из приведенной табл. 4-3 путем умно-
жения значений удельного расхода
мощности абсолютно черного тела
Нг на соответствующие значения све-
тового к. п. д. V)c.
Легко заметить, что при таком
умножении полученная величина М для
всех температур Т будет иметь одно и
то же значение, равное 0,00161 вт/лм.
Значение эквивалента света для других
длин волн видимого спектра можно по-
лучить путем деления оптимальной ве-
личины М на соответствующее значе-
ние коэффициента относительной види-
мости Кх.
Если представить себе идеальный
излучатель, который обладает инте-
гральным излучением абсолютно чер-
ного тела и всю энергию излучает в
пределах видимого -спектра при одина-
ГЛАВА
ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ
5-1. Излучение нечерных тел
При исследовании излучения реаль-
ных тел необходимо считаться с тем
обстоятельством, что испускаемый ими
ковом ее распределении в этой части
спектра с абсолютно черным телом, то
значения эквивалента для такого слож-
ного света будут изменяться в зависи-
мости от температуры. Одновременно
с этим будет изменяться и цветность
света от красно-желтого цвета при низ-
ких температурах до синеватого — при
высоких температурах. Числовые зна-
чения эквивалента такого сложного
света при различных температурах
можно получить путем умножения со-
ответствующего удельного расхода
мощности абсолютно черного тела Нг
на энергетический к. п. д. .
Минимальное значение удельного
расхода в этом случае соответствует
температуре 4 250° К и равняется около
0,0045 вт/лм. Эту величину можно счи-
тать эквивалентом условного белого
света. Обратная величина, представ-
ляющая максимальную световую от-
дачу белого света, будет равна около
222 лм/вт.
Исследование светового излучения
абссйпотно черного тела показывает,
что для получения наибольшей эконо-
мичности источника света необходимо
стремиться к выполнению двух основ-
ных условий:
1. Необходимо, чтобы по возможно-
сти вся подведенная энергия превраща-
лась в энергию излучения.
2. Энергия, излучаемая вне види-
мой части спектра, должна быть наи-
меньшей.
При температурном излучении для
получения оптимальных результатов
представляется выгодным повышать
температуру излучателя и применять в
качестве излучателя материалы, обла-
дающие избирательными свойствами
излучения. Совместное выполнение этих
двух условий, однако, затруднительно,
так как избирательность всех извест-
ных тел при повышении температуры
уменьшается.
ПЯТАЯ
ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
поток излучения может состоять из
двух частей:
а)	потока, испускаемого за счет са-
мостоятельного температурного излуче-
ния данного элемента тела;
<§ 5-2]
ИЗЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
55
б)	(потока, падающего на данный
элемент от соседних излучающих тел
или соседних частей данного тела и от-
раженного от поверхности исследуемо-
го элемента.
В общем случае соответствующая
характеристика излучения данного тела
может быть выражена так называемой
испускательной способностью и коэф-
фициентом черного излучения данного
тела Этот коэффициент представ-
ляет собой отношение излучения данно-
го тела к излучению абсолютно черного
тела при тех же температуре и длине
волны и может быть вырйжен уравне-
нием, аналогичным закону Кирхгофа:
(5-1)
Очевидно, что подобным же обра-
зом можно характеризовать и интег-
ральное излучение:
/ fr
ST= и ет =	•
Таким образом, в случае реального
тела, обладающего наряду с самостоя-
тельным излучением излучением за
счет отражения, коэффициент для
энергетической светимости может быть
выражен:
где гст — энергетическая светимость
самостоятельного излучения
тела при данной температуре;
г°г — энергетическая светимость
отраженного излучения.
Подобным же образом может быть
характеризовано и световое излучение
данного тела как спектральное, так и
интегральное.
В случае чистого самостоятель-
ного излучения Гр = 0 коэффициент
черного излучения е будет равен'коэф-
фициенту поглощения данного тела а,
взятому при тех же условиях и для
тех же характеристик излучения.
В некоторых случаях, например при
излучении внутренних поверхностей по-
лого тела (внутренняя часть спирале-
образного тела накала, внутренность
раскаленной печи и т. п.\, излучение
этих поверхностей может быть также
характеризовано другим коэффициен-
том. Этот коэффициент мы будем на-
зывать коэффициентом само-
стоятельного излучения те-
ла (или коэффициентом по-
чернения) у. Коэффициент почер-
нения есть отношение излучения дан-
ного тела к чистому самостоятельному
излучению того же тела при данных
усло-виях:
Объединяя (5-2) и (5-3), имеем:
ег=5~ = Ьат- (5-4)
При исследовании открытых тел
при высоких температурах коэффи-
циент уг близок к единице и а?,
поэтому в этих случаях различия
между ег и ат можно не делать; на-
оборот, при исследовании излучения
открытых поверхностей при низких
температурах и внутренних поверхно-
стей полых тел коэффициенты и аг
по величине могут значительно рас-
ходиться.
5-2. Излучение металлов
Среди материалов, применяемых в
качестве тел накала в источниках све-
та, металлы имеют наибольшее значе-
ние благодаря удобству их механиче-
ской обработки при изготовлении длин-
ных и тонких нитей. .
Большинство \ металлов обладает
селективной способностью излучения
в видимой -части спектра, и изменение
их спектрального коэффициента излу-
чения ехг при данной постоянной тем-
пературе характеризуется уменьше-
нием его по мере увеличения длины
волны. Такое изменение ехг представ-
лено для вольфрама на фиг. 5-1 и 5-2.
По мере увеличения температуры
селективные свойства излучения ме-
таллов и величина изменения спек-
трального коэффициента излучения в
зависимости от длины волны умень-
шаются. При очень высоких темпера-
турах величина £хг для металлов стре-
56
ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл, 5
мится к единице, или, другими сло-
вами, излучение металла при очень
высоких температурах приближается
к излучению абсолютно черного тела.
Люммер и Прингсгейм при своих
исследованиях излучения абсолютно
черного тела пытались также найти
Фиг. 5-1.
экспериментальным путем законы из-
лучения платины, которую они в про-
тивоположность абсолютно черному те-
лу принимали за некоторое «белое» те-
ло. Их исследования привели к ряду
эмпирических закономерностей, по-
строенных по образцу математических
соотношений, выражающих законы из-
лучения абсолютно черного тела. Так,
для общего излучения металлов Люм-
мер предложил формулу, подобную
формуле Стефана-Больцмана, имею-
щую следующий вид:
гт = ^Тп,
где Qj — постоянная для данного ме-
талла величина, меньшая по-
стоянной Стефана-Больцмана
С
п — величина, зависящая от рода
металла и его температуры.
При сравнении излучения платины
излучением абсолютно черного тела
можно видеть, что при красном кале-
нии платина не излучает и одной деся-
той энергии, излучаемой абсолютно
черным телом при той же температуре,
а при более высоких температурах это
значение достигает половины. Темпера-
тура, при которой платина имеет ту же
интенсивность излучения, что и абсо-
лютно черное тело:
.Т =аТ ,
пл чер*
где
__ 0,2940 _ . ..
° ~’ 0,2630 — 1,1 Ъ
Попытки теоретического установле-
ния общего закона изменения коэффи-
циента поглощения металлов в зависи-
мости от длины волны и температуры
до настоящего времени не увенчались
успехом. €реди этих попыток необхо-
димо отметить работы Гагена и Рубен-
са, открывших экспериментальным пу-
тем зависимость между спектральным
коэффициентом поглощения чистых ме-
таллов и их электропроводностью. По-
лученная им формула впоследствии
была выведена теоретически Друде и
Планком из электромагнитной теории
света.
Формула Гагена и Рубенса имеет
следующий вид:
_ 0,365
“хгх -	’
где аХГх — спектральный коэффициент
поглощения металлов .в
направлении нормали к по-
верхности;
Л — длина волны в сантимет-
рах;
у—электропроводность метал-
ла, (ом.см)"1.
Для более коротких длин
необходимо пользоваться более
ной формулой:
_ 0,365	0,0667  0,006
“хгх — у^	“Г ’
в которой числовые коэффициенты
имеют размерность знаменателя, так
как ахг± — безразмерная величина.
(5-5)
волн
точ-
(5-6)
§5-3]
УРАВНЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
57
5-3. Уравнения излучения металлов
Пользуясь законом Кирхгофа и
формулами излучения абсолютно-чер-
ного тела, а также полученным зна-
0,365
чением а._, =	, можно вывести
ряд формул излучения металлов.
Так, для спектральной энергети-
ческой яркости металла, в направле-
нии, нормальном к его поверхности,
получаем:
Ь1Г =	2-6 (ехг ] f1, (5-7)
или после подстановки вместо * элек-
тропроводности 7 удельного сопротив-
ления металла при данной темпера-
туре рт = —, выраженного в ом.см,
АХГх = 0,365 %-/^2"5'5 (А- 1)-\
(5-7а)
Дифференцирование (5-7) и прирав-
нивание производной нулю приводят к
уравнению
- 5,524 (ехТ— 1) +е^ с-^ = 0, (5-8)
или после сокращения на 24 и под-
Со
становки — — а
^ + ^=1.	(5-9)
Решая это уравнение аналитиче-
ским или графическим способом, как
это указано § 3-6 при выводе зако-
нов Вина для абсолютно черного тела,
получаем:
= 5^7 =0.2630. (5-10)
После подстановки значения 2
макс
из (5-10) в (5-7а) и выполнения вычис-
лений получаем:
= 0,365	5,5 X 
X (е5,477—I)-1,
откуда
ь 0,365 1/рГ У? =
т±л	п у 236
= 2,855- 10~12Урт[вт см-3град~5,5<»-*].
(5-П)
Принимая во внимание, что в не-
которых случаях для чистых метал-
лов между величиной удельного со-
противления рг при температуре Т и
значением р0 его при 0°С имеет
место соотношение рг = poi^g ), мож-
но (5-7а) и (5-11) представить в сле-
дующем виде:
Ьхтх = 0,0221	/РоГ 2—5,5 X
g2
X (ехг — IJ-^e/n ел-3®-1] (5-11а)
и
/>тх Т-6 - 0,145 &	= 0,173 -10-12 X
ХКро [втсм~3град~в.и>~*]. (5-12)
Мощность общего излучения ме-
талла можно получить интегрирова-
нием (5-7а) в пределах от 2 = 0 до
2 = ею:
СО
ьт X = ]Чгх^=°>365 V /р?Х
о
х J 2~'5’5(ех?— 1 )-Ш.	(5-13)
о
После преобразования путем раз-
ложения в ряд и интегрирования мож-
но получить:
ьт± - 0,0847 -10"12- 12,21/^Т4’5 =
= 1,033-10-12 ^Т4-5[вт'см-3ш~4],
(5-14)
или, после подстановки:
—	(т\°’5ь — ‘.озз. Ю-и v
Рг — Ро 1273у	—•	16,31
х j/^t5 = 0,0635-Ю'12х
X /р“^ [вт сл-2о>-1].	(5-15)
58
ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 5
Соответственно этому для вели-
чины ахг± имеем из (5-7а) и (5-11а):
= 0,0221
(5-16)
'XTJL в
выра-
Из (5-15) видно, что при постоянной
температуре закон изменения а.
зависимости от длины волны
жается уравнением вида:
__ А
“хтх -	’
(5-17)
где А — некоторая, постоянная, зави-
сящая от рода металла.
Кривые фиг. 5-3 дают зависимость
от длины волны при постоянной
температуре 20° С, полученную для
различный металлов эксперименталь-
ным путем.
Из рассмотрения этих кривых вид-
но, что у большинства металлов за-
кон изменения ахг,, представленный
(5-17), в общем имеет место и для
видимой части спектра.
Из (5-14) и (5-15) для аг± получаем:
аг± = 0,571	0,0345 /Ро7\
(5-18)
Для более высоких температур
более точные результаты дает фор-
мула Фута
аг± = 0,5737— Q,\1^TT. (5-19)
Интегральное излучение металлов
может быть также выражено форму-
лой, выведенной на основании экспе-
риментальных данных.’ Эта формула
имеет следующий вид:
гг = аП(1 — е-рг), (5-20)
где гт — энергетическая светимость
металла при температуре Т;
о — постоянная Стефана-Больц-
мана;
Т — абсолютная температура ме-
талла;
Р — константы, зависящие от рода
металла.
Значения £ для различных метал-
лов приведены в табл. 5-1.
Таблица 5-1 -
Металл	Os	Мо	Ag	Pt	Ta	W	Ni
	1,08	1,18	1,20	1,25	1,31	1,47	1,65
Из этой формулы непосредственно
вытекает, что по мере увеличения тем-
пературы излучение металлов прибли-
жается к излучению черного тела, так
как в этом случае величина =
= (1 — е“₽г) стремится к единице.
Значения интегрального коэффици-
ента поглощения а? металлов приве-
дены в табл. 5-2.
5-4. Оптическая пирометрия
Изменение энергетической и видимой
яркости раскаленных тел и цветности
их излучения в зависимости от темпе-
ратуры дает возможность определения
температуры оптическим путем. Это
определение производится посредством
сравнения одного из параметров излу-
чения данного тела с соответствующи-
ми параметрами излучения абсолютно
черного тела. Для этого прибор—опти-
ческий пирометр, реагирующий на дей-
ствие излучений или позволяющий
производить визуальные сравнения, гра-
дуируется по излучению абсолютно чер-
ного тела в соответствующей темпера-
турной шкале.
В основу сравнения может быть по-
ложен один из следующих критериев:
1)	равенство общего излучения,
§5*4]
ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ
59
Таблица 5-2
Металл	, °с	at	Металл	/, °C	а/	Металл	t °C	
Серебро	1 000	0,035	Никель	1 000	0,056	Вольфрам	1 000	0,15
Железо	1 000	0,08	9	1 200	0,063		1 500	0,23
	1200	0,11	9	1 400	0,069	9	2 000	0,29
	1 400	0,13	Платина	1 000	0,13	99	3 000	0,34
Молибден	'1 000	0,13		1 500	0,17	Медь	1 100	0,15
	1 500	0,19	Тантал	1 300	0,19	-	1 300	0,13
	2 000	0,24	я	2 000	0,26	Чугун	1 300	0,29
•	2 600	0,29	9	2 500	0,30	я		
2)	равенство видимой яркости,
3)	идентичность состава спектра,
выражающаяся цветностью излучения.
В соответствии с этим для каждого
излучающего тела можно установить
три кажущиеся температуры, имеющие
функциональную зависимость от истин-
ной температуры тела и его излуча-
тельных свойств. Эти три кажущиеся
или «псевдотемпературы» соответствен-
но носят название:
а)	энергетической температуры Т99
б)	яркостной или черной темпера-
туры Тч,
в)	цветной или цветовой темпера-
туры Тц.
а)	Энергетическая темпе-
ратура. Энергетическая температура
излучающего тела, или температура
равенства общего излучения, есть тем-
пература, при которой абсолютно чер-
ное тело имеет одинаковую энергети-
ческую яркость с данным раскаленным
телом. \
Из этого определения следует, что
соотношение между истинной и энерге-
тической температурами может быть
получено, если приравнять выражение
энергетической яркости абсолютно чер-
ного тела, имеющего температуру Т3,
к энергетической яркости данного тела
при его температуре Т.
На основании закона Стефана-
Больцмана для абсолютно черного те-
ла имеем:
(5-21)
Соответственно для энергетической
яркости данного тела
Ьт=*т^Т\ (5-22)
где ег—интегральный коэффициент
излучения данного тела при
температуре Т, равный
ОО	ОО
J byjd\	J
е -----------=°________
T	оо	оо
J	JbX7A
о	о
В случае равенства энергетических
яркостей В1Т и Ьхт имеем:
-7^ = ег-П	(5-23)
откуда
7 = -~=.	(5-24)
у
Оптические пирометры, основанные
на использовании сравнения общего
излучения, носят название радиацион-
ных пирометров или пирометров сум-
марного излучения.
Схема одного из пирометров сум-
марного , излучения приведена на
-фиг. 5-4.
Прибор состоит из цилиндрической
камеры, в передней части которой на-
ходится неподвижный объектив а и
диафрагма (6. Излучения исследуемого
раскаленного тела концентрируются на
зачерненном спае термоэлемента с, по-
мещенного в фокусе объектива. Вызы-
ваемое излучениями нагревание термо-
пары регистрируется гальванометром g,
отградуированным на градусы по из-
лучению абсолютно черного тела.
В задней части камеры помещается по-
движный окуляр I, служащий для кон-
троля правильности наводки пиромет-
ра на исследуемый объект. Для защи-
ты глаза от больших яркостей служит
60
ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 5
экран d. Необходимым условием пра-
вильного показания пирометра служит
условие полного перекрытия спая тер-
мопары изображением раскаленного
тела. Для того чтобы уменьшить влия-
ние расстояния от исследуемого тела
до пирометра на правильность его по-
казаний, объектив должен быть воз-
можно короткофокусным.
К недостаткам радиационного пиро-
метра относятся невозможность его
применения для определения темпера-
тур объектов, имеющих малые разме-
ры, а также влияние на показания сре-
ды, находящейся между пирометром и
излучающим телом, вследствие погло-
щения ею излучений. Необходимо от-
метить также меньшую точность таких
приборов по сравнению с оптическими
пирометрами, действующими на других
принципах. К достоинствам радиацион-
ного пирометра относится возможность
построения его в виде регистрирующе-
го прибора.
б)	Яркостная, или черная,
температура. Яркостная, или чер-
ная, температура излучающего тела
есть температура, при которой моно-
хроматическая видимая яркость абсо-
лютно черного тела для данной длины
волны равна монохроматической ярко-
сти излучающего тела для той же дли-
ны волны. Соотношение между яркост-
ной и истинной температурами тела
можно установить, пользуясь законами
Вина или Планка. Так, пользуясь
уравнением Вина, получим видимую
яркость монохроматического излучения:
для абсолютно черного тела
_
Вх=ТЛ'5е	(5'25)‘
и для исследуемого тела
_Cs
\ = е.г^Л~5е xrV,. (5-26)
Ввиду того что мы пользуемся ви-
зуальными отсчетами, в уравнения вво-
дится коэффициент видимости Vx,. со-
ответствующий монохроматическому
фильтру, находящемуся в самом пиро-
метре. При равенствах Вх.и Ьх имеем:
_ Сд	_С2
С^е	=	‘Ч.(5-27)
откуда
е ^Тчер
е\Т ~~
е
И
1пехг=4(4--г-У <5-28>
л \ 1 л чер/
ИЛИ
г = т у'Чд- ,(5‘29>
1 п К £xre ХТчер/
Применяя более точную формулу
Планка, подобным же образом можно
получить:
Т = 4-. —:-----уЦ------. (5-30)
InLl-BhAe^- JJ
’ Для ускорения расче-
тов при практическом
применении выведенных
формул целесообразно
пользоваться таблицами
или номограммами, со-
ставленными на основа-
нии (5-29) или (5-30).
При температурах ниже
3 000° К с достаточной для
практики точностью мож-
но пользоваться более
простой формулой (5-29) ,
выведенной из уравнения
Вина.
§5-4]
ОПТИЧЕСКАЯ ПИРОМЕТРИЯ
61
Из выведенных уравнений (5-29) и
(5-30) видно, что яркостная темпера-
тура может быть определена для лю-
бой длины волны- видимой части
спектра, однако в оптической пиро-
метрии принято для этой цели поль-
зоваться одной длиной волны А =
= 0,665 мкн (красный светофильтр).
Соответственно этому необходимо рас-
полагать числовыми данными и для
спектрального коэффициента излуче-
ния данного тела ехг. Величины ехг для
длины волны А = 0,665 мкн при раз-
личных температурах приведены в со-
ответствующих таблицах (см., напри-
мер, таблицу для вольфрама). Значе-
ния ехг для других металлов при раз-
личных длинах волн и температуре
20°С приведены были ранее на фиг. 5-3.
Прибор, с помощью которого может
быть определена яркостная температу-
ра, носит название оптического пиро-
метра с исчезающей нитью. Принцип
его' действия основан на визуальном
сравнении яркости раскаленной нити ’
лампы пирометра с яркостью изобра-
жения исследуемого тела. Равенство
видимых яркостей, наблюдаемых через
монохроматический фильтр, фиксирует-
ся но исчезновению изображения нити
на фоне раскаленного тела. Накал нити
регулируется реостатом и контроли-
руется измерительным прибором, гра-
дуированным на температуру по абсо-
лютно черному телу.
Принципиальная схема пирометра
с исчезающей нитью Гольборна и
Курльбаума приведена на фиг. 5-5.
Оптическая система пирометра состоит
из подвижных объектива а и окуляра d.
При наводке окуляр устанавливается
на ясное видение нити лампы сравне-
ния с и путем передвижения объектива
изображение исследуемого тела совме-
щается с плоскостью нити лампы. Мо-
яохроматизация света достигается крас-
ным фильтром I, пропускающим излу-
чения в области длины волны =
= 0,665 мкн. При определении высоких
температур на пути лучей помещается
дымчатый или красный фильтр Ь, об-
ладающий определенным коэффициен-
том пропускания. Лампа с включается
в цепь батареи h последовательно с
регулирующим реостатом f и ампермет-
ром g, имеющим двойную шкалу, от-
градуированную на яркостную темпе-
ратуру по абсолютно черному телу.
При определении температуры объ-
ектов, имеющих малые линейные раз-
меры, например нитей ламп накалива-
ния, применяются пирометры со спе-
циальной оптикой, допускающей полу-
чение увеличенного изображения объ-
екта исследования в 10—20 раз. Такие
приборы, называемые микропиромет-
Фиг. 5-5.
рами, дают возможность исследовать
температуру в отдельных точках раска-
ленного тела.
Точность определения температуры
оптическим пирометром с исчезающей
нитью очень велика, и ошибка в изме-
рении при температурах 1500—2 500° С
достигает долей градуса.
в)	Цветная, или -цветовая,
температура. Цветная, или цвето-
вая, температура йзлучающего тела
есть температура, при которой абсо-
лютно черное тело имеет одинаковую
цветность излучения с данным раска-
ленным телом.
Разница между цветной и истинной
температурами различных тел является
следствием селективности их излуче-
ния. Для серых и черных тел, очевид-
но, эта разница не имеет места, так
как спектральный коэффициент погло-
щения ахг и соответственно ехг в этих
случаях имеют постоянное значение
по всей шкале длин волн и кривая
распределения энергии по спектру по-
добна кривой распределения абсолютно
черного тела. В случае тел, обладаю-
щих избирательным излучением, раз-
ница между цветной и истинной тем-
пературами будет тем больше, чем
больше изменяется в зависимости от
длины волны ехг.
62
ПРИЛОЖЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
[гл. 5
Для определения соотношения меж-
ду цветной и истинной температурами
излучающего тела исходят из аналити-
ческого выражения, устанавливающего
идентичность цветности излучения двух
тел, основанного на положении, что
для двух излучающих накаленных тел
в -этом случае в пределах видимого
спектра существует известное подобие
кр ивых спектр ал ьного р аспредел ени я.
На основании этого положения цвет-
ность излучения двух тел можно счи-
тать одинаковой, если отношения их
видимых спектральных яркостей при,
двух длинах волн Xj и Х2 равны. Таким
образом, при сравнении излучения дан-
ного тела с излучением абсолютно чер-
ного тела должно иметь место соотно-
шение
BktT __
вх2г ькт
(5-31)
Выражения спектральных яркостей
для данного тела и абсолютно черного
тела будут иметь следующий вид: для
данного тела при температуре Т и дли-
нах волн и Я2
__ С2
К т - е. т х~5е. х‘г Vx (5-32)
Aj/ Aj/ 7^	1	А: х /
И
=	(5-33)
Для абсолютно черного тела при
тех же длинах волн и Т
_________________________
В.т = ^Х~5е *'ТчУх (5-34)
Aj/	1	А| X /
И
__ ^2
=	(5-35)
Подставляя значение К т, К „ В, _
AjZ Ag/ А]/
и Вхг в (5-31), можно получить:
£г_ / 1_____1\	Cg / 1  1 \
тч (х2	Х>)_ еХ|Г т х?)
'V	----- С-
(5-36)
откуда после логарифмирования и ре-
шения
1	1 _ In — In *Х|Г ?
Т Т„-	Л1х2-
(5-37)
Как видно из полученного уравне-
ния, при определении числовой зави-
симости между Т и Т* необходимо
располагать данными о величинах длин
волн и 12 и о соответствующих ве-
личинах ехг для данного тела.
При практических расчетах поль-
зуются обыкновенно некоторыми уста-
новленными длинами волн 2 и вели-
чинами ехг, получаемыми из таблиц.
Такая таблица значений ехг при раз-
личных температурах для =0,665 мкн
и 22 — 0,457 мкн для вольфрама при-
ведена ниже (см. табл. 7-1). Пользуясь
выведенным выше уравнением, уста-
навливающим связь между истинной
и яркостной температурами, и подстав-
ляя в (5-36) полученные из (5-27) ве-
личины еХ1Г и еХаГ, можно получить
следующее уравнение:
Л W р Сг	(5-38>
в	— в 2чер \чер '
откуда после решения этого уравнения
относительно имеем:
1 1
т — Х2
1 Ц ~ 1 1
^2^2 чер XiTj чер
(Xt — Х2)	черТ2 чер
V1 чер	Х^72 чер
(5-39)
Полученное уравнение, устанавли-
вающее связь цветной температуры
тела с длинами волн 2Ь 22 и соответ-
ствующими им яркостными темпера-
турами, дает возможность определения
цветной температуры оптическим пи-
рометром с исчезающей нитью, градуи-
рованным на яркостные температуры
Т*ер и Тч2ер при соответствующих дли-
нах волн 2, и 22. Экспериментально
это выполняется визированием излу-
чаемого тела через два монохромати-
ческих фильтра для данных длин волн
2j и 22. Обыкновенно для этого, кроме-
монохроматического красного фильтра
с длиной волны 2j = 0,655 мкн, поль-
зуются синим фильтром с длиной
вол1/ы 22 = 0,467 мкн. Два последова-
тельно произведенные измерения с
этими фильтрами дают возможность
§6-1]
ВЫДЕЛЕНИЕ И РАССЕЯНИЕ ЭНЕРГИИ
63
определить чер и Т2 чер, которые поз-
воляют вычислить Тц из (5-38).
Определение цветной температуры
можно выполнить также на обыкновен-
ном линейном фотометре при равен-
стве цветности фотометрических полей
и отсчете цветной температуры по гра-
дуированному эталону.
Цветцая температура имеет боль-
шое значение при определении инте-
гральной чувствительности селективных
приемников излучения, например фото-
графических пластинок и фотоэлемен-
тов. В этом слунае цветная температу-
ра характеризует качественную сторо-
ну светового потока, необходимую для
правильной оценки реакции приемника.
В качестве примера, характеризую-
щего числовые соотношения различных
псевдотемператур с истинной темпера-
турой, можно привести их значения
для вольфрама при Т = 2 500° К-
В этом случае другие температуры
имеют следующие значения: Т =
=2500°К; 7^=1868° К; Т =2274°К;
Тц = 2 557° К.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
6-1. Выделение и рассеяние энергии
Конструирование и построение элек-
трической лампы непосредственно свя-
заны с правильным для данного назна-
чения лампы и материала тела накала
выбором' ее рабочего режима и уста-
новлением заданных световых и элек-
трических параметров лампы. Основ-
ным правилом при выборе рабочего ре-
жима служит достижение наивыгодней-
шей световой отдачи лампы, которая
определяется экономическими особен-
ностями осветительной установки или
специальными требованиями. Для того
чтобы при выбранной световой отдаче
и заданном напряжении сети лампа
потребляла необходимую мощность,
размеры главнейшей части лампы на-
каливания — ее тела накала — уста-
навливаются при ее конструкции путем
расчета. При этом принимаются во вни-
мание как условия работы тела накала,
определяемые состоянием окружающей
его среды (вакуум или наполнение
инертным газом), так и конструкция
тела накала (прямолинейная или вин-
тообразная). Основой расчета тела на-
кала служит баланс энергии, подводи-
мой к телу, и энергии, рассеиваемой им
в окружающее пространство при ста-
ционарном режиме работы лампы.
Тепло, выделяющееся при прохож-
дении электрического тока через про-
водник, может быть рассеяно в окру-
жающее пространство посредством сле-
дующих явлений:
а)	путем непосредственного излуче-
ния энергии с поверхности тела накала;
б)	путем передачи тепла от тела
накала соприкасающимся с ним другим
телам, как, например, держателям рас-
каленной нити и электрическим вводам,,
а также окружающей тело газообраз-
ной среде, через которую передача теп-
ла осуществляется при посредстве теп-
лопроводности.
Тот и другой способы передачи
энергии от раскаленного тела при ра-
боте реальной лампы сопровождаются
рядом вторичных процессов. Так, излу-
чаемая телом накала энергия при про-
хождении через среду, обладающую не-
полной прозрачностью, частично пре-
вращается в этой среде в тепло, кото-
рое в свою очередь средой может быть
рассеяно в окружающее пространство
приведенными выше способами. Таким
же образом происходит и вторичное
рассеяние энергии соприкасающимися
с телом накала телами и газообразной
средой. В случае газообразной среды
явления передачи энергии усложняются
также наличием свободных или вынуж-
денных конвекционных потоков.
В связи с этим построение полного
баланса энергии электрической лампы
вследствие сложности протекающих в
ней явлений обмена весьма затрудни-
тельно и при расчете тела накала при-
ходится ограничиваться лишь учетом
главнейших энергетических факторов
с последующим введением соответ-
ствующих поправок.
64
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 6
Количество энергии, используемой
лампой, определяется действующим на-
пряжением электрической сети — U и
суммарным сопротивлением цепи лам-
пы, по которой проходит электрический
ток I.
Цепь лампы состоит из рабочего
тела накала, вводных проводников и
переходных контактов, обладающих
соответственно сопротивлениями гт, гв
и гк, в которых происходит выделение
тепла согласно уравнению
g = /2Sr = Z2(rT+rs + rK). (6-1)
6-2. Баланс выделяемой
и рассеиваемой энергии
Исходя из вышеприведенного раз-
деления процессов выделения и рас-
сеяния энергии, энергетический баланс
можно рассматривать:
1) по отношению к первичным
внутренним явлениям, связанным с те-
лом накала (внутренний баланс);
2) по отношению к лампе в целом
(внешний баланс).
1) Баланс энергии тела на-
кала в общем виде можно выразить
следующим уравнением:
12гт = Р1 + Рд + Рг, (6-2)
где I — сила тока, проходящего через
тело накала;
гт — сопротивление тела накала при
его рабочей температуре;
У7!—поток излучения, испускаемый
телом накала внутри колбы;
Рд — мощность, отводимая от тела
начала путем охлаждения его
держателями;
. Рг — мощность, отводимая от тела
накала газовой средой.
Сумма двух первых слагаемых вто-
рой части уравнения представляет со-
Таблица 6-1
Баланс энергии в вольфрамовых лампах
Мощ- ность лампы, вт	Темпера- тура нити, °К	Световая отдача, лм/ет	Потери све- товой отдачи за счет охлаждения держателями, %	Энергия, излучаемая •в видимой части спек- тра, %	Энергия, излучаемая вне колбы, %	Энергия, поглощае- мая кол- бой, %	Энергия, отводи- мая газом, %	Энергия, отводимая вводами и держа- телями, %
25	2 535	10,2	2,8	7,0	91,2	7,0			1,8
40	2710	‘ ИД	3,8	6,8	66,8	7,1	24,5	1,6
60	2 767	12,8	3,9	7,6	69,1	7,1	22,2	1,6
100	2 837	15,4	4,1	9,3	72,8	7,0	18,5	1,7
150	2 859	16,2	4,1	9,6	75,1	7,1	16,1	1,7
200	2 878	17,0	4,2	10,2	77,4	7,2	13,7	1,7
300	2 912	18,4	4,3	10,7	79,8	6,8	11,6	1,8
500	2 940	19,6	4,3	11,4	82,3	6,7	9,2	1,8
1 000	2 995	20,5	8,8	12,0	82,1	7,1	6,0	4,8
							100о/о	
Таблица 6-2
	Вакуумная лампа	Лампа с на- полнением аргоном	Биспираль- ная лампа с аргоном	Лампа с крип- тоном и ксе- ноном
Видимое излучение, %		7	10	12	13
Невидимое излучение, %		86	68	74	76
Потери в держателях, % . 			2	3	2	2
Потери в газе, %		0	19	12	9
Общая рассеянная энергия, % . .	100	100	100	100
§ 7-i j
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛЬФРАМА
65
бой лучистый поток, испускаемый
„идеальной нитью“ в вакууме при тех
же температурных условиях.
Таким образом,
Ри& = Рх + Рд, (6-3)
2) Внешний баланс энергии
лампы соответственно можно выра-
зить так:
I2 (rT~VrB + Гк) = ^2 + FK 4- Рд -]~рг>
(6-4)
здесь, кроме уже известных величин,
гв — сопротивление вводов;
гк — сопротивление контактов;
F2 — поток излучения лампы, измерен-
ный вне лампы;
FK—доля потока излучения, погло-
щенная стенками колбы и рас-
сеянная ими в окружающее про-
странство.
,в При этом предполагается, что мощ-
ности, отводимые держателями и га-
зом Рд и Рг с помощью вторичных
процессов, рассеиваются целиком в
окружающее пространство.
Разлагая поток F2 по участкам
спектра, можно его разделить на две
части,- соответствующие мощности ви-
димых излучений Feud и мощности из-
лучений в ультрафиолетовой и инфра-
красной частях спектра FHeetld, которые
в сумме равны полной мощности F2.
При составлении баланса энергии
в реальных лампах потери во вводах
и контактах, соответствующие сопро-
тивлениям гв и г^, не принимаются во
внимание, так как они сравнительно
незначительны. Диаграмма баланса
энергии для пустотной и газонаполнен-
ной ламп 100 вт приведена на
фиг. 6-1.
полная
-1007о------
Потери 8
О°/о ------
Охлаждение
7-8%	—
Потери 69
мощность
-------100%
газе
----19-20%—*
держателями
konSe
Фиг. 6-1.
Числовые значения составных ча-
стей баланса энергии и данные о тем-
пературном и световом режимах совре-
менных ламп накаливания различных
мощностей приведены в табл. 6-1,
а сравнительный баланс энергии для
ламп различной конструкции с различ-
ными наполнителями приведен в табл.
6-2.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
РАБОТА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
7-1. Физические характеристики
вольфрама
Наиболее широкое применение* для
изготовления тел накала в электриче-
ских лампах нашел металл вольфрам,
который благодаря этому исследован
наиболее полно.
а) Температурная шкала.
При исследовании физических свойств
вольфрама и их зависимости от темпе-
5 А. П. Иванов.
ратуры первой задачей является уста-
новление правильной температурной
шкалы.
В работах Ленгмюра, Форсайта и
Уортсинга за исходные опорные точки
были приняты точка плавления золота,
которая лежит около 1 336° К, и точка
плавления палладия, определяемая в
1 829° К- В этой шкале точка плавле-
ния вольфрама лежит около 3 655° К-
Измерение температуры производилось
66
РАБОТА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл. 7
оптическим путем и проверялось срав-
нением с излучением абсолютно черно-
го тела. При этом константа Сг урав-
нения Вина принималась равной
1,438 см град. В качестве объекта ис-
следования применялись вольфрамовые
нити, нагреваемые электрическим то-
ком в вакууме.
Температура измерялась монохро-
матическим оптическим пирометром
с исчезающей нитью с нормальным
красным фильтром (Л = 0,665 'мкн).
Переход от полученной нейосредствен-
ным измерением яркостной темпера-
туры Тчер к истинной температуре Т
производился с помощью уравнения
Фиг. 7-2.
Числовые значения коэффициентов
ехг при различных температурах, а
также другие величины, характеризую-
щие излучение вольфрама, полученные
на основании работ Уортсинга и дру-
гих ' исследователей, приведены в
табл. 7-1.
б)	Отклонение излучения
вольфрама от закона Лам-
берта. Излучение вольфрама откло-
няется от закона косинуса Ламберта, и
при изменении угла наблюдения от О
до 90' по отношению к нормали к по-
верхности яркость сначала медленно,
а затем быстро возрастает от нормаль-
ного значения до 115% при угле в 75°,
после чего быстро снижается и при 90°
делается равной нулю (фиг. 7-1).
Изменение отклонений от закона
Ламберта в зависимости от длины вол-
ны также имеет место, хотя эти откло-
нения и незначительны (фиг. 7-2).
Можно предполагать, что при повы-
шении температуры вольфрама откло-
нение его излучения от закона Ламбер-
та уменьшается.
Фиг. 7-3.
В связи с отклонением излучения
вольфрама от закона Ламберта яркость
цилиндрической вольфрамовой нити
при наблюдении в направлении, пер-
пендикулярном к ее оси, неравномерна,
распределение яркости по диаметру от
центра к краям имеет вид, представ-
ленный на фиг. 7-3.
На этой же фигуре для сравнения
дано распределение яркости для уголь-
ной нити, существенно отличающееся
от распределения яркости по диаметру
вольфрамовой нити. Благодаря этому
свойству вольфрама средняя яркость
цилиндрической нити больше примерно
на 3% яркости, наблюдаемой в цен-
тральной ее части. При вычислении яр-
кости цилиндрической нити по общему
световому потоку, излучаемому нитью,
и ее размеров полученные результаты
приблизительно на 5% больше нор-
мальной яркости нити, наблюдаемой в
центральной ее части.
в)	Поляризация излучае-
мого света. Свет, излучаемый воль-
§7-11
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛЬФРАМА
67
Таблица 7-1
Темпера- тура, °к	Спектральный коэффициент из- лучения	при X — 0,655 мкн	Спектральный коэффициент из- лучения при X «=» 0,467 мкн	Средний коэф- фициент излуче- ния в видимой части спектра 6 вид	Интегральный коэффициент излучения 6j>	Яркостная тем- пература Тчер, °К	Цветная темпе- ратура Тц , °к	Энергетическая температура ТдН °К	Теплопровод- ность, вт см'1 град'1	Атомная тепло- емкость, г кал град'1
300	0,470	0,505													
400	0,468	0,501	—.	—	—	—	—	—	—
600	0,464	0,494	—	—	—	—	—	—	—
800	0,460	0,488			—	—	—	—	—	—
1 000	0,456	0,483	0,463	0,100	966	1 0С5	562	0,84	6,20
1 200	0,452	0,478	0,460	0,140	1 149	1208	733	0,90	6,50
1 400	0,448	0,475	0,456	0,176	1 330	1 412	907	0,96	6,80
1600	0,443	0,471	0,452	0,210	1 508	1618	1 093	1,02	7,10
1 800	0,439	0,469	0,449	0,240	1 624	1823	1 259	1,07	7,40
2 000	0,435	0,466	0,446	0,264	1 857	2 030	1 434	1Д1	7,70
2 100	0,433	0,465	0,444	0,275	1943	2 134	1 521	1,13	7,85
2 200	0,431	0,463	0,443	0,285	2 207	2 238	J 608	1,15	8,00
2 300	0,429	0,462	0,441	0,295	2 111	2 342	1 695	1,17	8,15
2 400	0,427	0,461	0,440	0,304	2 192	2 44	1 782	1,19	8,30
2 500	0,425	0,460	0,439	0,312	2 275	2 554	2 868	1,21	8,45
2 600	0,423	0,459	0,437	0,320	2 356	2 660	1955	1,23	—
2 700	0,421	0,457	0,436	0,328	2 437	2 767	2 042	1,25	—
2 800	0,419	0,456	0,434	0,334	2515	2 874	2 128	1,27	—
2 900	0,417	0,455	0,433	0,341	2 595	2 983	2 214	—	—
3000	0,415	0,454	0,432	0,347	2 674	3 092	2 300	—	-г
3 200	0,411	0,452	0,429	0,356	2 827	3312	2 472				
3 400	0,407	0,450	0,427	0,365	2 978	3 522	2 643	—	—
3 655	0,402	0,447	0,424	0,372	3 166	—	—	—	—
Наиболее яркие дуговые и искровые линии вольфрама
Таблица 7-2
Длина вол- ны X, А	Относительная интенсивность		Длина вол- о ны X, А	Относительная интенсивность		Длина вол- о ны X, А	Относительная интенсивность	
	дуга	искра		дуга	искра		дуга	искра
2397,110.’			10	4102,713	5	6	5224,680	20	20
2702,127	_—	10	4224,623	10	10	5492,331	15	15
3572,4771	—	10	4484,197	10	—	5514,712	20	20
3641,419	—	10	4843,829	10	—	1 5648,391	10	10
3736,220<	—	10	5006,169	10	10	5735,093	15	—
4008,769	10	10	5053,300j	15	15	5804,844'	10	—
4074,374	8	6						
фрамовой цилиндрической нитью в ка-
ком-либо определенном направлении,
частично поляризован. Изменения по-
ляризации света в зависимости от угла
с нормалью к плоской поверхности
вольфрама, определенные с помощью
поляризационного фотометра, приведе-
ны на фиг. 7-4. Изменения поляриза-
ции в зависимости от температуры и
Длины волны излучаемого света незна-
чительны.
г)	Спектры вольфрама. Ду-
говой и искровой спектры в вольфра-
5*
ме необыкновенно богаты и содержат
многие тысячи линий. В табл. 7-2 при-
ведены наиболее характерные линии
с указанием их относительной интен-
сивности.
Длинноволновый порог ’ фотоэлек-
трического эффекта для вольфрама
определяется длиной волны 2 615 А.
д)	Энергетические, свето-
вые и электрические харак-
теристики вольфрама. При
рассмотрении световых и электрических
характеристик вольфрама и исследова-
68
РАБОТА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл. 7
т, °к	Удельное сопротивление		Излучаемая мощность		Яркость		Световая отдача "ч	
	Рг ио-6, ом см	«р	R-p, вт см~2	nR	В, Св СМ’2»(О’1	пв 1		
373	5,00	1,275	—	—	—	—	—	
293	5,49	1,270	—	—	—	—	—	
300	5,65	1,268	0,0000314	18,10	—	—	—	
400	8,056	1,255	0,00199	10,67	—	—	—	
500	10,56	1,242	0,00971	’ 6,44	—	—	—	
600	13,23	1,232	0,0304	6,22	—	—	—	
700	16,09	1,223	0,0764	5,95	—	—	—	
800	19,00	1,215	0,169	5,83	—	—	—	
900	21,94	1,207	0,322	5,73	—	—	—	
1 000	24,93	1,200	0,602	5,65	0,000126	22,75	17,3	
1 100	27,94	1,195	1,027	5,57	0,00107	21,30	15,6	
1 200	30,98	1,189	1,66	5,49	0,00631	19,9Q,	14,2	
1 300	34,08	1,185	2,57	5,41	0,0276	18,55	13,1	
1 400	37,19	1,182	3,83	6,34	0,104	17,40	12,0	
1 500	40,36	1,179	5,52	5,27	0,333	16,37	11,1	i
1 600	43,55	1,179	7,74	5,20	0,927	15,47	10,3	
1 700	46,78	1,180	10,62	5,12	2,33	14,64	9,5	
1 800	50,05	1,182	14,19	5,06	5,12	13,90	8,8	
1 900	53,35	1,184	18,64	4,99	10,93	13,20	8,2	
2000	56,67	1,186	24,04	4,93	20,66	12,57	L6	
2 100	60,05	1,188	30,5	4,87	37,75	12,00	7,1	
2 200	63,48	1,190	38,2	4,81	64,0	11,48	6,7	
2 300	66,91	1,192	47,2	4,76	103,7 ‘	11,00	6,2	
2 400	70,39	1,195	57,7	4,71	164,4	10,55	5,8	
2 500	73,91	1,197	69,8	4,66	248	10,13	5,5	
2 600	77,49	1,200	83,8	4,61	364	9,75	5,1	
2 700	/ 81,Р4	1,202	99,6	4,58	532	9,39	4,8	
2 800	84,70	1,205	117,6	4,54	732	9,06	4,5	
2 900	88,33*	1,207	137,8	4,51	987	8,74	4,2	
3 000	92,04	1,210	160,5	4,48	1 326	8,45	4,0	
3 100	95,76	1,213	185,8	4,46	1745	8,18	3,7 ’	
3 200	99,54	1,216	214,0	4,43	2 252	7,94	3,5	
3 300-	103,3	1,218	245,4	4,42	2 893	7,72	3,3 J	
3 400	107,2	1,221	280,0 .	4,41	3 600	7,50	3,1	
3 500	111,1	1,224	318,0	4,40	4 540	7,32	2,9	
3 600	115,0	1,227	360,0	4,39	5 530	7,14	2,8	
3 656	117,0	1,229	382,6	4,38	6 163	7,06	2,7	
Характеристики	Соде ржание графы	
Т РТ ЛР Rt nR В лв	Абсолютная температура Т, °К Удельное сопротивление длительно прокаленного вольфрама ом см, измеренное при комнатной температуре (20° С) без поправки на расширение Показатель степени температуры	для изменения удельного сопро- тивления у Мощность излучаемой энергии с*1 см2 вольфрама в ваттах с поправкой на черное излучение от стекла при 293° К •	„	dR dT Показатель степени температуры для Ку;	: -у— Видимая яркость в нормальном к поверхности вольфрама направлении св{см2, изме- ренная вне колбы, меньшая примерно на 1% яркости, измеренной внутри колбы Показатель степени температуры для В; л в _: -у— • Этот показатель может быть использован также и для изменения общего светового потока F	
§7-1]
ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЛЬФРАМА
69
Таблица 7-3
	Испарение		Давление пара					Теплосодержание
					Коэффициент	Термическое	Атомная	Т
					общего излу-	расширение	теплоемкость	QT • I cpdT>
	/Пу’,		Р> Л	Пр	чения еу	^Т/^293	СKCLA	J р
	гсм~2 сек"1		дн см“*				г.атом“1град~1	0
								кал г-атом~1
										0,0154	0,99991	6,025	1 048
	—	—	—	—	0,0166	1,00000	6,029	1 160
	—	—			—	0,0170	1,00003	6,03	1202
	—	—	—	—	0,0238	1,00044	6,05	1777
				.					0,0320	1,00086	6,09	2 362
	—			—	—	0,0435	1,00130	6,14	2 954
	—	—			—	0,057	1,00175	6,20	3 551
	—	—			—	0,072	1,00222	6,24	4 152
	—	—	—	—	0,088	1,00270	6,30	4 757
	5,32 ГО-34	94,8	1,98 10-29	95,3	0,105	1,00320	6,36	5 370
	2,17 10-зо	87,5	1,22 10-26	88,0	0,124	1,00371	6,43	5 997
	3,21 10-27	80,6	1,87 10-22	81,1	0,141	1,00424	6,52	6 640
	1,35 10-24	74,0	8,18 10-20	74,5	0,158	1,00479	6,67	7 497
	2,51 10-22	68,3	1,62 10-17	68,8	0,175	1,00535	6,80	8170
	2,37 10-20	63,5	1,54 10-15	64,0	0,192	1,00593	6,96	8 853
	1,25 10-18	59,3	8,43 10-14	59,8	0,207	1,00652	8,10	9 560
	4, 17 10-17	55,7	2,82 10-12	56,2	0,222	1,00713	7,25.	10 278
	8,81 10-18	52,5	6,31 10-11	53,0	0,237	1,00775	7,40	11 010
	1,41 10-и	49,8	1,01 10-9	50,3	0,250	1,00839	7,55	11 758
	1,76 10-13	47,2	1,33 10-8	47,7	0,263	1,00904	7,70 *	12 521
	1,66 10-12	44,9	1,28 10-7	45,4	0,274	1,00971	7,85	13 298
	1,25 10-и	42,9	9,88 10-7	43,4	0,285	1,01039	8,00	14 091
	8,00 10-ю	40,9	6,47 10-6	41,4	0,295	1,01109	8,15	14 898
	4,26 10-ю	39,0	3,52 10-5	39,5	0,304	1,01180	8,30	15 721
	2,03 10-9	37,3	1,71 10-4	37,8	0,312	1,01253	8,45	16 559
	8,41 10-9	35,8	7,24 10-4	36,6	0,320	1,01328	8,60	17411
	3,19 10-8	34,3	2,86 Ю-з	34,8	0,327	1,01404	8,75	18 279
	1,10 10-7	32,9	9,84 Ю-з	33,4	0,334	1,01479	8,90	19161
	3,30 10-7	31,6	3,00 10-2	32,1	0,340	1,01561	9,05	20 059
	9,95 10-7	30,4	9,20 10-2	30,9	0,346	1,01642	9,20	20 972
	2,60 10-6	29,2	0,250	29,7	0,352	1,01724	9,35	21899
	6,38 10-6	28,2	0,613	28,7	0,357	1,01808	9,50	22 842
	1,56 10-5	27,3	1,51	27,8	0,362	1,01893	9,65	23 799
	3,47 10-в	26,4	3,41	26,9	0,366	1,01980	9,80	24 772
	7,54 10-5	•25,6	7,52	26,1	0,370	1,02068	9,95	25 760
	1,51 10-4	24,8	15,3	25,3	0,374	1,02158	10,10	26 762
	2,28 10-4	24,4	23,3	24,9	0,376	1,02209	10,18	27 311
	Характеристики	|	Содержание графы
	Л7)	То же для световой отдачи: /г- « J	7|	Г
	т-р пт	Скорость испарения вольфрама в высоком вакууме в граммах на 1 см* в секунду „	dm dT Показатель температуры для тр\ пт —
	Р Пр	Упругость паров металлического вольфрама в динах на 1 см* „	dP dT Показатель температуры для р', пр —	: -у-
	«Т	Обший коэффициент излучения вольфрама в пространство с температурой 0° К
		Относительное термическое удлинение вольфрама, представляющее отношение длины нити при данной температуре к длине ее при 293° К
	ср	Атомная теплоемкость при постоянном давлении Ср в грамм-калориях на грамм-атом вещества, т. е. количество тепла, необходимое для повышения температуры 184 г вольфрама на 1° С
	ЧТ	Теплосодержание 1 грамм-атома вольфрама, нагретого от 0 до Г ° К
70
РАБОТА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл. 7
нии их зависимости от температуры
можно установить, что изменение про-
извольной характеристики вольфрама
(мощности излучения, светового пото-
ка, удельного сопротивления и т. д.),
Уеол излучения
Фиг. 7-4.
которую обозначим через Н, при изме-
нении температуры Т выражается сле*-
дующим уравнением:
dH . dT
Н —п* Т '
(7-1)
где пл для данного материала нити
есть некоторая функция температу-
ры Т.
Интегрируя (7-1) в пределах Н{ и
Н2 и соответственно Т{ и 7\, имеем:
или
н2	т.
CdH__	f	dT_
J И	~~	J	Т
я,	г.
(7-2)
(7-2а)
не	т2
Я1	Г1
откуда после перехода от логарифмов
к числам имеем:
. (7-3)
Для близких температур Т2 и Ti
величина пснр соответственно данной
точке температурного режима может
быть взята непосредственно из приве-
денных ниже таблиц.
Кривые изменения главнейших
энергетических, световых и электри-
ческих характеристик вольфрама при-
ведены на фиг. 7-5.
Кривые построены на основании
наблюдений Форсайта и Уортсинга и
содержат изменения энергетической
светимости видимой яркости Вп
световой отдачи Н и удельного сопро-
тивления рг в зависимости от темпе-
ратуры вольфрама, работающего в ва-
кууме. На диаграмме нанесены также
Рт*
характеристики -н- и RToT, необходи-
мые при расчете нити вакуумных ламп.
В табл. 7-3 приведены числовые
значения отдельных характеристик и
соответствующих показателей пн по
более поздним результатам наблюде-
ний Джинса и Ленгмюра.
В табл. 7-3, кроме того, приведены
данные о давлении паров вольфрама р,
общем коэффициенте излучения ег>
термическом расширении вольфрама
/г:/29з» атомной теплоемкости ср и
теплосодержания , вольфрама q =
т
=^pdT.
о
Данные, приведенные в таблицах,
получены при исследовании идеальной
нити в вакууме.
Фиг. 7-5.
е)	Излучение и поглоще-
ние энергии .вольфрамом при
низких температурах. В при-
веденной табл. 7-3 значение мощности
излучения RT па 1 см2 поверхности ни-
ти было определено, исходя из пред-
положения, что температура окружаю-
щего пространства равняется 20° С.
§7-2]
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИДЕАЛЬНОЙ ВОЛЬФРАМОВОЙ НИТИ
71
Для высоких температур свыше
<600° К такое предположение не вносит
существенных погрешностей. Наоборот,
при низших температурах необходимо
считаться с тем, что раскаленная воль-
фрамовая нить, служащая для экспери-
ментального определения величины
окружена стеклянными стенками кол-
бы, имеющими достаточно высокую
температуру, при которой обратное из-
лучение энергии со стенок колбы на
поверхность нити делается заметным.
Кроме того, в этом случае играет су-
щественную роль также и охлаждение
нити электродами.
Поэтому Ленгмюром и Тэйлором
были произведены экспериментальные
исследования излучения энергии воль-
фрамовой нитью при температурах от
225 до 580° К в стеклянной колбе, тем-
пература стенок которой изменялась от
77 до 473° К.
Для устранения охлаждающего дей-
ствия электродов последние имели осо-
бую конструкцию, допускающую неза-
висимое нагревание их до температуры
нити. С помощью этого, а также неко-
торых других приспособлений предста-
вилось возможным получить более точ-
ные данные для излучения вольфрама
при низких температурах.
Баланс энергии при этом может
быть написан в следующем виде:
Л =	(7-4)
где /? — мощность излучения воль-
* фрама, измеренная вне колбы,
вт^см2 поверхности нити;
RT— полная мощность излучения
внутри колбы, emlcM2}
RA — мощность излучения, погло-
щаемая вольфрамовой нитью
со стороны стенок колбы,
вт/см2.
Величина RT, как известно, может
быть выражена уравнением
RT = етаТ\	(7-5)
где ет — общий коэффициент излуче-
ния вольфрама при темпера-
туре Т.
Соответственно мощность RA излу-
чаемая колбой, имеющей температуру
Т и поглощаемую 1 см2 поверхности
нити, можно выразить следующим об-
разом:
= vK .	 (™)
где а?о—коэффициент поглощения
вольфрама при температу-
ре Т для излучения, опре-
деляемого температурой
колбы Го.
Для RT, Ra, sr и рг Ленгмюр и
' Тэйлор приводят уравнения, действи-
тельные в пределах температур нити
от 225 до 580° К и температур колбы
от *77 до 473°К:
1g=: 83,7105 — 100 +5,332 lg 7, (7-7)
lg Ra = 83,7105 — 100 + 4,4621g TQ +
+ 0,871g 7,	(7-8)
lger — 4,9531 — 10+ 1,3321g7, (7-9)
lgpr = 91,7123 —100+1,231g T. (7-10)
Значения величин для воль-
фрама, полученных с помощью по-
следнего уравнения, приведены в
табл. 7-4.
Таблица 7-4
Г, dK	£г	г,	
300	0,0179	500	0,0358
400	0,0262	600	0,0450
7-2. Характеристики идеальной
вольфрамовой нити
При установлении связи электриче-
ских и световых характеристик цилин-
дрической прямолинейной нрти с основ-
ными характеристическими величинами
вольфрама, приведенйыми в § 7-1, для
простоты целесообразно (временно) ис-
ключить из рассмотрения ряд • процес-
сов, имеющих место в реальной лампе,
и ввести понятие «идеальной нити».
Это понятие включает ряд следую-
щих основных факторов и характери-
стик:
1.	Нить имеет строго цилиндриче-
скую форму с круглым сечением, оди-
наковым по всей длине.
72
РАБОТА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл, 7
2.	Тело накала, выполненное из
этой нита, имеет строго прямолиней-
ную форму.
3.	Нить считается выполненной из
чистого металла, однородного во всей
его массе как в смысле химической чи-
стоты, так и в смысле структуры ме-
талла и отсутствия механических на-
пряжений, оказывающих влияние на
удельное сопротивление материала
нити.
4.	Поверхность нити считается глад-
кой и однородной в смысле ее излуча-
тельных свойств.
5.	Нить подвергнута предваритель-
ной рекристаллизации путем термиче-
ской обработки в высоком вакууме. Та-
кая обработка считается достаточной
при нагревании нити до 2 400° К в те-
чение 24 час. Более скорая рекристал-
лизация достигается при нагревании
нити до 2 600° К в течение часа или до
2 800° К в течение 15 мин.
6.	Температура нити должна быть
строго равномерной по всей длине.
Кроме вышеприведенных факторов,
равномерность температуры связана с
отсутствием соприкосновения отдель-
ных точек нити с твердыми телами,
имеющими более низкую температуру.
Практически равномерность темпера-
туры может быть достигнута примене-
нием достаточно длинной нити, концы
которой закреплены в электродах,
имеющих такую же температуру.
7.	Нить считается работающей в вы-
соком вакууме и заключена в колбу,
стенки которой обладают постоянным,
установленным заранее поглощением
света.
Идеальная нить при данном темпе-
ратурном режиме может быть характе-
ризована ее «удельными характеристи-
ками». Удельные характеристики иде-
альной нити могут быть выражены че-
рез геометрические, электрические и
световые характеристики рядом мате-
матических соотношений.
Введем обозначения:
L — длина нити, см;
d — ее диаметр, см;
Р — затраченная мощность, вт;
гТ — сопротивление нити, ом;
I — ток, а;
U — напряжение на концах нити,
в;
J — сила света нити в направ-
лении, перпендикулярном
к ее оси, наблюдаемая через
колбу, св;
F = rc2J — общий световой поток, лмг
если излучение подчиняется
закону Ламберта;
ie — термоэлектронная эмиссия
нити, а;
М — количество испаряющегося
вольфрама, мг/сек;
Н — удельная теплоемкость нити,
etn сек град"1.
Тогда, исходя из этих величин,
можно ввести следующие удельные
характеристики нити:
Р
Р' = — удельная характеристика
мощности,	(7-11)
, rd*
г’ = ----удельная характеристика со-
противления,	(7-12)
/' = —— удельная	характеристика
тока,	(7-13)
U' —	— удельная характеристика
напряжения,	*(7-1'1)
J' =	—	удельная характеристика
силы света,	(7-15)
5t2J
F'= J'tt2 = — удельная характери-
стика светового потока, (7-16)
te = — удельная характеристика
электронной эмиссии, (7-17)
М
М' =	— удельная характеристика
испарения,	(7-18)
и, И
Н' =	— удельная характеристика
теплоемкости,	(7-19)
т
Q?—^QdT— удельная характеристика
о
теплосодержания. (7-20)
Из (7-11) — (7-20) видно, что удель-
ные характеристики численно равны
мощности, сопротивлению, току, напря-
жению, силе света и т. д. нити длиной
1 см и диаметром 1 см.
§7-3]
СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НИТИ И РАЗМЕРАМИ
73»
Числовые значения указанных удель-
ных характеристик (Приведены в табл.
7-5.
Как указано было выше, при низ-
ких температурах характеристики из-
лучения вольфрама должны быть ис-
правлены на исключение обратного из-
лучения стенок колбы. Такие исправле-
ния относятся и к основным характери-
стикам идеальной нити.
Числовые величины основных ха-
рактеристик идеальной нити при низ-
ких температурах, полученные Ленг-
мюром и Тэйлором для тористого воль-
фрама, приведены в табл. 7-6.
7-3. Соотношения между
электрическими характеристиками
нити и ее размерами
Исходя из баланса энергии, для ни-
ти в вакууме можно составить следую-
щее уравнение:
/2rr = KdL/?r (7-21)
В этом уравнении: . d — диаметр
нити; L — ее длина; Rr — энергетиче-
ская светимость вольфрама, или, что
то же, количество энергии, излучае-
мое в единицу времени с единицы по-
верхности при температуре нити Г,
и гт—сопротивление нити при той
же температуре.
Величину гт можно выразить через
размеры нити и через значение удель-
ного сопротивления рг при данной
температуре Т:
=	(7-22)
После подстановки величины гт
в уравнение (7-22) и решения этого
уравнения относительно d получаем:
“ = («y ' • <7'23)
или
d = al*1,,	(7-24)
где
- а = Ц(Т) =
Диаметр, полученный из этой фор-
мулы, дается в функции двух вели-
чин: рг и Rr, в которых значки Т по-
казывают, что эти величины зависят
от температуры.
Для определения длины нити L не-
обходимо выразить величину подве-
денной мощности в нисколько другом
виде и приравнять ее мощности, из-
лучаемой с поверхности нити:
= *dLRT. (7-25).
гт
Подставляя вместо величины тт
ее значение, показанное выше, й ре-
шая уравнение относительно L, можно
получить:
L = bUd's\	(7-26),
так как величина d известна, то можно
определить и величину L.
Величина b здесь равна
Величину L можно получить более
простым путем из (7-22); если вели-
чина d известна, то достаточно под-
ставить ее в это уравнение и решить
(7-21) относительно величины L.
Величину L можно получить также
из другого уравнения:
UI = vdLRT. (7-27)
После решения этого - уравнения
относительно величины можно полу-
чить:
L =	(7-28)
С помощью этой формулы L по-
лучается непосредственно из элек-
трических характеристик без необхо-
димости предварительного определе-
ния диаметра d. Коэффициент с, как
и вышеприведенные коэффициенты,
представляет функцию температуры
и содержит в’ себе характеристиче-
ские величины вольфрама:
С помощью этих формул можно
определить диаметр и длину любого
прямолинейного тела накала без учета
влияния отдельных потерь, связанных,
с работой реальной нити.
Удельные характеристики Идеальной вольфрамовой нити
Таблица 7-3
Г, °К	Pf, вт см~2	г'.Ю®, ом см	I’, а см~*/*	47'И0з, в см~Ч*	J', св СМ'2	F', лм см'3	М', г см~2 сек'1	вт сек/см3 град	вт сек!см3	т, °К
273	0,0	'	6,37			—	—			—	1 2,078	1 362	273
293	0,0	6,99	0,0	0,0	—	—	—	2,080	400	293
300	0,000100	7,20	3,727	0,02683	—	—	—	2,081	415	'300
400	0,00624	10,26	24,67	0,2530	—	—	—	2,090	613	400
500	0,0305	13,45	47,62	0,6404	—	—	—	2,10	815	500
600	0,0954	16,85	75,25	1,268	—	—	—	2,12	1018	600
700	0,240	20,49	108,2	2,218	—	—	—	2,14	1 226	700
800	0,530	24,19	148,0	3,581	—	—	—	2,16	1 433	800
900	1,041	27,94	193,1	5,393	—	—	—	2,18	1 640	900
1000	.1,891	31,74	244,1	7,749	0,00013	0,00131	1,16-10-35	2,20	1854	1 000
1 100	3,223	35,58	301,0	10,71	0,С011	0,0111	6,81-Ю-зо	2,22	2 070	1 100
1 200	5,210	39,46	363,4	14,34	0.0С65	0,0655	1 ,01 -10-28	2,25	2 294	1 200
1 300	8,060	43,40	• 430,9	18,70	0,0285	0,286	4,22-10-24	2,30	2 586	1 300
1 400	12,01	47,37	503,5	23,85	0,107	1,08	7,88-10-22	2,35	2 820	1 400
1 500	17,33	51,40	580,6	29,85	0,343	3,44	7,42-10-20	2,40	ЗС55	1 500
1600	24,32	55,46	662,2	36,73	0,956	9,60	3,92-10-18	2,46	3 296	1 600
1700	33,28	59,58	747,3	44,52	2,40	24,1	1,ЗЫ0-1в	2,50	3 544	1 700
1 800	44,54	63,74	836,0	53,28	5,27	53,0	2,97-10-15	2,55	3 796	1 800
1 900	58,45	67,94	927,4	63,02	11,27	113,3	4,62-10-14	2,61	4 060	1900
2 000	75,37	72,19	1 022	73,75	21,3	214,0	5,51-10-13	2,66	4 320	2 000
2 100	95,69	76,49	1 119	85,57	38,9	391	4,95-10-12	2,71	4 585	2 100
2 200	119,8	80,83	1 217	98,40	65,9	662	3,92-10-и	2,76	4 861	2 200
2 300*	148,2	85,22	1 310	112,4	106,8	1 073	2,45-10-ю	2,82	5138	2 300
2 400	181,2	89,65	1 422	127,5	169,4	1702	1,37.10-9	2,87	5 423	2 400
2 500	219,3	94,13	1 526	143,6	255,5	2 567	6,36-10-9	2,92	5712	2 500
2 600	263,0	98,66	1 632	161,1	375,0	3 770	2,76-10-8	2,97	6010	2 6С0
2 700	312,7	103,22	1741	179,7	548	5 510	9,95-10-8	3,02	6 305	2 700
2 800	368,9	107,85	1 849	199,5	754	7 575	3,51-10-7	3,07	6610	2 800
2 900	432,4	112,51	1 961	220,6	1 017	10 220	1,08-10-7	3,12	6 923	2 900
3 000	503,5	117,21	2 072	243,0	1 364	13 720	3,04.10-е	3,18	7 230	3 000
• 3 100	588,0	121,95	• 2 187	266,7	1798	18 070	8,35-Ю-з	3,23	7 560	3 100
3 200	671,5	126,76 *	2 301	291,7	2 320	23 300	2,09-10-5	3,28	7 883	3 200
3 300	769,7	131,60	2418	318,3	2 980	29 950	5,02-10-5	3,33	8210	3 300
3 400	878,3	136,49	2 537	346,2	3 770	•37 880	1,12-10-4	3,38	8 540	3 400
3 500	998,0	141,42	2 657	375,7	4 680	47 000	2,38-10-4	3,43	8 880	3 500
3 600	ИЗО	146,40	2 777	406,7	5700	57 250	4,86-10-4	3,49	9 230	3 600
3 655	1202	149,15	2 838	423,4	6 350	63 800	7,15-10-4	3,52	9 420	3 655
РАБОТА ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
§8-11
ХАРАКТЕРИСТИКИ СПИРАЛЬНОГО ТЕЛА НАКАЛА
75
Таблица 7-6
г, °к	вт см~2	Г'.10-е, ом см	а см~3^	fZ'- 10е, в cm~xIi	г, °к	вт см~а	io-8, ом см	а см~3/*	и1* 10е, всм"1!*
230	6,3145	5,2744	10,942	57,712	400	120,42	10,418	34,004	354,063
240	7,8795	5,5578	11,907	66,177	410	137,70	10,739	35,808	384,054
250	9,8496	5,8439	12,983	75,871	420	156,59	11,062	37,624	416,020
260	J2,140	6,1327	14,070	86,287	430	177,53	11,387	39,485	449,062
270	14,846	6,4241	15,202	97,659	440	200,67	11,713	41,391	484,810
280	18,024	6,7181	16,378	110,029	450	226,21	12,042	43,342	521,092
290	21,738	7,0144	17,609	123,047	460	254,35	12,372	45,342	560,097
300	26,037	7,3131	18,869	137,099	470	285,26	12,703	47,388	601,097
310	31,012	7,6140	20,182	153,067	480	319,13	13,037	49,471	644,095
320	36,733	7,9177	21,540	170,55	490	356,25	13,372	51,615	690,020
330	43,280	8,2226	22,943	188,65	500	396,74	13,708	53,798	737,046
340	50,757	8,5302	24,392	208,007	520	489,00	14,385	58,303	838,690
350	59,239	8,8400	25,886	228,083	540	598,00	15,069	62,995	949,027
360	68,832	9,1515	27,496	250,099	560	762,02	15,758	67,879	1 069,006
370	79,660	9,4654	29,001	274,059	580	875,41	16,454	72,941	1 200,0Q2
380	98,831	9,7804	30,642 ‘	299,070	600	1048,80	17,154	78,192	1 341,003
390	105,49	10,099	32,032	326,040					
значение диаметра нити непосред-
Величины d и L можно выразить
также непосредственно в функции
температуры нити Т. Для этого в вы-
ражения d и L необходимо подста-
вить
Рг = /(Т) и RT = f(T).
Из характеристических таблиц
вольфрама можно получить, что
pr = тТх'2,	(7-29)
•где m =. 6,46 • 10-9 ом см град~1’2, и,
кроме того, из законов излучения мы
знаем, что RT для вольфрама может
быть определено с помощью одного
из уравнений, выведенных выше, на-
пример (5-20):
Яг = аТ4(1— е~?т).	(7-30)
После подстановки этих величин
в расчетную формулу можно получить
ственно в функции температуры.
Тогда диаметр будет равняться
4m \‘4
0x27-2,8 ц _ JT J
(7-31)
В этом уравнении уже нет необхо-
димости пользоваться характеристи-
ческими данными вольфрама из таб-
лицы. Необходимо только знать ту
температуру, при которой работает
нить лампы, и электрические ее харак-
теристики.
Длина L будет равняться
'----ту-!-------ёт~}Ч’ис1/г (7-32)
4гтГ5,2(1 — e~W) J	' '
и, наконец, третью формулу для L
можно представить в следующем
виде:

___________1___________
4лс2/пТ9’2 (1 — е~°т)2
,/’Ш'/’.(7-33)
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
РАБОТА СПИРАЛЬНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
В-1. Характеристики спирального тела
накала
Уменьшение относительных тепло-
вых потерь в газе при свивании нити
в спираль и получение в этом случае
более компактного тела накала заста-
вили технику перейти от прямолиней-
ных нитей к нитям, имеющим винто-
образную форму, которые в дальней-
шем будем называть спиральными ни-
тями.
Основными параметрами винтооб-
разной спирали служит, во-первых, диа-
76
РАБОТА СПИРАЛЬНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл. &
метр той проволоки, из которой нави-
та спираль d, .во-вторых, диаметр сер-
дечника или керна, на который нави-
вается спираль Z), и, в-третьих, шаг
спирали s (фиг. 8-1).
Фиг. 8-1.
В практике расчета обыкновенно
параметры спирали выражаются через
так называемый коэффициент сердеч-
ника
k
d
и коэффициент шага
k — —
d *
Выбор величины коэффициентов kd
и ks определяется механической стой-
костью материала нити против прови-
сания, ее температурой, а также за-
висит от конструкции лампы и спо-
соба укрепления тела накала.
Для пустотных ламп величины
этих коэффициентов обыкновенно из-
меняются в следующих пределах:
= 3 — 5 и ks = 1,4—1,6 в зависи-
мости от мощности лампы и напря-
жения. В газонаполненных лампах из
соображений получения минимальных
потерь тепла в газовой среде диаметр
спирали увеличивают до пределов, до-
пускаемых устойчивостью вольфрама
к провисанию при высокой темпера-
туре. Величины коэффициентов kd
и ks в этом случае изменяются в пре-
делах kd = 4 — 7 и А^=1,4—1,6.
При свивании прямолинейной нити
диаметра d и длины L в винтообраз-
ную спираль эффективная длина тела
накала £сл, которую можно назвать
длиной спирали, может быть выра-
жена через ее параметры следующим
уравнением:
L=ns = L =s (8-1)
или, выражая D и s через коэффи-
циенты kd и ks, имеем:
Ldk
L —----- *----------=
cn dl/«2(*d-H)2+^
Таким образом, для kd = 4 и ks =
= 1,5 можно получить Lcn = 0,095Lr
или около 10%.
В дальнейших рассуждениях прини-
мается, что спиральная нить обладает
всеми свойствами идеальной нити с до-
бавлением условия, что сама спираль
выполнена геометрически правильно^
т. е. имеет правильную цилиндрическую
форму и постоянный по всей длине спи-
рали шаг.
Излучение спирального тела накала
значительно отличается от излучения
прямолинейной нити. Так, если срав-
нить излучение отдельных частей по-
верхности спирального тела накала, то
можно различить следующие четыре
зоны (фиг. 8-2):
I — центральная часть спирали,
находящаяся на внешней поверхности:
II— краевые части той же внеш-
ней поверхности;
III—средняя часть внутренней по-
верхности и, наконец,
IV — краевые	зоны внутренней
части спирали.
Если яркость первой зоны обозна-
чить через В, то яркости других зон
будут приблизительно:
Вп= 1,15В,
ВП1 = 1,30В,
§8-1]
ХАРАКТЕРИСТИКИ СПИРАЛЬНОГО ТЕЛА НАКАЛА .
77
BIV = 2,0fi,
Вср = (1,05— 1,06)6.
Здесь Вср — средняя яркость на
внешней поверхности спирали. Для
вольфрама по отношению к нормаль-
ной яркости средней части она будет
больше на 5—6%. Это является след-
ствием того, что, как известно из §7-1,
поверхность вольфрама имеет различ-
ную яркость под различными углами.
Кроме этого, имеет место увеличение
яркости на внутренней поверхности
спирали вследствие отражения лучи-
стых потоков, причем это отражение
для различных областей спектра неоди-
наково. Так, например, интегральный
коэффициент излучения для воль-
фрама при температуре 2 400° К равен
0,30, а средний коэффициент излучения
в видимой части гвид спирали равен
0,47. Таким образом, из всех падающих
на внутреннюю поверхность видимых
потоков отражается только 53%, в то
время как из общего излучения во всех
частях спектра отражается около 70%.
Вследствие этого излучение внутренней
части спирали более приближается по
своим свойствам к излучению черного
тела, чем открытая поверхность воль-
фрама, обладающая избирательными
свойствами излучения, и общая свето-
вая отдача спирального тела накала
всегда меньше световой отдачи откры-
той поверхности вольфрама, работаю-
щей при одной и той же температуре.
При ks— 1,54 и kd = 6 светимость
увеличивается примерно на 34,4%,
энергетическая светимость—приблизи-
тельно на 44,0%, понижение свето-
вой отдачи будет около 7,5%.
Уменьшение световой отдачи спира-
ли по сравнению с световой отдачей
прямолинейной нити, работающей при
той же температуре, показано на
фиг. 8-3.
Кроме этих' световых изменений,
здесь необходимо отметить и другие
изменения; так как нить свивается в
спираль, то тем самым экранируется
некоторая доля ее поверхности, и вслед-
ствие этого спиральное тело накала
имеет меньшую эффективную поверх-
ность излучения. Для того чтобы полу-
чить один и тот же световой поток от
спирального и прямолинейного тела
накала, работающих при одной и той
же температуре, необходимо компенси-
ровать экранирование этой поверхно-
сти некоторым увеличением диаметра
и длины тела накала; отсюда вывод,
что спиральное тело накала по отноше-
нию к прямолинейному телу в лампах,,
работающих при одной и той же рабо-
чей температуре нити и одной и той
же подведенной мощности, имеет боль-,
шую поверхность. Такого рода измене-
ние размеров дает возможность повы-
сить механическую прочность самого
тела накала и за счет этого увеличить
его температуру, не уменьшая срока
службы лампы. Этим частично или пол-
ностью можно компенсировать те не-
достатки, которые связаны с почерне-
нием излучения.
Кроме этого, в’данном случае воз-
можно некоторое использование той
лучистой энергии, которая поглощается
и идет на нагревание тела накала; та-
ким образом, эта часть энергии возвра-
щается в исходную статью баланса.
Фиг. 8-3.
Разность температур на внутренней
и внешней поверхностях нити благода-
ря хорошей теплопроводности вольфра-
ма очень незначительна; она измеряет-
ся несколькими градусами.
Тело накала, свитое в спираль, тре-
бует меньшего количества держателей
или крючков, и это обстоятельство вле-
чет за собой снижение потерь на его
охлаждение. Если спиральная нить ра-
ботает в атмосфере газа, то можно по-
лучить и дальнейшие выгоды в том
смысле, что уменьшается относитель-
ная поверхность охлаждения тела на-
кала газом. Это уменьшение эффектив-
ной поверхности охлаждения действи-
тельно в том случае, если шаг спирали
не очень велик, именно, если шаг спи-
рали не превосходит двойной толщины
так называемого застойного слоя газа,
о котором будет сказано ниже, то сви-
вание тела в спираль способствует
уменьшению потерь, так как это спи-
ральное тело можно рассматривать
78
РАБОТА СПИРАЛЬНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл. 8
тогда как сплошной цилиндр такого же
диаметра, как и внешняя поверхность
спирали.
Кроме этих факторов, приходится
считаться еще и с распылением тела
накала. Очевидно, что распыление тела
накала, выполненного в виде спирали,
будет меньше, чем распыление цилин-
дрического прямого тела. Это является
следствием того, что частицы вольфра-
ма, испаряющиеся с внутренней по-
верхности, находят выход только через
отверстие между нитями, поэтому от-
носительное распыление внутренней по-
верхности будет меньше, чем распыле-
ние внешней поверхности. В результате
получается изменение срока службы в
сторону, благоприятную для спираль-
ного тела накала.
Резюмируя приведенное выше, мож-
но перечислить следующие факторы,
которые изменяют условия работы спи-
рального тела накала по сравнению с
прямолинейной нитью:
1.	Уменьшение эффективной поверх-
ности нити и как следствие уменьшение
светового потока по сравнению с пря-
мой нитью при той же температуре.
2.	Изменение средних селективных
свойств вольфрама в сторону уменьше-
ния световой отдачи излучения (почер-
нение излучения).
3.	Увеличение яркости внутренней
части за счет почернения излучения.
4.	Уменьшение необходимой для
достижения данной температуры подве-
денной мощности, дающее .возмож-
ность увеличить диаметр нити при
одном и том же рабочем токе по
сравнению с прямой нитью. Увеличе-
ние диаметра увеличивает в свою оче-
редь механическую прочность нити и
тем самым срок ее службы.
5.	Уменьшение эффективной длины
тела накала вызывает уменьшение теп-
ловых потерь за счет уменьшения ко-
личества необходимых держателей.
6.	В связи с экранированием части
поверхности уменьшается термическое
распыление вольфрама с внутренней
поверхности спирали.
7.	В случае работы спирального те-
ла накала в атмосфере газа, кроме все-
го сказанного, свивание нити в спираль
уменьшает тепловые потери на конвек-
цию и теплопроводность.
8-2. Эффект экранирования
поверхности тела накала
а) Определение диаметра и длины
спирального тела накала может, быть
получено из баланса энергии подобно
тому, как это было сделано по отноше-
нию к прямолинейному телу накала.
При составлении этого баланса необ-
ходимо принять во внимание эффект
экранирования части внутренней по-
верхности спирального тела накала,
который дает изменение его излу-
чения в двух направлениях: во-пер-
вых, в направлении изменения излу-
чательных свойств внутренней по-
верхности спирали и, во-вторых, в на-
правлении изменения самого выхода
излучений вследствие того, что не
весь лучистый поток, испускаемый вну-
тренней частью опирали, выходит и ару-'
жу. Таким образом, если известен эф-
фект экранирования, слагающийся из
этих двух факторов, то можно исполь-
зовать выведенную выше формулу рас-
чета прямолинейной нити и для рас-
чета спиральной нити. Прежде всего
для этого необходимо ввести понятие
об общем коэффициенте излучения
спирали.
Общий коэффициент излучения спи-
рали, который будем в дальнейшем
обозначать через 3, представляет отно-
шение мощности, излучаемой спираль-
ным телом накала, к мощности, излу-
чаемой прямолинейным телом накала,
имеющим равную поверхность излу-
чения и одинаковую температуру, т. е.
8 = ^.	(8-3)
Г пр
Для каждого элемента поверх-
ности спирали dS эффект экраниро-
вания можно выразить следующим
уравнением:
*RTdS = R^dS. (8-4)
где RT — нормальная энергетическая
светимость, соответствую-
щая чистой поверхности
вольфрама;
R? — энергетическая светимость
элемента поверхности спи-
рали при той же самой тем-
пературе.
§8-2]
ЭФФЕКТ ЭКРАНИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТЕЛА НАКАЛА
79
Коэффициент Ч7 будем называть
угловым коэффициентом сво-
бодного выхода излучений;
как показывает название, он характе-
ризует свободный выход излучений
данного элемента спирали в окружаю-
щее пространство. Отсюда можно
определить величину 8, которая будет
равняться
R'w
(8-5)
Отношение &~=Ч будем называть
коэффициентом почернения
излучения, который характеризует
изменение энергетической светимости
экранированной части данного эле-
мента. Интегрируя уравнение (8-4) по
всей поверхности S, имеем:
^RTdS=^4?dS. (8-6)
При этом интегрировании необхо-
димо учесть, что для отдельных эле-
ментов коэффициент экранирования,
величины энергетической светимости
RT и а также величина коэффи-
циента свободного выхода излучения
спирали ЧГ, вообще говоря, изменяются.
Поэтому необходимо или определить
в явном виде функции этих величин
в зависимости от расположения дан-
ного элемента на излучающей по-
верхности, или пользоваться некото-
рыми средними значениями, что яв-
ляется более простым. Средний коэф-
фициент излучения данной поверх-
ности может быть вынесен за знак
интеграла, после чего получаем:
(8-7)
откуда
g	_______
ср §RTdS
s
(8-8)
Можно пользоваться также и сред-
ними значениями произведения (ЛуЧ1)
и средним значением энергетической
светимости вольфрама (RT)cnt которые
л U р
легко могут быть определены опы-
том. В результате получаем:
.Л Ср (*т)сР	?
Каждое реальное тело накала
можно рассматривать как совокуп-
ность отдельных достаточно крупных
элементов, в пределах которых изме-
нения величин	и ф невелики.
Так, если рассматривается спи-
ральное тело накала, то можно ви-
деть, что яркости внутренней и на-
ружной частей разнятся очень резко,
поэтому здесь можно перейти к сум-
мированию отдельных значений коэф-
фициента экранирования.
В этом случае можно написать:
(8‘10>
ДОА у,
п
Полагая RT=zRTc^ и при равенстве
всех элементов (AS = const) выраже-
ние (8-10) принимает вид
<8-ч>
б) Определение коэффици-
ента 8 для спирали. У цилин-
дрической спиралеобразной нити вся
поверхность может быть разделена
на две равные части:
а)	внутренняя часть S' = 0,5rcdL,
б)	внешняя „ S" = 0,5ndL.
Соответственно этому значения
средних энергетических светимостей
этих двух частей при температуре
нити Т обозначим
/?г' - ег'аТ4 и . R'' =	(8-12)
где — средняя испускательная спо-
собность внутренней части;
—средняя испускательная спо-
собность внешней части;
Если £2' и £1"— средние эффектив-
ные телесные углы свободного излу-
чения элементов поверхности S' и S",
то коэффициенты, характеризующие
‘80
РАБОТА СПИРАЛЬНОГО ТЕЛА НАКАЛА В ВАКУУМЕ
[гл. 8
величину излучаемого поверхностями
потока, будут:
О'	О"
ф = —<1 и Ф" = —<1,
я	к
отсюда
F' = RySW = 0,5ndLe^T4Wr, (8-13)
F" = Ry'S"'?" = 0,5irdLs" (8-14)
Полный поток, излучаемый всей
спиралью, F = Fr -f-F", откуда
или
л	0,5 (R'T ф' +
8 =	. г г ;	(8-15)
таким образом,
8 = 0,5(у'Ф' + у"Ф'').	(8-16)
Величины Ф' и Ф" зависят от шага
я диаметра сердечника, величины R?
и RT, кроме того, зависят от темпе-
ратуры.
Коэффициент излучения спирали 8
имеет предельное значение, при сле-
дующих условиях:
а)	в случае прямой нити он равен
единице, так как
r' = R'' = Rt и Ф' = Ф"=1;
Q
б)	в случае -у = 1 и соответ-
ственно Ф' = 0 коэффициент 8 имеет
минимальное значение, приближаю-
щееся К 0,5;
8-3. Баланс энергии спирального тела
накала
На основании приведенных выше
расчетов можно составить уравнения
баланса для отдельных лучистых по-
токов спирального тела накала и опре-
делить его световую отдачу.
Аналитические выражения для от-
дельных статей баланса помещены в >
табл. 8-1.
Излучение энергии би спи-
ральным телом накала. В не-
которых случаях, например, при необ-
Таблица 8-1-
Определение	Уравнение баланса	Определяющее уравнение
Полный самостоятельно излучаемый поток Поток, самостоятельно излучаемый внутрен- ней и внешней поверх- ностями	F = F + F" F' = F\ -J- F’2 f" = f['f2 р'	fL , ф'	F = SA SRT F'=^S'R^ymP F" = SA S"R^eulK
Свободно выходящий са- мостоятельно излучае- мый поток, внутрен- ний и внешний	Л- и +®i ^' = 7Г + ф1"	= 4>' F' F" = Ф"Г"
Перехваченный самосто- ятельно излучаемый поток, внутренний и внешний	^' = s^'+s^'	f'=(l —Ц?') F' F2 = (1—Ф") F"
Суммарный поглощен- ный лучистый поток излучения	S F'z s F” =	a (1 — Ф')Г V		Z			•
	= F — I*r	2i г о — 3	1-(1-aT ) (1 -Ф')
Суммарный отраженный поток излучения, сво- бодно выходящий на- ружу	if	II' 7	। • —	s p' = (1-аг)(1-Ч»ЭФ'Р 4	1_(1_вг)(1_ф')
§8-4]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ СПИРАЛЬНОЙ НИТИ
81
ходимости получения наиболее концен-
. триерованного тела накала или для
уменьшения потерь тепла на конвек-
цию в газовой среде калильная нить
свивается в двойную спираль. В этом
случае, помимо основных параметров
первичной опирали — ее шага и диа-
метра сердечника, должны быть уста-
новлены также шаг и диаметр сердеч-
ника для вторичной опирали. Ввиду то-
го что при навивании вторичной опира-
ли внутренние витки первичной спира-
ли сближаются, необходимо шаг пер-
вичной спирали делать на 10—20%
больше по сравнению с простым спи-
ральным калильным телом. Соответ-
ственно коэффициент шага вторичной
спирали берется обыкновенно меньше
коэффициента шага простой спирали
(^#«1,3) и коэффициент сердечника
вторичной спирали k'd = 2,0—2,5.
8-4. Определение размеров
спиральной нити
Определение коэффициента излу-
чения спирали 8 дает возможность
рассчитать размеры спиральной нити,
пользуясь уравнениями, приведенными
ранее для прямолинейного тела накала.
Очевидно, что в случае спирального
тела накала поверхность его должна
быть больше, чем у прямолинейного
тела накала, излучающего ту же са-
мую мощность. Расчет можно выпол-
нить в предположении, что средняя
энергетическая светимость спираль-
ного тела накала меньше, чем энер-
гетическая светимость прямолинейного
тела накала, поэтому достаточно
в выражение диаметра, и длины, полу-
ченной для прямолинейного тела на-
кала, подставить уменьшенное значе
ние R™, чтобы получить диаметр и
длину спирального тела накала. Это
уменьшенное значение энергетической
светимости спирали R™ можно опре-
делить из уравнения
К‘т'=^т= (8.17)
где RT — средняя энергетическая све-
тимость поверхности прямо-
линейной нити;
.6 А. П. Иванов.
R'T и средние энергетические
светимости . внутренней и
наружной частей спирали;
ЧГ' и ЧТ" — соответствующие им коэф-
фициенты свободного вы-
хода.
Формула диаметра после такой
подстановки в (7-25) может быть вы-
ражена в следующем виде:
ft —( 4рг У7* Л._
dl ~ niRT6 ) 1 ~ai1 ~
=	(8-18)
Эта формула дает диаметр спи-
рального тела накала, работающего
при той же температуре и излучаю-
щего своей поверхностью тот же лу-
чистый поток, что и прямолинейная
нить с диаметром d. Соответственно
этому величина длины спиральной
нити может быть найдена из (7-2t):
L> = =ь'и<'=
.	(8-19)
Кроме этого, длину Lx можно вы-
разить еще другой формулой из (7-30)
для прямолинейного тела накала:
Li = (---УА[7/'л = CiW*'’ =
=	(8-20)
Величина 8 может быть получена
опытным путем или теоретически. Для
определения величины 8 опытным пу-
тем достаточно построить образцы ва-
куумных ламп с прямолинейной и спи-
ральной нитью, имеющих одинаковые
размеры нити. Эти-лампы должны быть
исследованы на определение излучае-
мой ими мощности при одной и той же
температуре тела накала. Тогда вели-
чину 8 можно определить непосред-
ственно из отношения мощностей, по-
требляемых лампами с спиральной и
прямолинейной нитью. Для получения
надежных результатов необходимо из-
готовлять тело накала испытуемых
ламп из одного и того же материала и
при конструировании образцов учиты-
вать необходимость идентичного охлаж-
82
ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛА НАКАЛА ЭЛЕКТРОДАМИ
[гл. 9
Таблица 8-2
^3	1	1,1	1.2	1,3	1,4	1.5	1,6	1,7	1.8	1.9	2,0
	0,5	0,6	0,66	0,7	0,74	0,765	0,785	0,8	0,82	0,84	0,85
дения нитей испытуемых ламп держа-
телями и электродами.
Коэффициент 8 зависит от двух
факторов: во-первых, от отношения
шага спирали к диаметру нити или от
коэффициента шага ks и, во-вторых,
от отношения диаметра сердечника
спирали к диаметру нити или от коэф-
фициента сердечника kd. Для вакуум-
ных ламп со спиральной нитью влия-
ние коэффициента сердечника незна-
чительно, поэтому можно считать,
что изменение коэффициента сердеч-
ника в пределах, принятых на практике,
не вносит существенных изменений
в значение коэффициента 8, и для тех-
нических расчетов его можно не учи-
тывать. Что касается коэффициента
шага спиральной нити ks, то он ока-
зывает большее влияние.
Значение коэффициента 8 в зави-
симости от коэффициента шага пред-
ставлено в табл. 8-2.
Из табл. 8-2 видно, что соответ-
ственно изменению шага изменяется и
коэффициент излучения опирали 8.
Световая отдача спиральной нити
не определяет однозначно ее темпера-
туру и зависит от параметров спирали,
главным образом от ее коэффициента
шага ks; поэтому рабочая температура
спиральной нити при расчете может за-
даваться общей световой отдачей лам-
пы лишь при условии учета приведен-
ного фактора.
Кроме температуры нити, необхо-
димой для получения характеристиче-
ских величин вольфрама из таблиц,
к заданным величинам должны отно-
ситься й коэффициенты ks и kd, ха-
рактеризующие изменение коэффи-
циента излучения спирали 8.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛА НАКАЛА ЭЛЕКТРОДАМИ
И ДЕРЖАТЕЛЯМИ
9-1. Влияние охлаждения электродами
и держателями на параметры лампы
В приведенных выше расчетах раз-
меров идеальной нити не принималось
во внимание, что нить в определенных
своих тачках закреплена с помощью
электродов и держателей, имеющих
температуру значительно низшую,* чем
температура соприкасающейся с ними
раскаленной нити.
Распределение температуры вдоль
раскаленной нити, охлаждаемой дер-
жателями, можно представить диаграм-
мой фиг. 9-1.
Из диаграммы видно, что макси-
мальное значение температуры Тт
имеет место в промежутках между точ-
ками закрепления нити и уменьшен-
ное — в точках закрепления А, В, С
и D. Очевидно, что в этих точках мож-
но будет наблюдать и соответствующие
изменения таких характеристик нити,
как излучаемая мощность, световой по-
ток и т. д. Эти изменения имеют ма-
ксимальное значение на участках нити,
соприкасающихся с наиболее толстыми
электродами. Так, если диаметр элек-
трода равен или больше шести диамет-
ров нити, то температура нити у элек-
тродов То снижается примерно на 75 %
по сравнению с максимальной темпера-
§9-2]
УРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
8Л
турой нити, измеряемой между элек-
тродами. Держатели, выполняемые из
более тонкой молибденовой проволоки,
охлаждают нить значительно меньше.
Это охлаждение зависит от соотноше-
ния диаметров вольфрама и молибде-
новых держателей, а также и от ма-
ксимальной температуры нити.
Соответственно изменению темпе-
ратуры в отдельных участках нити ме-
няются и общие характеристики ламп.
Это изменение характеристик увеличи-
вается вместе с увеличением количе-
ства точек закрепления нити и умень-
шением ее общей длины. Если принять
во внимание, что температура нити в
местах соприкосновения ее с держате-
лями ниже, чем температура на участ-
ках, не затронутых охлаждением, и что
холодный вольфрам обладает лучшей
электропроводностью, то, можно заклю-
чить, что общее сопротивление нити
будет также меньше и при одном и
том же напряжении сети через нить,
охлажденную электродами, должен
протекать и увеличенный ток. В связи
с этим по сравнению с идеальной
нитью увеличивается и температура ни-
ти в промежутках между держателями.
Для того чтобы нить работала при нор-
мальном температурном режиме, необ-
ходимо компенсировать уменьшение
сопротивления нити за счет охлажде-
ния соответствующим увеличением
длины. При этом необходимо учесть то
обстоятельство, что общий световой по-
ток, излучаемый данной нитью, в этом
случае будет меньше, чем световой по-
ток для идеальной нити; соответствен-
но этому уменьшится и световая отда-
ча. Уменьшение световой отдачи, при-
ходящееся на каждую охлаждающуюся
точку, в нормальных осветительных
лампах измеряется приблизительно
1—1,2%.
Очевидно, что подобного же рода
изменения будут относиться и ко всем
другим характеристикам нити (излу-
чаемая мощность, излучение электро-
нов, распыление нити и т. д.).
9-2. Уравнение распределения
температуры вблизи электродов
а) Вывод уравнения. Для
того чтобы определить изменения раз-
личных характеристик нити при ее
6*
охлаждении электродами, рассмотрим
нить, закрепленную в одном из элек-
тродов (фиг. 9-2), и подсчитаем баланс
тепла элемента нити dx, находящегося
на расстоянии х от электрода.
Для элемента нити с длиной dx,
диаметром d и площадью сечения S,
находящегося на расстоянии х от
Фиг. 9-2.
охлаждающего электрода, имеем сле-
дующее уравнение теплового баланса:
Pl+dP1=dP2 + dP2l (9-1)
где dPi — количество энергии, выде-
ляющееся в единицу вре-
мени в объеме нити dx\
dpi=I^TdJL.
Р] — количество энергии, притекающее
в единицу времени в объем эле-
мента dx от участков нити, об-
ладающей большей температурой,
равное
Px={k+dk)s№A ,
Vх Jx + dx
где (k-[-dk)—теплопроводность нити
в сечении х + dx,
[etn слг'град^
Р2—количество энергии, от-
даваемое элементарным
объемом в единицу вре-
мени, по направлению
участков нити, обла-
дающих меньшей тем-
пературой, равное
P2-kS
dT\
dx Jx 9
dP2 — количество энергии, теряемое
элементом в единицу времени
с поверхности за счет излуче-
ния и конвекции:
dP2 = nddxRT.
84
ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛА НАКАЛА ЭЛЕКТРОДАМИ
[гл. 9
Подставляя в уравнение баланса
величины Р], Р2, dP{ и dP2, имеем:
= *S(&) +nddxI^T
откуда после приведения
(9-2)
Умножаем и делим выражение
в прямых скобках на dx и замечаем,
что отношение приращения функции
к приращению аргумента ёсть произ-
водная, откуда имеем:
dx + dkS
= itddxRT — Vpa-±_.
*	* о
(9-3)
Принимая во внимание, что
бесконечно мало отличается
\ах Jx+dx
от (57) и что произведение dkS X
^\dxj отличается от произведе-
ния	на бесконечно малую
величину высшего порядка, имеем:
kS dx + dkS =
dx*	dx
= izddxRT — P?T^.	(9-4)
*	* о
Подставляя вместо dk— y^'l^-dx,
аТ ах
разделив уравнение на S и dx и обоз-
/2
начая через у2, имеем:
. d2T . dk idT \2 4Rr
(9-5)
(9-5) можно представить также в
следующей форме:
Г, d2T a. dk f^L )21 nd2 —
Iй dx2 + dT ydx ) J ~“
= vdRT — Pr°T, (9-6)
где miRT и /2г° — излучение и выде-
ление мощности для единицы длины
нити, а первая часть уравнения — по-
ток энергии вдоль нити.
Из (9-5) и (9-6) видно, что закон
изменения температуры по длине нити
зависит исключительно от факторов,
связанных с свойствами самой нити, и
не зависит от физических свойств
охлаждающих электродов.
Факторами, определяющими изме-
нение температуры по длине нити, яв-
ляются:
а)	‘теплопроводность материала
нити,
б)	изменение теплопроводности ма-
териала в зависимости от температуры,
в) излучательные свойства поверх-
ности нити RT,
г)	удельное сопротивление мате-
риала нити рг,
д)	диаметр нити d,
е)	величина проходящего через
нить тока I.
б) Решение (9-5). Метод
Форсайта и Вортинга. Закон
распределения температуры по длине
нити может быть выражен с помощью
одной из следующих функций темпера-
туры:
а)	разности между максимальной
температурой неохлажденной (средней)
части нити Тт и температурой Т точки
нити, отстоящей на расстоянии х от
электрода:
б)	разности отношений температур
неохлажденной части Тт и темпера-
туры исследуемой точки нити Т к тем-
пературе Тт:
(i-^-W(i-e) = A(x),
\	т /
. где 6 — -у-.
1 т
Функции (Тт — Т) и (1 — в), кото-
рые в дальнейшем в общем случае мы
будем обозначать через у для данной
нити и данной максимальной темпе-
ратуры неохлажденной части Тт. за-
висят также от некоторого постоян-
ного параметра Р.
§9-2]
УРАВНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
85
Исследования показывают, что за-
кон изменения температуры по длине
охлажденной части может быть пред-
ставлен в виде экспоненциальной
функции вида
у = е~Р(х+Хк) (9-7)
где у — функция (1 — 6) =	(Тт—Т);
х — расстояние точки нити с тем-
пературой Т от охлаждающего
электрода;
Р— параметр, определяемый ре-
жимом работы нити й ее диа-
метром;
хк — константа, зависящая от при-
нятой системы координат;
е — основание натуральных лога-
рифмов.
Графически функция (9-7) может
быть представлена в следующем виде
(фиг. 9-3).
За начало координат принимается
точка, соответствующая температуре
То, равной температуре электрода. При
х — О
или
у — _ 1пЛ — _1п <1— %)
«“ Р ~ Р ‘
При х — оо
Ло = °,
при X = — хк
У1 = 1-
Дифференцируя (9-7), имеем
dy = e + pjdx = —yPdx.
(9-8)
Из (9-8) имеем:
откуда, выполняя подстановку значе-
ний у и дифференцирование, получаем:
Для j/=(rm —Г)
g.=P(7„-7).	(9-10)
Для yt = (1 — 6)
.^=Р(1-6).	(9-11)
Определение параметра -Р.
Для определения параметра Р из урав-
нения (9-5) выполняем подстановку
полученного значения из (9-10) и
„ d*T
значения второй производной а так-
„ dk
же производной которую находим
из известного уравнения k =f(Т).
После решения уравнения (9-5) отно-
сительно Р2 и некоторых дополни-
тельных преобразований приходим
к уравнениям следующего вида:
—
"АД9'12)
т1 т	г
в котором Q[ Р^d;
/2R
("«-	Р-13)
в котором Q —Pj/r, а г — радиус
нити.
Числовые значения Q для вольф-
рама при различных температурах Тт
приведены в табл. 9-1.
Пример. Рассчитать величины Q и
для вольфрамовой нити при Тт = 2 000 °К-
Таблица 9-1
Абсолютная температура г, <>к	1000	1 200	1 400	1 600	1 800	2 000	2 200	2 400	2 600	2 800	3 000	3 200
Q	0,079	0,116	0,156	0,196	0,238	0,284	0,328	0,375	0,422	0,470	0,519	0,569
'Зб
ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛА НАКАЛА ЭЛЕКТРОДАМИ
(гл. 9
Из характеристических таблиц для воль-
фрама имеем:
Rm = 24,04 вт/см*, km « 1,11 вт/см-* град~\
= 4,93 и пр = 1,1 §6.
После подстановки этих величин в (9-3)
получаем:
Q = 1/",.2>?.1’04- (4,93 — 1,186) =
Г 1,11-2 000	'
= /0,0217-3,75 = 0,286;
Qi = 1,415 Q = 1,415-0,286 = 0,404.
9-3. Определение температуры
в различных точках раскаленного тела
а)	Температура электро-
дов. Температура электродов, подво-
дящих электрический ток к нити, за-
висит от условий нагревания электро-
дов раскаленной нитью и условий их
охлаждения. Последние определяются
теплопроводностью электродов, излу-
чательной способностью их поверх-
ности и охлаждающим действием
окружающей среды (газа). Температура
электродов, кроме того, в сильной
степени зависит от их размеров: диа-
метра Da и длины La. Если электроды
коротки и имеют большой диаметр,
то можно допустить, что температура
электродов равна температуре окру-
жающего воздуха или Го —	.
Для электродов, применяемых
в нормальных лампах накаливания,
с достаточной степенью точности
йожно принимать, что То = 0,257^.
б)	Определение темпера-
туры в отдельных точках
нити. Изменение температуры в за-
висимости от расстояния данной точки
нити от охлаждающего электрода, как
мы видели [см. (9-9)], можно выразить
уравнением
или
у- = — Pdx.
Интегрируя это уравнение в пре-
делах х =: а и х = 0 соответственно
у~уа иу=у0, имеем:
У а	а
Уй	о
ИЛИ
lnj/a — 1п_у0 = — Ра,
откуда
Уа=Уое~Ра> С9'14)
что можно получить также путем
деления уравнения уа — е v 7 на
—Рхк
уравнение у0 = е
Подставляя вместо уа и д/0 соот-
ветственно 1 — 6а и 1 — 90, можно по-
лучить температуру нити в любой
точке, находящейся на расстоянии а
от электрода, если известна темпера-
тура электрода То = 6ОГОТ.
Уравнение (9-14) в функции 6 будет
иметь вид:
(1 - V = (l -%)е~Ра. (9-15)
С помощью (9-15) можно опреде-
лить температуру нити $аТт в точке,
находящейся на расстоянии а от
электрода, и обратно определить рас-
стояние а точки с заданной темпера-
турой.
9-4. Определение эквивалентных
поправок длин нити для различных
характеристик
Рассматривая диаграмму распреде-
ления температуры по длине нити,
имеющей постоянную площадь сече-
ния (фиг. 9-4), можно заметить, что
площади, ограниченные кривой и осями
координат, выражают следующее:
Фиг. 9-4.
1. Площадь ограниченная кри-
вой, осью ординат, осью абсцисс и
произвольной ординатой, пропорцио-
нальна теплосодержанию участка нити
между точками О и Ь.
2. Площадь S2, ограниченная кри-
вой, прямой, параллельной оси абсцисс
§9-4]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПОПРАВОК
87
при Т = Т , и произвольной ординатой,
пропорциональна потере теплосодер-
жания на участке нити от неохлаж-
денной части до данной точки.
Соответственно этому абсцисса b
при условии S]=S2 определяет длину
Д£, эквивалентную уменьшению длины
данной нити применительно к идеаль-
ной нити, имеющей равномерную по
всей длине температуру Тт и одина-
ковое теплосодержание.
Аналитически для нити постоян-
ного сечения и бесконечно большой
длины это условие определяется урав-
нением
»
или J Ст Tdx =:
о
где Ст — теплоемкость материала на
единицу длины нити при данной тем-
пературе Г, являющейся в свою оче-
редь функцией расстояния х.
В связи с изменением температуры
по длине нити изменяется также и
величина остальных параметров, ха-
рактеризующих рабочий режим,—
удельное сопротивление материала
нити рг, энергетическая светимость RTf
видимая яркость Вг, термоэлектрон-
ная эмиссия ie и испарение вещества
нити пгт. Так как зависимость любой
из этих характеристик Н от темпера-
туры может быть представлена урав-
нением
Н — Н
где
то, принимая' во внимание уравне-
ние (9-15), зависимость характери-
стики Н от расстояния х данной точки
нити до электрода выразится уравне-
нием
Кривые изменения различных пара-
метров Н в зависимости от расстоя-
ния х представлены на фиг. 9-5.
По аналогии с нахождением экви-
валентных поправок к длине нити при
условии сохранения теплосодержания
можно получить выражения для экви-
валентных поправок b =	= 0,5 X
X(Zp— Lud) применительно к любой
из приведенных кривых. Поправки эти
представляют разность половинных
(9-16)
длин реальной нити, охлажденной
двумя электродами, и идеальной нити,
имеющей одинаковый суммарный па-
раметр (например, общую излучаемую
мощность или световой поток), зави-
сящий от соответствующей удельной
характеристики H.R, В, р, i и т. д. и
работающей при одной и той же тем-
пературе, равной Тт.
Как было показано выше, условие
эквивалентности аналитически может
быть выражено уравнением
Ь	0,5£
JdS, = J dS2 (9-18)
о	ь
или
I	0,51
^Hdx= {(Hm—H)dx. (9-19)
о	ь
Производя подстановку величины Я
из (9-17) в (9-19), имеем:
ъ
о
0,5
н = нт[1 - о - Рх\Пн-
(9-17)
(9-20)
.88
ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛА НАКАЛА ЭЛЕКТРОДАМИ
(гл. 9
После интегрирования (9-20) и ре-
шения его относительно b можно по-
лучить эквивалентные поправки &LK—
= b для желаемых параметров.
Форсайт и Вортинг дали следую-
щие выражения для различных попра-
вок:
Здесь Ан и Вн — числовые коэффици-
енты, соответствующие различным па-
раметрам нити и приведенные (9-21).
Взаимная зависимость Ан и Вн для
каждого параметра выражается соот“
ношением А„У2 В„.
П ’	п
0,88	|/г	у d
&LS — -р- — 0,88 —тг- = 0,622-~---теплосодержание,
°	*	ч	Q
1,00
Д£ — —р- = 1,0 -Q- = 0,707 -------выделяемая мощность
у	у (сопротивление),
2,25	i/Т”	У 5"
Д£ = —= 2,25 -^—= 1,59 -----------излучаемая мощность,
•К л	ч	ч
3,00 V7	УУ
^Ьс = -=г- =3,0 5^— = 2,12 -тт----световой поток,
F г	Q	У
3,85	-уг	Уа
&L. — ~п~ — 3,85 -тт— = 2,72 -----электронная эмиссия,
1	Р	Q	У
Д£ =-^ = 4,45^- = 3,14	— испарение.	(9-21)
т	р	Q	Ч
Уравнения (9-21) действительны для Эквивалентные поправки напряже-
температуры нити в месте соединения ний ДС/ для различных характеристик
с электродами То = -^ = 0,25 Тт. Это
соответствует диаметру электрода
D>6d (d— диаметр нити).
В некоторых случаях удобно экви-
валентные поправки длин заменить
эквивалентными поправками напряже-
ния &U. Эквивалентные поправки на-
пряжений Д{7 могут быть выражены
через AL следующим уравнением:
ДУ= Д£^-.
аь
Но из уравнения расчета идеаль-
ной нити следует
’/г
U = L
имеют следующие значения:
Д(7 = 0,88	= 1,244^^ ,
s	Q	Q t
1,00^= 1,415^^,
ДС7* = 2,25 У*У± = 3,18 ЦУ
Д1/л = 3,00 У^- = 4,24^:,
Ч	Ч
Д^ = 3,85	5,44
ч	Ч
Wn = 4,45	= 6,28^г.
V	ч
(9-24)
откуда
pTRT_]/r2pr/?r
dL-~yT~--yT- (9’22)
Для общего случая имеем:
ли _ дд V2рЛ _ ДЬ-2 V ptRt
V7 ~ yd
или
да 	Рт^т
Числовые значения Д{/ для воль-
фрамовой нити при различных темпе-
ратурах приведены в табл. 9-2.
Уравнения поправок &U. По-
правки Д£/ для различных параметров
можно выразить также в виде функ-
ции температуры нити Тт.
а)	Поправка для компенса-
ции сопротивления
1-й случай. При D^&d, Тт^>
> 1,200° К и То = 0,257?
&U = 0,9897-IO-5-?11’3,	(9-25)
р *	т ’	'	'
§ 9-41
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ПОПРАВОК
89
Таблица 9-2
Абсолютная температура, °К	Q, см-^з	ду/?, в	дур. в	в	в
1 000	0,079	0,066	0,15	0,20	0,26
1 200	0,116	0,089	0,20	0,27	0,37
1 400 •	0,156	0,112	0,25	0,34	0,43
1600	0,196	0,137	0,31	0,41	0,54
1800	0,238	0,162	0,36	0,49	0,62
2 000	0,284	0,189	0,42	0,57	0,73
2 200	0,328	0,217	0,49	0,65	0,84
2 400	0,375	0,246	0,55	0,74	0,95
, 2 600	0,422	0,276	0.62	0,83	1,06
2 800	0,470	0,308	о;б9	0,92	1,18
3 000	0,519	0,340	0,76	1,02	1,31
3 200	0,569	0,374	0,84	1,12	1,44
или
Д17р = 0,5 (0,00028Тт — 0,17). (9-26)
2-й случай. При и Тт^
< 1 200°К, То = 300°К
2-й случай. При D'Sz&d и Тт<
< 1 200°К, То == 300°К и яя>5
Д[/„ = 10~5Т1’3 (2,113 In пн + 1,153) —
— 0,00527 Т^3.'	(9-29)
Д[7 = 1,394- IO’5-Т1’3 —
р ’	m
— 4,894 -10-37^3.	(9-27)
б)	Поправки для компенса-
ции других характери-
стик ДГ/Я. Для любой характеристи-
ки Н величина поправки ДС7Я пред-
ставляет собой сложную функцию
пн И ^т-
Величина поправки Д£7Я может быть
выражена следующими уравнениями.
1-й случай. При D>Qd и Тт =
= 1 200°К, То = 0’25Тт и Пя > 5
Д£7Я = 10"5Т^3 (2,113 In пн + 0,709).
(9-28)
Упрощенные уравнения по-
правок Д£/я. Кроме приведенных
выше точных уравнений, в некоторых
случаях для приближенных расчетов
можно пользоваться эмпирическими
формулами:
Д{7Я = Р (ром) + Q ^Тооо) — К И
(9-30)
Числовые значения Р, Q и R для
различных параметров Н, температур-
ные пределы применимости уравнения,
а также максимальные ошибки, воз-
можные в указанных пределах, при-
ведены в табл. 9-3.
Для напряжения и сопротивления
к правой части уравнения (9-30) сле-
дует добавить 2,Ы0-8Тт.
Таблица 9-3
я	Р	Q	R	Пределы значений Тт. «к	Пределы значений То, °К	Пределы значений	Макси- мальная ошибка, в
Напряжение .	0,154	0,081	0,056	1000—2500	Любое зна-	0,1—0,5	0,004
Сила света . .	0,338	0,182	0,004	600—3800	чение 300—1400	1—5	0,1
Испарение . .	0,480	0,160	0,060	1500-3500	300—900	0,7—5	0,008
Излучение в ваттах . . ,	0,293	0,160	0,084	1100—3000	300—900	1—4	0,01
90
ОХЛАЖДЕНИЕ ТЕЛА НАКАЛА ЭЛЕКТРОДАМИ
[гл. 9
Таблица 9-4
н	Ро	5	Пределы значений гт.°к	Максимальная ошибка, в
Напряжение		0,148	0,08Q	1 000—2 500 •	0,004
Сила света 		0,338	0,051	600—3 500	0,01
Электронная ЭлМиссия		0,439	0,119	1 000—3 500	0,007
Испарение		0,477	0,103	1 500—3 500	0,001
Излучение, впг		0,287	0,121	1 000—3 100	0,01
При коротких и толстых вводах
TQ = 300° в этом случае справедливо
следующее приближенное уравнение:
Числовые ’значения PQ и S для раз-
личных параметров Н приведены в таб-
лице 9-4.
9-5. Применение поправок при расчете
реальной нити
Уравнения (9-21) и (9-24) выражают
поправки, определяющие разность длин
AL и напряжений ДС7 между реальной
нитью с охлажденным концом и нитью,
имеющей равномерную температуру
по всей длине и обладающей эквива-
лентными характеристиками. Выраже-
ния AL и относятся к случаю од-
ностороннего охлаждения нити одним
электродом и непосредственно могут
применяться лишь к половине нити,
расположенной между двумя охлаж-
дающими точками.
В реальных условиях нить может
охлаждаться:
а)	через подводящие ток электро-
ды, дающие совместные поправки, от-
вечающие для всей длины нити вели-
чинам 2Д£ЭЛ и 2Д(7ал;
б)	через опорные держатели с по-
правкой 2Д£д или 2^Ud на каждую ох-
лаждающую точку.
Таким образом, поправка, выражен-
ная в сантиметрах (1L) и вольтах
(Д[7), для нити, охлаждаемой двумя
подводящими ток электродами и п
поддержками, равна:
2Д£ = 2Д£эл + 2иД£ал, ।
2Д£7 = 2 ДС7 -J- 2пД[7	(9'32)
&Л •	&л
В связи с различным охлаждаю-
щим^действием более толстых элек-
тродов и тонких держателей поправки
Д£ал и Д(/эл должны отличаться соот-
ветственно от Д£д и Д[7д. Так, для
электродов пустотной лампы 115 в 40
вт при Тт = 2 450°К, L = 51 см и d —
= 0,0038 см температура электродов
Т'
равна То = 610°К, а для молиб-
деновых крючков Г ^ 1750° К, или
0,7157^.
Уравнения (9-21) и (9-24) могут при-
меняться лишь в случае толстых (не
менее шестикратного диаметра по от-
ношению к диаметру нити) электро-
дов, дающих приблизительное соотно-
Т
шение TQ =	. В случае других тем-
пературных соотношений, имеющих,
например, место при охлаждении нити
молибденовыми держателями, эквива-
лентные поправки и &Ud могут
быть определены в функции ALat и
Д[/эл графическим методом.
Это производится следующим об-
разом.
а)	На кривой изменения темпера-
туры по длине охлаждаемой нити
(фиг. 9-6) находят точку, соответ-
ствующую температуре нити у держа-
теля, и через эту точку проводят ор-
§9-5]
ПРИМЕНЕНИЕ ПОПРАВОК
91
динату 0ьу, тогда Ot будет новым на-
чалом координат.
б)	На основании (9-4) проводят ли-
нию Ь{сь отсекающую от площадей,
ограниченных соответствующей выб-
ранной характеристикой кривой Н
(р, /?, В, I) и осями координат, равно-
великие площади Sj и S2 (горизонталь-
ная штриховка).
в)	Тогда можно написать:
^ = ^ = т(т<^>
откуда
Окончательно уравнение (9-32)
может быть выражено:
2Д£ = 2Д£эл(1 + пт), ।
2Д[/ =-2Д[/эл(1 + пт). J
(9-33)
Величина коэффициента т может
быть выражена в функции отноше-
Т
ния ~ zz: 6 и построена в виде кри-
вой. Величина 0д в свою очередь за-
висит от материала держателя, формы
тела накала (прямолинейная нить или
спираль) и относительных размеров
(диаметров) нити и держателей. Аб-
солютное значение Тд, кроме того, за-
висит также от максимальной темпе-
ратуры нити Тт.
При использовании выведенных по-
правок для расчета тела накала обык-
новенно исходят из условий сохране-
ния его заданной максимальной ра-
бочей температуры Тт, определяющей
срок службы лампы. Введение попра-
вок в расчет идеальной нити при этом
сопровождается также условием со-
хранения постоянства рабочего напря-
жения лампы и потребляемой ею мощ-
ности.
Для сохранения Тт = const при по-
стоянном напряжении является необ-
ходимым и достаточным введение по-
правки в длине нити, компенсирую-
щей охлаждающее действие электро-
дов и связанное с ним уменьшение
сопротивления нити на величину Д£р
или Д{/ .
р
Таким образом, если Lud — длина
нити, полученная из расчета идеаль-
ной нити; Lp — длина реальной-нити,
обладающей при условии охлаждения
сопротивлением идеальной нити, рас-
сматриваемой при той же Тт, то
(9-34)
где
= (М5)
р	ьид	ид
ИЛИ
Lp=Lad + ^Le. (9-36)
Соответственно этому при сохра-
нении постоянных электрических ха-
рактеристик и максимальной темпера-
туры Тт прочие наблюдаемые харак-
теристики, как световой поток, излу-
чаемая мощность, электронная эмис-
сия, вследствие охлаждающего дей-
ствия электродов и держателей будут
иметь меньшие значения по сравнению
с идеальной нитью с длиной, равной Lp
при той же максимальной темпера-
туре Тт
где
tz-t-sdi/p
или
„ _ Нт _ "т (U + SAI/P -
fH~	-(У-38)
Так, световой поток вольфрама
вычисляется по формуле
F„ = l,06*ir2L £?В	(9-39)
т ’	р т '	'
(коэффициент 1,06 учитывает от-
клонение излучения вольфрама от за-
кона Ламберта).
Величину светового потока можно
выразить в функции поправок длин:
L
.Р = ^=^\~^>, (9.40)
/F	к
или
F- . (9.4|)
Lua + ^Lf
92
РАБОТА ТЕЛА НАКАЛА В АТМОСФЕРЕ ГАЗА
[гл. 10
После подстановки в (9-40) и (9-41)
значения FOT из (9-39) окончательно
имеем:
F = 1,06^Вот(^ - SALf), (9-42)
F = 1,06^ Bm (Lud -I- SALp - £A£f).
(9-43)
' Так как мощность лампы остается
постоянной, то световая отдача нити
с введенными поправками изменяется
в том же отношении.
Световая отдача излучения в случае
реальной нити вследствие отвода тепла
электродами и держателями, вообще
говоря, не будет равняться общей све-
товой отдаче лампы.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
РАБОТА ТЕЛА НАКАЛА В АТМОСФЕРЕ ГАЗА
10-1. Основные явления при передаче
тепла в газовой среде
До сих пор предполагалось, что те-
ло накала работает в вакууме, и по-
этому единственным способом передачи
энергии с поверхности нити в окружаю-
щее пространство было излучение.
Если тело накала окружено газооб-
разной средой, то эта среда участвует
в его охлаждении. При дальнейшем
рассмотрении предполагается, что га-
зовая среда, окружающая тело накала,
химически совершенно инертна по от-
ношению к материалу тела, т. е. не об-
разует с ним при рабочей температуре
химических соединений. Кроме того, из
рассмотрения полностью исключаются
явления термической и электрической
диссоциаций молекул и атомов газа,
сопряженные с дополнительными поте-
рями тепла.
Здесь можно различать два основ-
ных, случая:
а)	Газ находится в разреженном
состоянии, когда средняя длина свобод-
ного пути молекул больше размеров
включающего его сосуда.
б)	Давление газа таково, что длина
свободного пути очень мала по сравне-
нию с размерами сосуда.
Если окружающий газ находится
при очень небольшом давлении, то со-
гласно кинетической теории газов ме-
ханизм отдачи тепла можно .предста-
вить себе в следующем виде.
Отдельные молекулы газа, находя-
щегося в разреженном состоянии, со-
прикасаются с раскаленной поверх-
ностью нити, в результате чего повы-
шается их полная кинетическая энер-
гия; после этого молекулы газа уда-
ляются от поверхности нити к поверх-
ности стенок баллона, причем если
длина среднего свободного пути дан-
ной молекулы больше, чем расстояние
от поверхности нити до стенки балло-
на, то весьма вероятно, что первым
столкновением такой молекулы с твер-
дым телом будет столкновение ее со
стеклянной стенкой. В результате этого
тепловая энергия, которой располагает
данная молекула, будет частично отда-
на непосредственно стенке. Такая пере-
дача тепла соответствует условиям
охлаждения нити газом, находящимся
в сильно разреженном состоянии, на-
пример остаточными газами в плохо
откачанных вакуумных лампах. Когда
газовая среда обладает достаточно
большим давлением, характеризую-
щимся тем, что средняя длина свобод-
ного пути молекулы меньше, чем раз-
мер самого сосуда, то отдельные моле-
кулы газа, соприкоснувшись с поверх-
ностью нити, могут попасть на стенки
стеклянного баллона лишь после мно-
гократных столкновений с другими мо-
лекулами газа, находящимися в сосуде.
В таких случаях передача тепла проис-
ходит путем диффузии тепла в среду
газа, которую мы рассматриваем как
многократную последовательную пере-
дачу энергии от молекул, более близ-
ких к нити, более далеким и, наконец,
стенкам стеклянного баллона. Такого
рода механизм передачи соответствует
условиям работы обыкновенной газона-
полненной лампы, в которую вводится
инертный газ при давлении, близком
к атмосферному. Средняя длина сво-
бодного пути молекул при таком дав-
лении соответствует стотысячным до-
лям сантиметра, поэтому молекулы га-
§ 10-2]
ОТВОД ТЕПЛА ГАЗОМ ПРИ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ
93
за в своем движении претерпевают ча-
стые столкновения, сопровождаемые
взаимным обменом энергией.
Передача тепла при этих условиях
определяется законами теплопроводно-
сти. Эти законы при нормальных тем-
пературах достаточно хорошо изучены,
и при подсчете подобных потерь не
встречается каких-либо серьезных за-
труднений. При высоких температурах,
какие имеют место вблизи поверхности
нити газонаполненной лампы, эта пере-
дача более сложна. Однако можно ска-
зать, что теория располагает вполне
надежным аппаратом, для того чтобы
достаточно точно определить эти по-
тери аналитическим путем.
10-2. Отвод тепла газом при низких
давлениях
Отвод тепла газом от раскаленной
нити при низких давлениях может быть
описан с помощью нижеследующих
формул, действительных при давле-
ниях, .меньших 500 бар, т. е. при давле-
ниях, меньших 0,35 мм рт. ст. Эти фор-
мулы дают возможность подсчитать от-
вод тепла при всех случаях, когда в
атмосфере, окружающей нить, есть
остаточные газы, вызванные нагрева-
нием колбы.
Для одноатомных газов и паров —
аргона, криптона, ксенона, ртути
и т. д. — потери тепла с одного ква-
дратного сантиметра поверхности в
ваттах Р' могут быть выражены сле-
дующей формулой:
pt  Р   0,00228 . tip (Т 7\) НО-])
где а — коэффициент аккомодации;
р — давление газа, выраженное
в барах;
р. — молекулярный вес газа;
Т — температура нити, °К;
Г]—температура стенок колбы,
°К.
Коэффициент аккомодации характе-
ризует собой среднее относительное ко-
личество тепла, отведенного в среднем
молекулой газа от нити, по сравнению
с количеством тепла, которое молекула
может отвести при достижении ею ма-
ксимального температурного уровня
(температура нити). Коэффициент ак-
комодации зависит от природы газа, от
природы вещества нити и состояния ее
поверхности; его величина может быть
выражена уравнением
а =	(10-2)
где Т’ — температура газовых молекул
после их столкновения;
Т । — температура	молекул до
столкновения с нитью;
Т — температура нити.
Величины коэффициентов аккомода-
ции для различных газов и вольфрама,
а также величины их молекулярных ве-
сов приводятся в табл. 10-1.
Таблица 10-1
	Ртуть	Аргон	Азот	Водород
а	0,95	0,85	0,57	0,20
	200,61	39,944	28,016	2,0156
Для двухатомных газов, как азот,
водород и другие газы, уравнение
(10-1) изменится:
Р’-
Р _ 0,00121 ар(Т —ГО
•KdL ~ я (к— 0
[втсм~2].
(10-3)
Здесь представляет собой отно-
шение теплоемкости при постоянном
давлении к теплоемкости при посто-
янном объеме.
Для различных газов величина у
имеет следующие значения:
для одноатомных газов 1,666;
для двухатомных газов у = 1,40;
для трехатомных газов у = 1,29.
Если считать, что температура сте-
нок колбы для вакуумных ламп рав-
на около 300°К, то можно ввести со-
ответствующие упрощения и получить
ряд уравнений для различных газов:
для ртути
Р' _ 8,84-202» р (Г — Tj), (10-4)
для аргона
P'=.17,7'J0-p(T —Г,). (10-5)
94
РАБОТА ТЕЛА НАКАЛА В АТМОСФЕРЕ ГАЗА
(тл. 10
для азота

Проще всего считать, что мы имеем
здесь дело с обычной теплопровод-
(10-6) ностью (фиг. 10-1).
для водорода
р, _	(г _ Tt). (10-7)
Из этих уравнений можно видеть,
что при низких давлениях потери тем
меньше, чем выше молекулярный вес
наполняющего газа. Наиболее легкие
газы, как водород и гелий, дают и боль-
шие потери; так, для водорода они при-
близительно в 3 раза больше, чем для
ртутных паров. Этим объясняется то
обстоятельство, что водород применяет-
ся в бареттерах, в которые газ вводит-
ся в целях охлаждения нити. В тех
случаях, когда необходимо получить
наименьшие потери на охлаждение га-
зом, должно применять и максимально
тяжелые газы.
Приведенные выше формулы на
практике могут быть использованы для
различных подсчетов, например для оп-
ределения низких давлений с помощью
манометра, основанного на изменении
электрического сопротивления нити при
ее охлаждении окружающим газом.
В некоторых случаях этими формулами
можно воспользоваться также для ис-
следования действия различных погло-
тителей. Температура нити в этом слу-
чае может быть определена с помощью
пирометра.
10-3. Отвод тепла газом
при высоких давлениях
Явления передачи тепла в лампах
накаливания при высоких давлениях
газа, существенно отличаются от явле-
ний, • имеющих место в случае низких
давлений.
Так, если наполнить колбу лампы
газом при более высоких давлениях, то
средняя Длина свободного пути моле-
кул будет весьма мала, и вследствие
этого молекула, соприкоснувшись с
раскаленной поверхностью нити на пу-
ти до стеклянной стенки, предваритель-
но большое количество раз столкнется
с другими молекулами. При этом ее
первоначальная энергия будет частично
рассеяна в окружающем газе.
Фиг. 10-1.
Передача тепла за счет теплопро-
водности выражается следующим
уравнением:
dQ = — kj^dSdt. (10-8)
где dQ — количество тепла, проводи-
мое через данное сечение
в данный промежуток вре-
мени dt;
k — коэффициент пропорцио-
нальности, носящий назва-
ние коэффициента теплопро-
водности;
dT
fa—градиент температуры;
dS — сечение элементарного теп-
лового потока, или элемент
площади, через который про-
ходит рассматриваемый по-
ток.
На самом деле при передаче тепла
от раскалённого тела, находящегося в
газовой среде, наблюдаются более
сложные явления. Эти явления возни-
кают вследствие подвижности газовой
среды, отдельные молекулы которой,
кроме беспорядочного теплового дви-
жения, могут участвовать в движении
так называемых конвекционных пото-
ков. Конвекционные потоки газа могут
возникнуть у поверхности раскаленного
тела под влиянием силы тяжести в слу-
чае нарушения равномерности темпе-
ратуры и плотности газовой среды, в
разных ее частях. Такие «свободные
конвекционные потоки» направляются
от- поверхности раскаленного тела
вверх, и в замкнутом пространстве га-
за, заключенного, например, в стеклян-
ный цилиндрический . баллон с раска-
ленной нитью, расположенной по оси,
§ 10-3)
ОТВОД ТЕПЛА ГАЗОМ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ
95
устанавливается циркуляция частиц
газа по направлению стрелок, как ука-
зано на фиг. 10-2.
При таких условиях теплопередача
изменяется и уравнение Фурье может
быть применено лишь при известных
допущениях; так, Ленгмюр, рассматри-
вая процесс передачи тепла при нали-
чии свободной конвекции, заметил, что
течение конвекционных потоков в не-
посредственной близости от раскален-
Фиг. 10-2.
ной поверхности затруднено вследствие
большей вязкости нагретого газа. В свя-
зи с этим слой газа, непосредственно
примыкающий к раскаленной поверх-
ности, имеет весьма малую скорость
конвекционного движения, которая по-
степенно увеличивается при переходе к
более удаленным от раскаленной по-
верхности слоям. Это дало ему основа-
ние считать слой газа, прилегающий к
раскаленной нити, практически не уча-
ствующим в конвекции и предполо-
жить, что тепло передается через этот
устойчивый или застойный слой путем
теплопроводности.-
При таком представлении можно
вообразить некоторый устойчивый слой
газа, облегающий нить, имеющий из-
вестную толщину, через который тепло
проходит исключительно за счет тепло-
проводности. За границами этого слоя
тепло проходит уже по другим зако-
нам, так как здесь газовые молеку-
лы, кроме теплового движения, уча-
ствуют в движении конвекционных по-
токов и температура распределяется
в пространстве почти равномерно.
Очевидно, что ближайшей задачей
является определение эффективной тол-
щины такого слоя, под которой нужно
понимать расстояние от поверхности
раскаленной нити в радиальном на-
правлении. до точки, в которой гра-
диент температуры незначителен и
участие в конвекционном отводе тепла
по сравнению с отводом тепла путем
простой теплопроводности будет преоб-
ладать. Эта толщина застойного слоя
или пленки была определена экспери-
ментально и оказалась зависящей от
многих факторов, определяемых при-
родой и состоянием окружающей среды
и раскаленного тела. Толщина этого
слоя, так же как и условия охлажде-
Фиг. 10-3.
ния, зависит от формы и размеров рас-
каленного тела, а также от расположе-
ния его в данном замкнутом простран-
стве. Очевидно, что размеры и конфи-
гурация баллона, в котором происходит
нагревание тела, также играют при пе-
редаче тепла существенную роль.
Расчет количества тепла, отводимо-
го газом от горизонтальной раскален-
ной нити в цилиндрическом баллоне
достаточного диаметра, большего, чем
диаметр застойного слоя, может быть
выполнен следующим образом.
При работе раскаленного горизон-
тального тела А (фиг. 10-3), имеющего
диаметр dm, расположенного коакси-
ально в цилиндрической колбе С, воз-
никают потоки газа; при этом вокруг
тела образуется слой газа диаметром
dc, не участвующий в общем движе.
нии потока.
Можно доказать, что при устано-
вившемся режиме потери тепла через
газовую среду могут быть выражены
уравнением
г2
PK=KF^kdT, (10-9)
т,
где Рк — потери тепла, emjcM2;
Т2 — температура тела накала А,
°К;
?! —температура газа на внешней
поверхности слоя, °К;
96
РАБОТА ТЕЛА НАКАЛА В АТМОСФЕРЕ ГАЗА
[гл. 10
f
k — коэффициент теплопроводно-
сти газа;
/CF—коэффициент, зависящий от
формы* раскаленного, тела и
расположения его поверхно-
сти относительно конвек-
ционных потоков.
Для всякого установившегося про-
цесса отвода тепла можно написать:
. dP= — k^dS, (10-10)
где dP — количество тепла, отводи-
мого в секунду через поверх-
ность dS;
k — коэффициент теплопровод-
ности газа;
dT — разность температур на рас-
стоянии dx по направлению,
перпендикулярному к dS.
Если поток тепла распределен рав-
номерно по всей поверхности S, то
можно разделить переменные и инте-
грировать следующим образом:
^kdT=PK^, (10-11)
где Рк— потери тепла в калориях в
секунду;
k — функция только Г;
S -г- функция только х (что, во-
обще говоря, справедливо
лишь для плоской цилин-
дрической и сферической по-
верхностей).
При выражении потерь в ваттах
имеем:
4,19^Г
(Ю-12)
J s
а)	Для горизонтального ци-
линдра радиуса гт, длины I, окружен-
ного слоем газа диаметра dc и радиуса
г , имеем:
С1
С	» Г
= ~ ( dlnr= -й-Нп-г .	10-13)
2nl J	2к1 'т	'
гт
Если Рк — мощность, отводимая от
поверхности проволоки на единицу
длины (1 см), то, принимая темпера-
туру поверхности нити Т2 и темпера-
туру окружающего газа 7\, имеем:
т2
После подстановки в уравнение
(10-14) значений
т
Ф=4,19р</Г
. о
т,' 2тс 2ти
In—s	ln_£-
m	nt
имеем:
т2
P\=K'v-4,\^kdT=
Tx
=^•4,19
0
Tx
0
или
р'=^(ф2-ф,) [вт].
б)	В случае плоской по-
верхности площадью S с приле-
§ 10-4]
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ И ДИАМЕТРА ЗАСТОЙНОГО СЛОЯ
97
Таблица 10-2
Ф в ваттах на 1 см в зависимости от температуры Т °К
т. °к	Водород	Воздух	Пары Hg	n2	86% Аг-Ь 4- 14% N2	Аг	80% Кг+ 4- 20% Аг	Кг	'90% Кг4- “+10% Хе	Хе
0	0,0000	0,0000								
100	0,0329	0,0^41	—						—	—	—	—-
200	0,1294	0,0168	—			—				—	—	—	—
300	0,278	0,0387	—	0,06	0,05	0,08	0,03	0,02	0,01	0,008
400	0,470	0,0669	__	0,09	0,07	0,05	0,04	0,03	0,02	0,01
500	0,700	0,1017	0,0165	0,125	0,10	0,08	0,05	0,04	0,03	0,02
700	1,261	0,189	0,0356	0,212	0,165	0,14	0,09.	0,07	0,06	0,035
900	1,961	0,297	0,0621	0,33	0,25	0,22	0,14	0,12	0,11	0,06
1 100	2,784	0,426	0,0941	0,47	0,34	0,3	0,19	0,17	0,15	0,10
1 300	3,726	0,576	0,1333	0,63	0,45	0,4	0,25	0,23	0,22	0,13
1500	4,787	0,744	0,1783	0,80	0,57	0,5	0,32	0,30	0,28	0,178
1 700	5,945	0,931	0,228	0,975	0,68	0,62	0,40	0,38	0,35	0,22
1 900	7,255	1,13	0,284	1,175	0,80	0,74	0,46	0,42	0,39	0,26
2100	8,655	1,363	0,345	1,398	0,95	0,85	0,55	0,5	0,47	0,3
2*300	10,18	1,608	0,411	1,625	1,Ю	0,98	0,65	0,58	0,55	0,35
2 500	11,82	1,871	0,481	1,90	1,26	1,12	0,75	0,65	0,61	0,4
2 700	.13,56	—	0,556	2,25	1,45	1,27	0,85 .	0,74	0,70	0,45
2 900	15,54		-	0,636			1,62	1,42	0,95	0,83	0,78	0,52
3100	17,42 •	—	0,719	—	1,85	1,60	1,05	0,90	0,85	0,57
3 300	19,50	—-	0,807	—	—	—.	—	—	—	—
3 500	21,79	—	0,898	—	—	—	—	—	—	—
гающей к ней пленкой газа, обладаю-
щей толщиной В9 вместо выражения
(10-13) имеем:
в
о
и соответственно
г2
Тх
или при af =-g-
(10-17)
= тНф2-ф1)вт= <(ф2-ф1)вт- (Ю-18)
Числовые значения функции Ф для
различных газов при различных тем-
пературах указаны в табл. 10-2. Гра-
фическое изображение функции Ф от
температуры представлено на фиг. 10-4.
10-4. Определение толщины и диаметра
застойного слоя
Согласно теории застойного слоя в
первом приближении тепловые потери
накаленной нити, окруженной газом,
при свободной конвекции могут быть
сравнимы с передачей тепла через ста-
ционарный, неподвижный слой газа,
окружающий нить, исключительно пу-
тем теплопроводности.
Однако экспериментальные исследо-
вания показали, что в действитель-
ности, даже на очень близком расстоя-
нии от нити, температурное поле иска-
жается конвекционными потоками и ре-
зультаты расчетов на основе теории за-
стойного слоя не вполне точны, хотя и
представляют достаточную базу для
технических расчетов.
Для определения толщины застой-
ного слоя b можно использовать урав-
нение (10-19), выведенное на основании
применения принципа подобия и экспе-
риментальных данных:
, / k \ гп г________б_______-1 п
-т	J ’
(10-19)
где b — эффективная толщина застой-
ного слоя, см\.
ф — экспериментальный коэффи-
циент, зависящий от системы
Подобного тела, принятого при
выводе уравнения;
— основной характеризующий раз-
мер тела накала, см;
7 А. П. Иванов.
98
РАБОТА ТЕЛА НАКАЛА В АТМОСФЕРЕ ГАЗА
[гл. 10
k — теплопроводность окружаю-
щей среды при температуре
Та=, вт см'1 град'1;
т| — коэффициент вязкости среды
при Та в пуазах на 1 см;
ср—удельная теплоемкость при
давлении р —const и темпера-
туре Та, дж г'1 град'1;
тип — экспериментальные коэффи-
циенты;
— кинетическая вязкость или
коэффициент диффузии среды
при Та> см2 сек'1;
р — плотность среды, г см'3;
g—ускорение силы тяжести
980,6 см/сек2;
Т2иТг—температуры поверхности те-
ла и окружающей среды, °К;
р — коэффициент изменения плот-
ности на 1°/0, для идеального
газа р=1/27з-
В случае идеальных газов множи-
/ k \m 1
тель f---\ =- i и незначительно из-
меняется для -различных газов.
Поэтому можно принять
b=i/ d Г-------*--^Г[сл«1. (10-20)
В табл. 10-3 приведены данные для
непосредственного использования фор-
мулы (10-19) при подсчете толщины
застойного слоя b для различных га-
зов.
При использовании этой таблицы
толщина застойного слоя b может
быть вычислена по формуле
b-ad^ Г	<г1 + г2)а/2	I0,54
m |р (f i + Т2 + 2С) Vт2— rj ’
(10-21)
где
о .Г Н.760	10.54
а=2,6 ——гг	;
• |_2 /2 Рр /2 g J
Н и С — постоянные.
Для горизонтального цилиндра в
любой жидкости или газе при свобод-
ной конвекции т=0,25; лг=0,54 и
ф=2,6. При диаметре цилиндра dm и
длине L из (10-14) и (10-15) при dc =
=2bi+dm величину потерь на тепло-
проводность и конвекцию можно по-
лучить в следующем виде:
p.=~S^T\	(10-22>
inf—LT m )
При низких давлениях газа вслед-
ствие большой разницы температур
поверхности тела и окружающего газа
формула (10-19), экспериментально
проверенная при высоких давлениях,
дает неточные значения. Для низких
давлений можно применить следующее
уравнение:
I/ 1	1 \ 1
(10-23)
где k—коэффициент теплопровод-
ности газа, вт см'1 град'1;
L — длина тела накала, см;
Т2— температура тела накала, °К;
Тх — температура стенок колбы;
rm — радиус раскаленного тела
накала, см;
г0 — радиус цилиндрической колбы,
см;
у — поправочный коэффициент,
пропорциональный длине сво-
бодного пути молекул.
Если у0— значение у при 1°К и
Яо — свободный путь молекулы газа
при давлении р и 1°К, то
Таблица 10-3
Газ		р-10», г см3	а	Газ	7]» 10е	р-103, г см3	а
н2	86	0,08987	0,459	Кг	235	3,78	0,12
N2 Аг	166 210	1,25 1,78 '	0,163 0,163	X	211	5,85	0,0939
86% Аг+14% N2	203	1,76	0,163	80% Кг + 20% Аг	226	3,5	0,12
§ 10-5]
ВЛИЯНИЕ ТЕЛА НАКАЛА НА ТЕПЛОВЫЕ ПОТЕРИ
99
где
1 а— 2	’
dт	dc
Kpotae того, гт=-^ и —
2&i -f- dm
=-----2---’ вследствие чего поправоч-
ный член будет иметь вид:
Уравнение потерь соответственно
будет:
• __________2дЬ (Ф2 — ф1)________
* / \ / 1 1 \
lnt) + 27oV°Un ~ М
[вт].
(10-24)
При увеличении давления умень-
шается 20, соответственно и попра-
вочный член делается по величине
незначительным.
10-5. Влияние размеров и конструкции
тела накала на тепловые потери
в атмосфере газа
а)	Влияние диаметра тела
накала. Из (10-21), определяющего
толщину застойного слоя газа, для
двух цилиндрических нитей диаметра
и d", работающих при одной и той
же температуре в атмосфере одного
и того же газа, находящегося при
равных давлениях и прочих равных
условиях, можно получить следующее
равенство:
21
(10-25)
Это показывает, что толщина за-
стойного слоя газа, от которой зависят
тепловые потери, при изменении диа-
метра изменяется очень мало и тепло-
вые потери в газе, приходящиеся на
единицу поверхности тела накала для
нитей малого диаметра, будут больше,
чем для нитей большого диаметра; дей-
ствительно, так как
2(Ф2 —Фр
/2bl-\-dln \
\ dm )
(10-26)
Р
о
к

где pQK—тепловые потери в газе, при-
ходящиеся на единицу по-
верхности тела накала,
то для двух нитей диаметров dm и dm,
работающих при одинаковых темпера-
турных и прочих условиях, можно
получить:
(10-27)
т. е. удельные тепловые потери.на кон-
векцию и теплопроводность в газе об-
ратны диаметрам тел накала.
Отсюда следует, что световая отда-
ча тел накала, работающих в атмосфе-
ре газа при одинаковой температуре и
прочих равных условиях, будет тем
больше, чем больше их диаметр.
б)	Влияние длин ытела на-
кал а. Из (10-22) легко видеть, что
для сплошных цилиндрических нитей
одинакового диаметра, работающих при
одной и той же температуре и прочих
равных условиях, потери тепла в газе
пропорциональны длине. Так как излу-
чение света раскаленным сплошным
цилиндрическим телом также пропор-
ционально его длине, то световая от-
дача раскаленных нитей, работающих
в газе, не зависит от их длины, если не
считаться с другими побочными факто-
рами, например охлаждением нити
крючками и вводами, которое для
коротких нитей имеет большое значе-
ние.
В тех случаях, когда уменьшение
эффективной длины нити не вызывает
пропорционального уменьшения излу-
чаемого нитью светового потока, как
это имеет место при спирализ/ации ’ни-
ти, световая отдача увеличивается за
счет этого фактора.
в)	Влияние расположения
нити. Условия движения свободных
конвекционных потоков у поверхности
раскаленного тела зависят от формы
тела накала, положения его в про-
странстве и расположения его частей от-
носительно соседних раскаленных участ-
ков и стенок баллона. Играет роль
также и система крепления нити в бал-
лоне. Соответственно этим факторам
7*
100
РАБОТА ТЕЛА НАКАЛА В АТМОСФЕРЕ ГАЗА
[гл. 10
изменяются толщина застойного слоя
газа и условия охлаждения нити.
В формуле (10-19) влияние этих фак-
торов отражают коэффициенты ф,
т и п.
Большое практическое значение
имеет относительное расположение от-
дельных частей раскаленной нити. Так,
если разместить две одинаковые рас-
каленные нити в атмосфере аргона и
изменять расстояние между ними, то
изменение общего излучаемого потока
F и тепловых потерь на охлаждение
газом Рк будет протекать, как пока-
зано на фиг. 10-6.
ю
8
В
Ь
2
01 234S 8788 10мм
Фиг. 10-5.
. Из кривых фиг. 10-5 видно, что при
изменении расстояния между нитями
излучение меняется по величине лишь
в пределах 0—0,3 мм расстояния между
нитями и далее остается постоянным,
в то время как тепловые потери в газе
изменяются вместе с расстоянием при-
мерно до 5 мм. Отсюда следует, что
при расстоянии, большем 0,3 мм, в
этом случае суммарная световая отда-
ча обеих нитей тем больше, чем мень-
ше расстояние между ними; это объяс-
няется тем, что неподвижные слои га-
за, окружающие обе нити, перекры-
вают друг друга, и в этом случае об-
щее влияние конвекционных потоков на
охлаждение нитей меньше.
.Важный практический вывод, кото-
рый можно сделать из этого, заклю-
чается в том, что при свивании нити в
тесную винтообразную спираль поверх-
ность этой спирали с точки зрения теп-
ловых потерь в газе можно рассматри-
вать как сплошной цилиндр такого же
диаметра, как и наружный диаметр
опирали.
г)	Влияние свивания тела
накала в спираль. Анализ ра-
боты спирального тела накала в ваку-
уме, приведенный выше (см. гл. 8),
остается в силе и для газонаполненной
лампы с некоторыми дополнениями,
вытекающими из выводов, полученных
для условий охлаждения раскаленной
нити газом. Эти дополнения относятся
к установлению влияния на тепловые
потери следующих факторов:
а)	влияние изменения эффективной
длины тела накала;
б)	влияние расположения раска-
ленного тела накала в рабочем про-
странстве лампы и взаимного располо-
жения отдельных витков спирали.
Из приведенных выше примеров
следует, что суммарное охлаждение га-
зам нескольких; близко расположенных
друг к другу раскаленных нитей мень-
ше по сравнению с суммарным охлаж-
дением тех же нитей, размещенных от-
дельно, на расстояниях, превышающих
двойную толщину застойного слоя
газа.
При свивании тела накала в цилин-
дрическую спираль с близко располо-
женными витками изотермические по-
верхности (вокруг прямого спирального
тела тем больше приближаются к ци-
линдрическим поверхностям, коакси-
альным со спиралью, чем меньше рас-
стояние между витками.
Для принятых на практике величин
коэффициента шага спирали ks =1,4 —
1,6 и малых диаметров проволок, изме-
няющихся для стандартных ламп 110—
127 в, мощностью 25—1 000 вг от 0,030
до 0,30 мм, можно считать, что погра-
ничной поверхностью перехода тепла от
раскаленной спиральной нити к газовой
среде будет цилиндрическая поверх-
ность, касающаяся внешней поверх-
ности спирали. Такое упрощенное пред-
ставление вполне допустимо также и
потому, что развертка внешней поверх-
ности спирали на поверхность этого
цилиндра при указанных выше величи-
нах коэффициента шага ks очень близ-
ко подходит -по размерам к поверх-
ности сплошного цилиндра.
Передачу тепла от внутренней по-
верхности спирали газовой среде при
этом можно не учитывать, так как
внутреннее пространство спирали вви-
ду малых его размеров и большой
замкнутости фактически является изо-
термическим и обменивающимся энер-
гией с окружающей средой исключи-
тельно путем излучения/
§ 10-6]
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫВЕДЕННЫХ УРАВНЕНИИ
101
При таком представлении легко ви-
деть, что свивание тела накала в спи-
раль в случае работы его в газовой
среде, помимо благоприятного для
уменьшения тепловых потерь увеличе-
ния эффективного диаметра тела на-
кала, создает преимущества и в смыс-
ле уменьшения общих потерь тепла пу-
тем теплопроводности за счет умень-
шения общей эффективной длины тела.
Уменьшение тепловых потерь за счет
этого фактора пропорционально умень-
шению длины тела накала Lc„ по срав-
нению с прямолинейной нитью.
Очевидно, что свивание тела накала
в двойную спираль создает в этом от-
ношении и дальнейшие выгоды. Так
как подобное сокращение эффективной
длины не сопровождается пропорцио-
нальным уменьшением лучистого и све-
тового потока излучаемого телом нака-
ла, определяемого законами излучения
спирального тела, разобранными выше,
то следствием этого является увеличе-
ние световой отдачи такого тела при
работе его в газовой среде также и за
счет этого фактора.
Влияние свивания тела накала в
спираль можно наблюдать при нака-
ливании током двух последовательно
включенных проволок равного диамет-
ра, одна из которых прямолинейна, а
другая свита в тесную спираль. При
пропускании через такую цепь электри-
ческого тока в вакууме можно наблю-
дать почти одинаковый накал обеих
проволок. После наполнения баллона
инертным газом при пропускании тока
накал спирального участка нити по
сравнению с прямолинейным будет зна-
чительно выше.
10-6. Применение выведенных
уравнений для расчетов тепловых
потерь в лампах
Уравнение (10-22) совместно с
уравнением (10-21) и соответствующи-
ми табл. 10-3 и 10-2 могут быть при-
менены для расчетов тепловых потерь
тела накала в газонаполненных лам-
пах накаливания. Такие расчеты имеют
особенное значение при сравнении но-
вых конструкций тела накала или при-
менении новых наполнителей.
В качестве примера таких расчетов
можно привести результаты сравни-
тельного исследования тепловых по-
терь на теплопроводность в газе, про-
изведенных в лабораториях Москов-
ского электролампового завода
3. С. Вознесенской. Целью этих иссле-
дований было сравнение охлаждающе-
го действия старых наполнителей азо-
та и смеси его с аргоном (86 % Аг +
-р 14% N2) с новыми наполнителями —
криптоном и ксеноном.
На фиг. 10-6 представлены зависи-
мости диаметра застойного слоя от
диаметра нити, полученные по форму-
ле (10-19) для нитей, работающих в
азоте, аргоне, криптоне и ксеноне при
Т = 2800° К.
Таблица 10-4
Диаметр нити, мм	Р, вт!см, в азоте	Р, emlcM, 86% Аг + 14% Na	Р, вт}см, 80% Кг + 20% Аг	Р, вт)см, в криптоне	Р, emfcM, в ксеноне
0,1	4,1	2,65	1,67	1,52	1,09
0,2	4,8	3,20	2,13	1,89	1,39
0,4	5,8	3,90	2,68	2,37	1,69
0,6	6,8	4,40	3,02	2,68	2,01 *
0,8	7,5	4,90	3,49	3,07	2,25
1,0	8,0	5,30	3,80	3,38	2,49
102
РАСПЫЛЕНИЕ КАЛИЛЬНОГО ТЕЛА В ВАКУУМЕ И ГАЗАХ
(гл. 11
При сравнении тепловых потерь для
спиралей различных диаметров, рабо-
тающих в азоте и аргоне, среднее от-
клонение расчетных данных от значе-
ний, найденных из опыта, было полу-
чено равным 4—5%. Сравнительные
данные потерь на теплопроводность и
конвекцию в различных газах в ваттах
на 1 см длины нити для цилиндриче-
ского тела накала при Т — 2 800° К, по-
лученные расчетом с применением фор-
мулы (10-19), приведены в табл. 10-4.
Из приведенной таблицы видно, как
снижаются тепловые потери через га-
зовую среду при наполнении лампы
криптоном и ксеноном.
При определении тепловых потерь
встречается необходимость в опреде-
лении средней температуры газовой
среды за пределами застойного слоя.
Как показали опыты определения этой
температуры методом измерения дав-
ления газа, в лампах от 60 до 500 вт,
наполненных аргоном, средняя темпе-
ратура газа Т колеблется в пределах
400—450° К.
Для ламп стандартного типа в ша-
рообразной колбе эта температура мо-
жет быть получена из эмпирической
формулы:
7’а=7'о + ^.	(Ю-28)
где Tq — температура , окружающей
среды;
Р — тепловые потери всей спи-
рали;
V — объем колбы;
а и k — постоянные.
Для ламп с наполнением азотом
а=0,45 и А=60,8.
Для ламп с наполнением смесью
86°/0 Аг + 14% N2
а=0,45 и /г=79.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
РАСПЫЛЕНИЕ КАЛИЛЬНОГО ТЕЛА В ВАКУУМЕ И ГАЗАХ
11-1. Причины распыления калильного
тела
В процессе работы металлических
частей электровакуумных приборов, в
частности нити накала, их поверхность
подвергается при некоторых условиях
явлению распыления.
Причиной распыления могут быть:
а) Испарение или возгонка металла
под действием высокой температуры в
вакууме или инертном газе, когда под
влиянием тепловых колебаний частицы
металла, расположенные на поверх-
ности, преодолевают притяжение окру-
жающих молекул и отделяются от по-
верхности тела накала.
б)	Действие бомбардировки тяже-
лыми быстрыми частицами, например
положительными ионами, в атмосфере
разреженного газа, вызывающее мест-
ные перегревы нити и так называемое
катодное распыление.
в)	Механический отрыв частиц ме-
талла с поверхности тела вследствие
бурного выделения окклюдированных
металлом газов при резком повышении
температуры.
г)	Химическое действие окружаю-
щей среды, в котором распыление идет
за счет образования летучих соедине-
ний металла.
Каждое из этих явлений сопрово-
ждается переносом частиц распыляемо-
го тела с его поверхности на окружаю-
щие стенки стеклянного баллона или
другие поверхности. Осаждающиеся на
стенках частицы металла при этом мо-
гут вызвать ряд нежелательных для
правильной работы прибора послед-
ствий, как, например, уменьшение
прозрачности стенок стеклянной колбы
или увеличение их поверхностной элек-
тропроводности.
Интенсивность всех перечисленных
явлений зависит от ряда условий, опре-
деляемых особенностями тела накала,
свойствами окружающей среды и ре-
жимом работы прибора. Так, условия,
связанные с особенностями самого тела
накала, могут зависеть от рода мате-
риала тела накала, его внутренней и
поверхностной структуры, формы тела
накала, его размеров и равномерности
как в смысле качества материала, так
•и в смысле диаметра тела накала аэ
§ 11-1J
ПРИЧИНЫ РАСПЫЛЕНИЯ КАЛИЛЬНОГО ТЕЛА
103
длине. Действие окружающей среды
зависит от свойств, определяемых ее
химической или электрической актив-
ностью и ее состоянием (плотность,
температура и т. д.). Режим работы
связан обыкновенно с наличием небла-
гоприятных для работы тела темпера-
турных условий или электрических по-
лей, способствующих увеличению ин-
тенсивности распыления и возникнове-
нию некоторых вредных побочных яв-
лений. В лампах накаливания, напри-
мер, к таким побочным явлениям могут
быть отнесены термоэлектронная эмис-
сия, ионные процессы и диссоциация
некоторых газов под влиянием высокой
температуры.
Температурное распыление (испаре-
ние) может иметь место как в вакууме,
так и в атмосфере газа, различаясь в
количестве переносимых частиц на
стенки баллона.
В случае распыления нити в ваку-
уме предполагается, что нить замкну-
та в откаченном до высокого разреже-
ния пространстве, ограниченном стек-
лянными стенками, находящимися при
сравнительно низких температурах. При
таких условиях всякая частица воль-
фрама, отделяющаяся от поверхности
нити, свободно передвигается .в окру-
жающем пространствен в своем полете
не сталкивается с посторонними частица-
ми. Достигая стенок стеклянного бал-
лона, находящихся при низкой темпе-
ратуре, все частицы распыленного ве-
щества там осаждаются. Движение ча-
стиц в этих условиях можно считать
прямолинейным. Эксперимент под-
твер жд ает пр ав ил ьность подобного
предположения; так, если в вакууме
нагревать нить в присутствии экрана,
расположенного между нитью и стек-
лянной стенкой, то можно заметить,
что поверхность колбы, находящаяся
против экрана, всегда более прозрачна,
чем поверхность колбы в других ме-
стах, при этом во многих случаях на
стенке можно получить совершенно
резкое очертание самого экрана.
Если предположить, что стенка, ог-
раничивающая данный вакуумный
объем, состоит из вольфрама и имеет
такую же температуру, как поверх-
ность нити, то в этом случае при уста-
новившемся режиме сама стенка будет
испускать частицы вольфрама в таком
же количестве с единицы поверхности.
При этом будет наблюдаться некото-
рое равновесие обмена частицами
между поверхностью нити и поверх-
ностью стенки и все пространство, бу-
дет наполнено парами вольфрама при
упругости, соответствующей данной
температуре. Несмотря на то, что рабо-
та нити проходит здесь при высоких
температурах, распыления нити не бу-
дет заметно, так как количество моле-
кул, покидающих поверхность нити,
будет равно количеству молекул, кото-
рые падают на эту же поверхность из
окружающего пространства. Такого ро-
да условия на практике полностью не
встречаются, но к ним приближается
случай работы внутренней поверхности
спирального тела накала в вакууме.
Здесь внутренний объем спирали мож-
но рассматривать, как некоторый
объем, откачанный до высокого разре-
жения, и поверхность отдельных вит-
ков представляет собой некоторое по-
добие окружающей раскаленной по-
верхности. Так как поверхность здесь
не полностью замкнута, то не будет
иметь места и равновесие, о котором
сказано выше. Поэтому можно считать
перенос вещества с внутренней поверх-
ности вольфрамовой спирали меньшим,
чем с внешней ее поверхности; и дей-
ствительно, опыты показывают, что спи-
ральная нить в смысле распыления на-
ходится в более благоприятных усло-
виях работы, чем прямолинейная нить.
При работе нити в атмосфере
инертного- газа уже нельзя считать, что
отдельные частицы вольфрама, поки-
дающие его поверхность, прямолиней-
но двигаются в направлении стенок;
вернее, это прямолинейное движение
сохраняется между отдельными столк-
новениями и движение происходит по
ломаной линии благодаря очень ча-
стым столкновениям вольфрамовых ча-
стиц с молекулами окружающего газа.
Очевидно, чем выше плотность этого
газа, тем более затруднено движение
частиц вольфрама по направлению к
стеклянным стенкам. Можно утвер-
ждать, что некоторая доля частиц от-
брасывается обратно на нить и конден-
сируется на нёй, т. е. эффект переноса
вещества нити на стенки баллона за-
держивается и общая потеря веще-
104
РАСПЫЛЕНИЕ КАЛИЛЬНОГО ТЕЛА В ВАКУУМЕ И ГАЗАХ
(гл. It
ства нити происходит в этом случае
значительно медленнее, чем в случае
ее работы в вакууме.
Если же принять во внимание, что
раскаленная нить окружена слоем не-
подвижного газа, то можно предполо-
жить, что потеря вещества нити зави-
сит и от толщины этого слоя, а также
и от качества составляющих его моле-
кул. Чем больше толщина этого за-
стойного слоя, тем больше препятствий
встречается на пути молекул вольфра-
ма и тем меньше общая потеря веще-
ства. С другой стороны, чем тяжелее
частицы газа, окружающие данную
нить, тем эффективнее их действие на
вольфрамовые частицы, тем с большей
вероятностью отбрасываются вольфра-
мовые частицы обратно по направле-
нию к нити.
Эта физическая картина переноса
распыляемых частиц подтверждается
многочисленными опытами с примене-
нием различных инертных газов. Про-
никновение частиц распыленного ме-
талла через застойный слой может в
первом приближении рисоваться как
диффузия этих частиц через слой газа.
Данные, полученные для распыления
вольфрама в газе из опыта, подтвер-
ждают теоретические выводы, которые
можно сделать на основании законов
диффузии. Правда, при этих выводах
наблюдаются известные неувязки, ко-
торые могут быть объяснены тем об-
стоятельством, что явление диффузии
здесь усложняется наличием очень
больших температурных перепадов от
поверхности нити до наружной поверх-
ности застойного слоя.
Влияние ударов положительно за-
ряженных частиц на поверхности нити,
вызывающие так называемое катодное
распыление нити, имеет место только
при наличии газообразной окружаю-
щей среды, причем эта среда должна
находиться при очень малых давлениях.
Механический отрыв частиц веще-
ства нити под влиянием выделения
окклюдированных газов может иметь
значение лишь при условии большой
способности поглощения газов данным
металлом и при наличии резких темпе-
ратурных изменений.
Явления, связанные с образованием
химических соединений вещества нити
и окружающего газа, зависят главным
образом от степени инертности окру-
жающей среды по отношению к веще-
ству нити и от температурных условий
работы. Эти явления могут проходить
более или менее интенсивно. В случае
пустотных ламп наличие такого рода,
активной среды является следствием
недостаточной откачки лампы при ее
изготовлении, недостаточной термиче-
ской обработки ее внутренних частей,
вызывающей выделение вредных газов
уже в процессе работы лампы или на-
текание воздуха извне при поврежде-
нии лампы. В случае газонаполненных
ламп химическое действие окружаю-
щей среды может быть вызвано также
неполной очисткой инертных газов, вво-
димых в лампу для уменьшения ее
термического распыления. Кроме этого,
сами инертные газы при некоторых
условиях могут вступать в химические
реакции, в частности, например, азот*
считающийся инертным газом, при из-
вестных условиях дает некоторые со-
единения с вольфрамом. Эти условия
полностью в настоящее время еще не
изучены, однако существование их не
подлежит никакому сомнению, так как
в числе продуктов распыления воль-
фрама под действием высокой темпе-
ратуры при анализе находят осадки не-
которых соединений вольфрама с азо-
том. Количество этих соединений весь-
ма незначительно, и, вероятно, эти
соединения появляются в результате
каких-то, пока неизвестных нам об-
стоятельств.
При рассмотрении процесса распы-
ления идеальной нити предполагается,
что нить равномерна по всей длине и
поверхности, она не имеет сужений,,
имеет совершенно равномерную темпе-
ратуру и структура ее поверхности та-
кова, что отдельные точки этой поверх-
ности равноценны с точки зрения тер-
мического распыления.
11-2. Тепловое распыление металла
в вакууме
А. Условия распыления
металла с поверхности нити.
Как указано было выше, тепловое рас-
пыление металла связано с испарением
металла с поверхности или переходом
его из твердой в газообразную фазу.
§ 11-2]
ТЕПЛОВОЕ РАСПЫЛЕНИЕ МЕТАЛЛА В ВАКУУМЕ
105
В общем случае количество испа-
ряющегося в единицу времени с 1 см2
поверхности вещества зависит от сле-
дующих факторов:
а) от рода металла, его кристалли-
ческой структуры, строения поверх-
ности;
б) от температуры поверхности ме-
талла;
в) от состояния окружающего про-
странства (вакуум или наличие газа).
Количество испаряющегося с по-
верхности вещества в случае наличия
в окружающем пространстве газооб-
разной среды или близко расположен-
ных изотермических твердых поверх-
ностей, вообще говоря, отличается от
количества вещества, окончательно
удаляемого с поверхности. При этом
могут иметь место следующие случаи:
а) Распыляемое тело окружено па-
рами данного вещества, не находящи-
мися в состоянии насыщения; в этом
случае количество частиц, удаляющих-
ся с поверхности, больше количества
частиц, падающих на поверхность из
окружающего пространства.
б) В случае достижения окружаю-
щей средой состояния насыщения для
данной температуры наступает термо-
динамическое равновесие тела с окру-
жающей средой. Такое состояние мо-
жет, например, наступить в замкнутом
пространстве, ограниченном раскален-
ными стенками из данного металла.
в) В случае не вполне замкнутого
пространства может иметь место ста-
ционарный процесс переноса частиц с
поверхности за пределы ограниченного
пространства (случай спирального те-
ла накала).
г) В случае открытой поверхности,
накаливаемой в пустоте и ограничен-
ной стенками из другого материала,
обыкновенно наступает стационарное
состояние, связанное с переносом ча-
стиц с раскаленной поверхности на
стенки.
Б. Испарение вольфрама в
вакууме. Для характеристики
удельного испарения металла тт мож-
но вывести формулу, имеющую сле-
дующий вид:
(1Ы)
где 20— скрытая теплота ис-
парения при абсолют-
ном нуле;.
А, В, С, D и Е — постоянные.
Вводя числовые значения постоян-
ных в (11-1), удельное испарение воль-
фрама в вакууме тт— [гсм~2 сек~г]
при рабочей температуре Т°К можно
выразить формулами:
lg znr-9,725 — 4,19-4 —
-0,1581g Т—1,64 4?» (П-2)
ИЛИ
In /пг=22,39 — 9,6475	—
— 0,364In Т — 3,77 4г •	(Н-З)
В нелогарифмической форме
5,311.10» г	_п
тт—	10* 0,364 Т [?СМ Сек ]►
26 200 т ~Т -43,7 10‘
(И-4)
10*	т
m _ -22,39—9,6475-^---------0,364 In Г-3,77
1	10*
(11-5)
Дифференцируя (11-3) по Т, полу-
чаем:
d In mT=>~=96 475 ~ -
* mT	Т2
— 0,364^ — 0,000377^7 =
(jyp- — 0,364 — 0,0003777^,
(11-6)
откуда
__dmT dT _-96475
Пт— mT ’ T ~ T
— 0,0003777— 0,364.	(11-7)
Для различных значений темпера-
тур имеем;
При Г=1 000й к	96,475—0,377—0,364—95,734
„ Г-1 500° К /гт=64,200—0,565—0,364 =63,271
„ Г=2 000° К л^-48,237—0,754—0,364-47,120
„ Г-2 500° К /2^=38,500—0,943-0,364=37,193 *
„ Т~3 000° К	32,158—1,131—0,364—30,663
„ Г=3 500° К nm=27,55 —1,32 -0.364-25,866
Числовые значения удельного испарения вольфра-
ма в вакууме помещены в табл. 7-3.
106
РАСПЫЛЕНИЕ КАЛИЛЬНОГО ТЕЛА В ВАКУУМЕ И ГАЗАХ
[гл. 11
11-3. Тепловое распыление металла
в атмосфере газа
При работе раскаленного тела в ат-
мосфере газа стационарное состояние
переноса частиц металла с поверхности
равномерно накаленной нити на стенки
баллона может быть выражено сле-
дующим уравнением:
т'т — тт — т?,	(П-8)
где тТ — количество металла в грам-
мах, переносимое с 1 см2
поверхности нити в 1 сек.
на поверхность баллона;
тт — количество металла в грам-
мах, испаряющееся с той же
поверхности в 1 см2 в 1 сек.
в вакууме, зависящее от при-
роды металла, состояния
поверхности нити и от ее
рабочей температуры Г;
т?—количество металла в грам-
мах, падающее обратно на
ту же поверхность в 1 сек.
из окружающего нить газа,
зависящее от природы этого
газа, его состояния (р, Т),
а также от конфигурации
и расположения тела накала
в пространстве баллона.
В случае отсутствия газа или при
очень малом его давлении величина
имеет также очень малое значение
и практически весь испаряющийся с по-
верхности нити металл целиком пере-
ходит на стенки баллона, т. е. (11-8)
приобретает вид
тТ~тТ.	(11-9)
В атмосфере- инертного газа при
больших давлениях, соответствующих
длине свободного пути молекул метал-
ла, меньшему расстоянию металличе-
ской поверхности от поверхности бал-
лона, частицы металла двигаются к
стенкам баллона, претерпевая столкно-
вения с молекулами окружающего га-
за, и частично отражаются обратно на
поверхность нити. Явление диффузии
паров металла через слой окружающе-
го газа в этом случае усложнено нали-
чием изменяющейся температуры в про-
странстве окружающего газа.
Учитывая обратное падение на по-
верхность проволоки частиц вольфра-
ма после их столкновения с молекула-
ми газа и среднюю вероятность такого
падения цри данной средней длине сво-
бодного пути частиц вольфрама в ра-
диальном направлении, можно вывести
уравнение следующего вида:
— =1 — JLarcsin/—-тт V (11-10)
* Г1 4- — I
\ р J
где тт — удельное распыление ме-
талла в газе;
тт — удельное распыление метал-
ла в вакууме,\
р — давление газа, см рт. ст.;
С — постоянная для данной нити,
равная
с =	(11-11).
гтяшсд
Здесь гт — радиус проволоки и и
<зд — диаметры молекул металла и газа.
Для пограничных условий из (11-10)
имеем:
т'т
прир=0о	— = 0,
тт
ПРИ Р=°	^ = 1-
Для определенного металла и опре-
деленного газа можно пользоваться
т-r г—
— Ур = const = А. (Н-12)
ГПр
Это уравнение хорошо согласуется
с данными опыта при средних давле-
ниях.
Если принять ад = 2,86-10-8 см для
аргона и <зш = 3,37-10~8 см для воль-
фрама, то при наполнении аргоном
С = 0,094 при диаметре проволоки dm=
= 0,075 мм и С = 0,072 при диаметре
проволоки dm = 0,098 мм. Среднее зна-
чение А по результатам произведен-
ных исследований составляет:
Л = 0,18 для 90°/о Аг 4- 10°/0N2,
Л = 0,20 для 86°/0 Аг 4- 14%N2,
А =/0,34 для N2.
§ 12-1]
ИЗМЕНЕНИЕ ДИАМЕТРА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ТЕЛА НАКАЛА
107
Таблица 11-1
Давление Pg , см рт. ст.	Скррость испарения ш'у’ • 10"®, г см"2 сек~1	Давление Pg , см рт. ст.	Скорость испарения mZ/n ’ 1°'в’ г см~2 сек~'
0	230	* 25	10,3
1	57,5	50	5,4
5	23,5	70	4,2
10	20,5	165	2,0
При экспериментальной проверке
закона температурного распыления ме-
* талла с поверхности цилиндрической
нити в атмосфере газа для скорости
испарения вольфрама в смеси 86%
аргона и 14% азота при 2 870° К для
нити dm = 0,00978 см были получены
результаты, приведенные в табл. 11-1.
Из этой таблицы видно, что с уве-
личением давления газа ' распыление
вольфрама уменьшается.
Наряду с этим при опытах было
установлено, что:
1.	В вакууме скорость испарения
вольфрама не зависит от диаметра ни-
ти и лишь зависит от ее структуры,
увеличиваясь примерно на 40% для
мелкозернистого вольфрама.
2.	Для одной и той же нити ско-
рость испарения в азоте равняется от
2 до 5%, а в аргоне 1,3—3,0% от ско-
рости ее испарения в вакууме (при
Т — const).
3.	Скорость испарения вольфрама в
газе зависит от диаметра нити, увели-
чиваясь вместе с его уменьшением
(опыты производились с d = 0,25 —
0,067 мм).
4.	Тористый вольфрам с содержа-
нием 0,6—0,8% тория неизменно сохра-
няет равномерную мелкую структуру, и
самые тонкие нити содержат в попе-
речном сечении несколько кристаллов.
5.	Непровисающий вольфрам изме-
няет мелкозернистую структуру на
крупнокристаллическую с удлиненными
кристаллами.
6.	Круглое сечение нити превра-
щается в газе в сечение, близкое к ше-
стиугольному.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛА
НАКАЛА ПРИ ЕГО РАСПЫЛЕНИИ
12-1. Изменение диаметра
и энергетических параметров
цилиндрического тела накала
при Т const
Распыление вещества с поверхности
р закаленной нити представляет собой
важнейший процесс, оказывающий
влияние на срок службы лампы нака-
ливания и вызывающий изменение ее
электрических и световых параметров.
Перенос частиц металла с поверх-
ности тела накала на стенки баллона
в первую очередь сопровождается
уменьшением сечения тела и соответ-
ственно этому увеличением его сопро-
тивления. Для идеальной цилиндриче-
ской нити, имеющей равномерную тем-
пературу Т по всей ее длине, уменьше-
ние сечения и диаметра будет также
равномерным и соответствующим ве-
личине постоянного удельного распы-
ления металла тт. Зависимость изме-
нения диаметра идеальной нити от вре-
мени может быть определена, исходя
из баланса вещества, распыляемого с
ее поверхности:
mTizdLdt = — df^Ly), (12-1)
или
2тг
—Ldt = —dd, (12-1а)
где тт — количество вольфрама	в
граммах, испаряемого	в
1 сек. при температуре
Г°К;
d — диаметр нити;
L — длина нити (L = const);
у — плотность вольфрама (у =
= 19,0— 19,7);
—время работы нити в секун-
дах.
108
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛА НАКАЛА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ
[гл. 12
Интегрируя (12-la) по t в пределах
t\ = 0 и t2 — t и соответственно по d—
в пределах d\ — d0 и d2 = имеем:
^mTdt = —^dd.	(12-2)
0	da
Так как тт = f (Т), то решение (12-2)
всецело зависит от изменения темпе-
ратуры Т во времени.
В простейшем случае при незави-
симости Т от времени (Г = const) mT
также будет постоянным, откуда
2тт
d0 — d= bd =: —=
и*?	«у
= (0,105 — 0,1015)тгтс^, (12-3)
или
Дd = (378 — 366) mT тчас. (12-За)
Уравнения (12-3) и (12-За) могут
быть применены также для определе-
ния времени т, в течение которого
диаметр нити уменьшается на вели-
чину Д^ или вес ее — на величину dq.
На практике это уменьшение обык-
новенно выражается в процентах пер-
воначального значения dQ или qQ.
Если ввести обозначения: а = X
«о
х 100 и Ь~ — 100, то после соответ-
ствующих подстановок в (12-3) и реше-
ния его относительно т можно полу-
чить:
’«.=2£-г=<°.°95-ад985)$
(12-4)
И
_ adoi _
час — 200-3 600mr ~~
= (2,64 —2,73)-10-в^, (12-4а)
или соответственно
(9,5 — 9,85) d0 Д_ /	Ь%\
шт ( I/ 1 —100 J
(12-5)
и
т	(2,64-2,73)-10-3d0
™	тт	А
x[l-/ 1-S]- (12’5а>
Таким образом, при подстановке в
выведенные уравнения (12-3), (12-4) и
(12-5) значений пгт, полученных при
данной температуре Т ' из уравнений
или из таблиц, можно определить 'соот-
ветственно числовую величину &d или ?.
В связи с изменением диаметра
нити d изменяется также и ее со-
противление гт, поэтому при соблю-
дении условия нашей задачи — со-
хранения T=const — необходимо из-
менить электрические параметры нити:
ее рабочее напряжение и ток. Соответ-
ственно этому должны измениться и
другие ее параметры: потребляемая:
нитью мощность и испускаемый ею све-
товой поток.
а)	Значение напряжения, необхо-
димого для поддержания T=const, при;
накале нити, подвергающейся испаре-
нию, можно получить из уравнения рас-
чета нити (§ 7-26) при L= const:
откуда при
_____________________ а
Тбб’
или
_ 1 _ °
57	100’
имеем:
1/х = 1/0(й = [7о-10(Ю0—а) 2.
(12-6)
б)	Соответственно для тока [из.
(7-24)]
“ d0 ’
или после подстановки
= ('2'7>
§ 12-2]
ИЗМЕНЕНИЕ ВО ВРЕМЕНИ ДИАМЕТРА И ПАРАМЕТРОВ НИТИ
109
в)	Для мощности Р из (7-2)
Pq do ’
откуда
р
p.=/W=™<100-“>- <'2-8»
г)	Для светового потока F
FT == d'
Fo
или
/ d \ f
^=FoGt)=^aoo-°)- <12-9)
Из уравнений (12-8) и (12-9) видно,
что при Т = const значение световой
отдачи нити т = const, или
П, = ’lo-
12-2. Изменение во времени диаметра
и энергетических параметров нити
при U = const
Одним из наиболее распространен-
ных на практике случаев работы тела
накала является его работа при по-'
стоянном напряжении питающей сети
или t/=const.
В случае работы нити при постоян-
ном напряжении имеют место следую-
щие основные явления:
А.	Так же как и при T=const, про-
исходят распыление нити и уменьше-
ние ее диаметра и веса.
Б. Температура нити вследствие со-
кращения диаметра изменяется (Л<7'0).
В.	Вследствие изменения температу-
ры удельное испарение за время горе-
ния не постоянно.
Г. Электрические и световые харак-
теристики нити изменяются по другим
законам по сравнению с работой при
Т = const.
Пользуясь уравнениями, определяю-
щими соотношение между электриче-
скими параметрами нити и ее размера-
ми или температурой, а также между
удельным распылением и температу-
рой, можно выразить зависимость диа-
метра d, температуры Т, электрических
и световых параметров нити (Р, F, Н)
от времени работы т при U = const
следующими формулами:
а) Для диаметра d
nR + nf~nm
ldo(nR+np) J _ / м nR + ”p
2/п0(пЛ + «р — nm) [	\d0)
б)	Для тока I
2nR лр
I - I fl — 2f”° (ra« + raP ~ n”} SR+n~nm
T °L Т^о(«Л + "р) J
в)	Для мощности P
np
г 2/Ип п Мп —п \ -ynR+n?-nm
р __ р Г 1 _ zzy20 nR nP пт)
х— °L id<> ("я + ,lp) J
г)	Для светового потока F
+ др + пв
F _р| 1- 2^o(»a + np-»m) ]	+
Гх-Г1 ^о(«Л + «р) J
д) Для световой отдачи Н
^mo(nR + ne~nm)
Td0(«R+«p)
nB~nR
(12-10)
(12-11)
(12-12)
(12-13)
(12-14)
по
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТЕЛА НАКАЛА ПРИ РАСПЫЛЕНИИ
[гл. 12
е) Для температуры Т
Т - Т f 1 — 2от°(”я + ЯР~Пт) 1"* + ”Р Пт
х °1	7^о(«д+«р) . J
(12-15),
В этих формулах nR, и? и пт—
показатели степени температуры в
уравнениях, определяющих зависи-
мость энергетической яркости, удель-
ного сопротивления и удельного испа-
рения от температуры для вольфра-
н / т \Пк
МОВОЙ НИТИ	1 , а Y — ПЛОТ-
НО	V о /
ность вольфрама.
Уравнения (12-10) — (12-16) могут
применяться для подсчета температу-
ры, электрических и световых величин
в конце любого периода т при I7=const
Ввиду того что снижение температуры
в конце срока службы реальной лам-
пы при t7=const очень мало, выведен-
ные выше уравнения дают достаточно
точные выражения для электрических
и световых величин без дальнейших
поправок.
12-3. Распыление спиральной нити
/При рассмотрении явления распы-
ления металла с поверхности прямоли-
нейной 'нити, работающей в вакууме,
принималось, что распыление происхо-
дит равномерно по всей поверхности
нити. В случае спирального тела нака-
ла распыление металла с внутренней и
внешней поверхностей неодинаково
вследствие наличия некоторых факто-
ров, отличающих спираль от прямоли-
нейноло тела накала. Если условия
распыления металла с внешней по-
верхности спирали можно считать ана-
логичными распылению прямолиней-
ной нити, работающей при той же тем-
пературе и прочих равных условиях, то
по отношению к внутренней поверх-
ности необходимо отметить следующие
особенности:
а)	при работе спирали вследствие
частичного поглощения энергии, полу-
чаемой соседними витками, темпера-
тура внутренней поверхности выше,
чем температура внешней поверхности;
б)	вследствие экранирования части
внутренней поверхности спирали про-
тиволежащими витками не все части-
цы металла, испаряющегося с внутрен-
ней поверхности спирали, выходят на-
ружу.
Таким образом, эти два фактора
вызывают противоположный эффект, и
отличие от прямолинейной нити при
этом частично выравнивается.
Количественные соотношения дей-
ствия обоих факторов можно прибли-
зительно оценить следующим образом.
Если считать, что температура
внутренней поверхности спирали по
отношению к внешней больше на 3—
4° К, то при рабочей температуре нити
около 2 400° К это составляет около
0,15%, или Г* = 1,00157*% Отноше-
ние удельного испарения на внутрен-
ней и внешней поверхностях при этом
выразится так:
-^—= 1,0015Пп = 1,001539= 1,085,
т?'
(12-16)
ибо
nm = 39 для Т = 2 400° К.
Принимая коэффициент свободного
выхода частиц, испаряющихся с вну-
тренней поверхности спирали, <|»	0,5
и считая, что все падающие на вну-
треннюю поверхность спирали частицы
конденсируются, можно принять:
m’M=0,5/n^.	(12-17)
Учитывая повышение температуры
на внутренней поверхности, получаем:
твтн= 0,5 т*ар-1,085= 0,543 т“ар.
(12-18)
Таким образом, для всей поверх-
ности спирали
или
СП тТ +тТ
тт —	2
(12-19>
0,543 тнарт"ар
2
0,77 т*ар.
(12-20)
§ 13-1]
факторы, оказывающие влияние на срок службы ламп’
111
Полученный результат показывает,
что общее количество металла, распы-
ляемого с поверхности тела накала при
свивании нити в спираль, уменьшается
приблизительно на 23%, что должно
благоприятно отразиться и на сроке
службы лампы.
При рассмотрении вопроса об испа-
рении металла с поверхности реальной
нити необходимо принимать во внима-
ние охлаждающее действие электродов
и наличие на нити дефектных участков,
работающих при больших плотностях
тока. В случае работы нити в газовой
среде необходимо считаться также и с
факторами действия этой среды на про-
цесс распыления. Как видно будет да-
лее, действие газовой среды на распы-
ление выражается не только в измене-
нии удельного распыления металла, но
также и в изменении критической или
смертельной потери в весе нити, играю-
щей важную роль для срока службы
лампы.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
СРОК СЛУЖБЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
13-1. Факторы, оказывающие влияние
на срок службы ламп
Выше были рассмотрены явления
термического распыления идеальной
нити при работе ее в высоком вакууме
и инертном газе, а также определена
зависимость изменения диаметра нити
в функции времени ее работы.
В зависимости от основных задан-
ных условий работы, определяемых
электрическим режимом, длительность
максимально возможного времени не-
прерывной работы идеальной нити бу-
дет различна.
Так, при неизменном напряжении
сети в связи с непрерывным увеличе-
нием сопротивления нити вследствие
уменьшения площади ее сечения тем-
пература нити, как это следует из урав-
нения (12-16), должна уменьшаться,
и при некоторой величине ее значение
будет настолько малым, что нить пере-
станет излучать свет и дальнейшее
распыление нити практически прекра-
тится.
В случае работы нити при неизмен-
ном токе, наоборот, по мере увеличе-
ния времени работы нити т ее темпе-
ратура Т будет быстро возрастать и
при некотором ее значении нить долж-
на расплавиться.
В реальных условиях, однако, в слу-
чае работы при неизменном напряже-
нии сети нить не погасает, а по исте-
чении известного времени обрывается
или перегорает. Соответственно при
неизменном токе действительное время
до перегорания нити всегда меньше
значений, получаемых путем теорети-
ческого расчета. Причина этого лежит
в свойствах реальной нити и в усло-
виях ее действительной работы.
Если даже исключить все условия,
связанные с недостаточной электриче-
ской и химической инертностью окру-
жающей среды (вакуум и чистота га-
за) и с наличием внешних механиче-
ских воздействий (сотрясения, толчки
и т. п.), то и помимо этого работа ре-
альной нити сопряжена с рядом фак-
торов, сильно влияющих на полное
время ее горения.
Как известно, в практике использо-
вания источников света максимально
возможное время эксплуатации источ-
ника для данной цели определяется его
сроком службы, под которым подразу-
мевается период времени, протекший от
момента первого включения источника
в работу до момента изъятия его из
эксплуатации вследствие полного или
частичного обесценивания. Этот период
может быть непрерывным или пред-
ставлять собой сумму отдельных про-
межутков времени работы лампы от
начала ее службы до исключения из
эксплуатации.
В случае лампы накаливания ис-
ключение из эксплуатации может быть
произведено как вследствие оконча-
тельного разрушения Или обрыва ее
тела накала, так и вследствие сниже-
ния световых параметров лампы до
предела ее выгодности в эксплуатации.
Соответственно этому различаются
два понятия срока службы лампы:
а)	полный;
112
СРОК СЛУЖБЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 13
б)	полезный.
а)	Полный срок службы.
Полный срок службы лампы опреде-
ляется периодом ее горения от начала
эксплуатации до первого обрыва тела
накала (перегорание нити) и зависит
от ряда факторов, оказывающих влия-
ние на механическую его прочность.
В простейшем случае перегорание
тела накала происходит при наличии в
баллоне лампы химически активных
газов, воздействующих на его поверх-
ность. Так, в случае вольфрамовой ни-
ти, накаленной в присутствии достаточ-
ного количества воздуха, нить быстро
перегорает с образованием на колбе и
внутренних частях лампы желто-белого
налета триокиси вольфрама WO3- При
недостаточном количестве воздуха ин-
тенсивность процесса окисления нити
замедляется и образуются низшие оки-
си вольфрама с образованием синего
налета. При наличии в баллоне лампы
водяных паров, а также в случае про-
стого термического распыления воль-
фрама на стенках образуется темный
налет вольфрама или его смесь с низ-
шими окислами.
Самый процесс окисления распро-
страняется на всю поверхность раска-
ленной нити, однако через небольшой
промежуток времени на одном или не-
скольких участках нити образуются
места, в которых процесс идет интен-
сивнее и нить в этом месте быстро пе-
регорает.
В нормальных условиях при отсут-
ствии в баллоне лампы активных газов
перегорание тела накала происходит
В1следствие нормального его старения
при действии высокой температуры.
Старение тела накала выражается в
уменьшении размеров его поперечного
сечения за счет явлений распыления и
в структурных изменениях материала'
тела или его рекристаллизации.
Главнейшим фактором, оказываю-
щим влияние на интенсивность распы-
ления и рекристаллизации, является
температура тела накала, поэтому все
условия работы реального тела, способ-
ствующие общему или местному повы-
шению температуры, оказывают свое
влияние и на срок службы лампы. Так,
наличие местных сужений поперечного
• сечения тела накала или действие ион-
ной и электронной бомбардировки вле-
чет за собой интенсивное местное рас-
пыление, сопровождающееся и более
интенсивным дальнейшим уменьшением
поперечного сечения тела накала на
данном участке; как будет показано
ниже, роль таких дефектных участков
особенно велика в случае ламп с на-
полнением инертными газами.
Структурные изменения материала
выражаются в рекристаллизации или
превращениях кристаллических систем,
образующих тело накала, под влия-
нием высокой температуры. Это явле-
ние способствует появлению деформа-
ций в теле накала под действием силы
тяжести (провисание спиральных ни-
тей), а также увеличивает его лом-
кость вследствие образования отдель-
ных крупных кристаллов, заполняющих
большую часть сечения нити. Образо-
вание выступающих граней кристалла
на поверхности нити, кроме того, уве-
личивает ее общую поверхность распы-
ления, что отражается на увеличении
количества распыленного с поверхности
нити материала.
Непосредственное влияние на пол-
ный срок службы электрических пара-
метров — напряжения, тока и мощно-
сти лампы — заключается в возможно-
сти возникновения электронных и ион-
ных процессов в среде, окружающей
нить, способствующих разрушению по-
следней (катодное распыление, элек-
тронная бомбардировка, зажигание га-
зового разряда и т. д.). Необходимо
также отметить электродинамическое
воздействие тока на раскаленную нить,
вызывающее дополнительные механи-
ческие напряжения в нити при вклю-
чении или периодических изменениях
переменного тока.
Влияние на срок службы размеров
и конструкции тела накала для ваку-
умных ламп определяется главным об-
разом действием перечисленных выше
факторов и возможностью достижения
наибольшей механической прочности
нити при меньшем количестве точек ее
закрепления. Это последнее требование
вытекает непосредственно из условия
получения цри данной температуре
нити наибольшей световой отдачи.
В случае газонаполненных ламп из
тех же соображений необходимо стре-
§ 13-2]
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛЬФРАМА И ЕГО СТРУКТУРА
113
мяться, кроме того, к уменьшению теп-
ловых потерь через газ. Это может
быть достигнуто выбором наивыгодней-
шего диаметра спирального тела нака-
ла, надежным методом его укрепления
на минимальном количестве держате-
лей и применением в качестве напол-
нителя инертного газа с возможно
большим молекулярным весом.
б)	Полезный срок службы.
Полезный срок службы лампы опре-
деляется периодом времени от на-
чала ее работы до момента, когда
световые параметры лампы — ее свето-
вой поток или световая отдача —
вследствие выше приведенных причин
уменьшаются до некоторого определен-
ного предела, после которого эксплуа-
тация лампы становится невыгодной.
Обыкновенно в лампах накаливания
этот предел устанавливается до потери
20% первоначального светового потока.
Снижение световых параметров
лампы за время ее горения, кроме при-
чин, рассмотренных выше, происходит
также и вследствие частичной потери
прозрачности стенок баллона, покры-
ваемых продуктами распыления тела
накала.
Хотя одновременно с уменьшением
светового потока лампы снижается и
общая ее мощность, однако, ввиду того,
что величина светового потока лампы
уменьшается быстрее, световая отда-
ча лампы также уменьшается.
Так как снижение световых величин
за время работы лампы зависит ча-
стично от изменения прозрачности сте-
нок баллона, то для различных ламп
величина этого снижения зависит не
только от параметров нити, но также и
от соотношения размеров общей по-
верхности тела накала и размеров по-
верхности баллона. В газонаполненных
лампах влияние почернения стенок бал-
лона на общий световой поток и све-
товую отдачу лампы зависит также от
формы баллона и расположения в нем
тела накала. Это объясняется нали-
чием здесь конвекционных потоков на-
гретого газа, которые уносят распылен-
ный вольфрам в верхнюю часть бал-
лона, вследствие чего конденсация
вольфрамовых паров происходит вне
зоны используемого светового потока.
Необходимо также отметить, что на
8 А. П. Иванов.
длительность полезного срока службы
ламп с газовым наполнением оказы-
вают существенное влияние и механи-
ческие свойства вольфрама, выражаю-
щиеся- в устойчивости вольфрамового
спирального тела накала против де-
формации при высокой температуре.
Связь деформации спирального тела
накала с изменением светового потока
во времени вытекает непосредственно
из законов передачи тепла через газо-
вую среду. Так как при провисании
нити увеличиваются потери тепла в га-
зе, то и температура тела накала с те-
чением времени уменьшается, что в
свою очередь сказывается на уменьше-
нии светового потока и полезного сро-
ка службы лампы.
13-2. Механические свойства
вольфрама и его структура
а)	. Механическая проч-
ность вольфрамовой нити.
Механические свойства вольфрама, а
именно его прочность на разрыв и
жесткость, имеют большое значение
для срока службы лампы.
Прочность тянутой вольфрамовой
проволоки в холодном состоянии очень
высока и достигает 40 500 кГ/см2\ пос-
ле нагревания проволоки до темпера-
туры, при которой происходит рекри-
сталлизация вольфрама с образованием
равноосных кристаллов, прочность про-
волоки в холодном состоянии снижает-
ся до 9 800 кГ/см2. Несмотря на такие
высокие значения прочности на разрыв
при рабочих температурах ламп нака-
ливания, прочность вольфрама сни-
жается до очень малых значений, при
которых делается заметным даже влия-
ние собственного веса проволоки. Это
влияние находит свое отражение в фак-
-те разрыва спиральной нити у боль-'
шинства газонаполненных ламп вбли-
зи электродов в точке, где температу-
ра нити достаточно высока и действие
собственного веса данной секции опи-
рали имеет максимальное значение.
Изменение прочности вольфрамовой
проволоки в зависимости от темпера-
туры у различных' видов проволоки
имеет различную закономерность. Это
различие в закономерности можно на-
блюдать при сравнении кривых
фиг. 13-1.
114
СРОК СЛУЖБЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 13
На фигуре приведены данные об из-
менении прочности на разрыв для трех
видов проволок. Кривая 1 соответ-
ствует непровисающему длиннокри-
стальному вольфраму, 2 — мелкозерни-
стому вольфраму и 3 — однокристаль-
ной проволоке.
Из сравнения кривых видно, что при
всех температурах наибольшие значе-
ния прочности имеет однокристальная
проволока. С другой стороны, при
оценке прочности двух видов проволо-
ки, необходимо считаться с пределами
рабочей температуры нити; так, до тем-
пературы 2 950° К более прочной яв-
ляется мелкокристальная проволока и
при температурах, больших 2 850° К, —
проволока из непровисающего воль-
фрама. Испытания на срок службы в
вакууме дали для этих проволок ре-
зультаты, подтверждающие правиль-
ность взгляда на зависимость срока
службы лампы от прочности ее нити
при соответствующей температуре.
Количественной характеристикой
механических свойств вольфрама мо-
жет служить степень провисания спи-
рали, Выполненной из данного мате-
риала в процессе долговременного го-
рения лампы. Эта степень провиса-,
ния измеряется стрелой прогиба нити.
б)	Структурные измене-
ния вольфрамовой нити. При
изготовлении вольфрамовой проволоки
и в процессе ее работы в лампе наблю-
дается ряд структурных изменений,
объясняющих поведение тела накала
при длительной его работе.
В процессе изготовления проволоки
структура вольфрама изменяется от
зернистой (штабик после его сварки
электрическим током) до волокнистой
структуры проволоки после протяжки.
Волокнистая структура готовой
вольфрамовой проволоки объясняет и
ее высокие механические свойства,
определяемые большой ее прочностью
на разрыв и хорошими пластическими
свойствами.
При нагревании проволоки до неко-
торой температуры начинается рекри-
сталлизация, в процессе которой волок-
нистая структура вольфрама быстро
изменяется на зернистую равноосную
структуру прокаленной проволоки.
Одновременно с этим уменьшается
прочность вольфрама на разрыв, и про-
волока делается ломкой. Длительная
работа вольфрамовой проволоки при
высокой температуре сопровождается
ростом отдельных кристаллов, посте-
пенно заполняющих весь объем нити.
В процессе дальнейшего роста кристал-
лов нить превращается в цепь крупных
кристаллов, разделенных поперечными
поверхностями спаев отдельных зерен.
Механические свойства нити при такой
модификации ухудшаются еще более:
вместе с уменьшением прочности нить
в горячем состоянии получает также
способность к поперечным сдвигам от-
дельных крупных кристаллов, наблю-
дающихся в нити при воздействии на
нее поперечной нагрузки. Этот процесс
на практике проявляется в провисании
Фиг. 13-2.
тела накала во время длительной рабо-
ты лампы. Последовательный ход вы-
шеописанных явлений схематически
может быть выражен фиг. 13-2. Здесь
а представляет первоначальную волок-
нистую структуру тянутой проволоки;
б — равноосную структуру рекристал-
лизованного вольфрама; в—структуру
нити после длительного горения; г —
структуру нити после поперечной де-
формации.
§ 13-2]
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛЬФРАМА И ЕГО СТРУКТУРА
115
Основной особенностью приведенно-
го выше процесса рекристаллизации,
относящегося к чистому воль-
фраму, является образование корот-
ких кристаллов, заполняющих все сече-
ние нити и имеющих прослойки между
кристаллами, расположенные прибли-
зительно перпендикулярно к оси нити
(фиг. 13-3).
!

цесс рекристаллизации заключается в
предположении, что окись тория при
ковке и протяжке вольфрамовой про-
волоки располагается по границам
кристаллов и в дальнейшем препят-
ствует их росту в поперечном направ-
лении по отношению оси нити.
При некоторых условиях из воль-
фрама с примесью около 2% окиси то-
рия можно получить и однокристаль-
ную проволоку, которая состоит из от-
дельных весьма длинных кристаллов.
Механические свойства нити, полу-
ченной таким образам, как видно из
фиг. 13-1, очень высоки, однако слож-
ность метода изготовления и трудность
сохранения однокристальной структу-
ры нити при спирализации пока не да-
ли возможности широкого использова-
ния такой нити.
Широкое применение в производ-
стве современных ламп находит так
называемая «непровисающая» воль-
Фиг. 13-3.
В процессе усовершенствования ка-
чества вольфрамовой проволоки было
замечено, что примесь к чистому
вольфраму небольших количеств неко-
торых окислов дает возможность, до
известной степени, управлять процес-
сом рекристаллизации и направлять его
в желаемую сторону.
Так, вольфрамовая проволока, со-
держащая около 0,75% окиси тория
(ThO2), после рекристаллизации обна-
руживает мелкозернистую структуру,
которая сохраняется и при длительном
нагревании цроволоки. Характерной
особенностью этой структуры, кроме
того, является форма основных кри-
сталлов: в противоположность чистому
вольфраму кристаллы тористого воль-
фрама имеют удлиненную форму по на-
правлению оси проволоки (фиг. 13-4).
Такая структура способствует уве-
личению устойчивости вольфрамовой
нити против сотрясений и толчков.
Для изготовления спиральных тел
накала такая проволока находит огра-
ниченное применение вследствие спо-
собности ее к провисанию.
Физическое объяснение действия
окиси тория и других присадок на про-
8*
Фиг. 13-4.
фрамовая проволока, которая получает-
ся из вольфрама с примесью кремне-
вощелочных и других присадок. Непро-
висающая вольфрамовая проволока
после рекристаллизации имеет длинно-
кристальную структуру, причем стыки
отдельных кристаллов располагаются
наклонно и вдоль оси проволоки, как
показано на фиг. 13-6. •
Благодаря такому расположению
Кристаллов и малой его изменяемости
в процессе долговременной работы
лампы при высоких температурах нить
обладает большой механической проч-
ностью и неизменяемостью формы при
116
СРОК СЛУЖБЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 13
действии поперечной нагрузки от соб-
ственного веса нити. Последнее свой-
ство, очень важное для всех ламп с
спиральной нитью, имеет особое зна-
чение *в случае выполнения тела на-
кала в виде двойной спирали.
Все разобранные выше изменения
кристаллической структуры относятся
к тому случаю, когда общее количе-
ство вещества нити остается постоян-
ным. Однако в процессе работы лампы
часть материала нити переносится с ее
Фиг. 13-5.
поверхности на стенки баллона. В га-
зовой среде этот процесс усложняется
обратным осаждением части распылен-
ного вольфрама на поверхности нити
вследствие отражения испаряющихся
частиц молекулами окружающего газа.
Влияние этого процесса на струк-
турные изменения нити выражается в
обр азовании кристаллических систем
на поверхности нити, причем характер
образующихся систем зависит также от
температуры и других условий.
При исследовании этого вопроса
было обнаружено интересное явление,
заключающееся в том, что форма сече-
ния раскаленной нити изменяется в
процессе горения лампы в зависимости
от различных условий. Было замечено
также, что естественный обрыв нити в
конце срока службы для различных
условий работы происходит при раз-
личной относительной потере вещества
с поверхности нити. Максимальное зна-
чение относительной потери в весе при
перегорании обнаружили нити, рабо-
тающие в вакууме. Здесь эта потеря
достигает 20% первоначального веса.
При работе нити в газовой среде вели-
чина этой критической и «смертельной»
потери в весе оказалась значительно
меньшей: от 3 до 14%, и зависящей
от рода газа, а* также от температуры
и диаметра нити.
Это важное обстоятельство оказа-
-лось связанным с изменением сечения
нити в процессе ее работы. В то вре-
мя как при работе нити в вакууме се-
чение ее все время остается неизменно
круглым, в случае работы в атмосфере
газа при некоторых температурах сече-
ние нити из круглого превращается
в шестиугольное, соответствующее
естественной форме кристаллов воль-
фрама.
Исследование такой нити по дли-
не показывает, что величина сечения
при этом может резко изменяться и
соответственно этому на нити могут
быть зафиксированы отдельные дефект-
ные участки, обладающие по сравне-
нию с другими участками меньшим
поперечным сечением. При более вы-
соких температурах и прочих равных
условиях сечение нити сохранялось
приближающимся к круглому, и соот-
ветственно этому увеличивалась и кри-
тическая относительная потеря веса
нити. Эти явления могут быть объясне-
ны следующим образом.
При диффузии частиц вольфрама
через застойный слой газа некоторая
их доля вследствие столкновения с мо-
лекулами газа отбрасывается обратно
на нить. Если температура нити неосо-
бенно высока, то некоторые частицы
вольфрама конденсируются на ее по-
верхности, приспосабливаясь к ориен-
тации кристаллов.
В процессе дальнейшего испарения
такие частицы будут более прочно свя-
заны с телом основных кристаллов и
в меньшем количестве отделяться от
поверхности нити, чем частицы, не
включившиеся в систему кристалла.
В результате длительного процесса
переноса и перегруппировки частиц се-
чение нити изменяется соответственно
естественной кристаллической структу-
ре вольфрама.
При повышении температуры в свя-
зи с увеличением кинетической энергии
частиц вольфрама на поверхности ни-
ти вероятность конденсации частиц,
упавших на поверхность извне, умень-
шается и вместе с этим сглаживается
и явление ориентации частиц по гра-
ням кристаллов. Так как по мере уве-
личения температуры увеличивается и
отражение частиц вольфрама от по-
верхности нити, то общий консерви-
рующий эффект газового наполнения
также понижается. Количественно это
может быть выражено относительным
испарением вольфрама в вакууме и га-
§ 13-3]
РОЛЬ ДЕФЕКТНЫХ УЧАСТКОВ НИТИ
117
зовой среде при различных температу-
рах нити. Такое сравнение для воль-
фрамовой нити d = 0,076, работающей
в вакууме и атмосфере 86%Ar-f-
+14% N2 при давлении газа р =
= 600 мм рт. ст., приведено в
табл. 13-1.
Таблица 13-1
Температура, °К	Скорость испарения в относительных величинах		% испарения в газе к испа- рению в • вакууме
	вакуум	86% Аг + + 14% N2	
2 720	20	0,56	2,8
2 870	230	10,0	4,3
3125	2 960	154,0	5,2
13-3. Роль дефектных участков нити
и критическая потеря в весе
Из приведенных ранее уравнений,
определяющих зависимость между вре-
менем горения и температурой идеаль-
ной нити, работающей при постоянном
напряжении сети,'следует, что при дли-
тельном горении лампы и отсутствии
или окружающей ее среды от следов
углерода.
Во всех этих случаях при работе
нити температура дефектного участка
будет больше, чем температура осталь-
ных частей нити, и данная точка нити
будет служить ее опасным сечением
как в смысле усиленного распыления
вещества нити, так и в смысле воз-
можности механических повреждений.
Отмеченное в предыдущем пара-
графе весьма важное обстоятельство,
заключающееся в том, что критическое
значение относительной потери в весе
для различных условий работы нити
неодинаково, как будет (показано далее,
имеет непосредственную связь с влия-
нием этих условий на развитие про-
цесса распыления в дефектном участ-
ке 'НИТИ.
В случае работы идеальной нити в
вакууме при постоянном напряжении
сети из (12-ГО) и следует, что соотно-
шение между временем горения t и
относительной потерей в весе в процен-
тах может быть выражено уравнением
яЯ + "р ~ пт
_ Trfo(»R-np) Г /	2<Л«+пр)
2ото(»/? + пр —nm)[J V 100 у
(13-1)
внешних повреждений ее работа долж-
на закончиться потуханием нити.
В действительности полный срок служ-
бы лампы на практике заканчивается
«перегоранием» ее тела накала.
Исследования показывают, что да-
же в случае полного отсутствия меха--
нических воздействий на нить и полной
химической инертности окружающей
среды прекращение тока в лампе поч-
ти всегда является следствием перего-
рания нити в определенной точке, ко-
торая при ближайшем рассмотрении
всегда оказывается обладающей ка-
ким-либо дефектом. К числу этих де-
фектов может быть отнесено наличие
местных сужений сечения нити, сдвиг
кристаллов или местное изменение не-
которых свойств нити, например ее
удельного сопротивления. Последнее
особенно часто наблюдается при мест-
ной карбонизации нити вследствие не-
достаточной очистки поверхности нити
в котором nR, nf и пт — некоторые
средние значения показателей для
данных пределов .изменения рабочей
температуры, наблюдаемого в период
времени -с.
Из уравнения видно, что если обоз-
начить через bn относительную по-
терю в весе, выраженную в процен-
тах и соответствующую полному сроку
службы т¥, то (13-1) будет выражать
зависимость полного срока службы
идеальной нити <сг от ее критической
или „смертельной* потери в весе Ьк,
Для идеальной нити, работающей
при постоянном напряжении, критиче-
ская величина Ьк может быть задана
в зависимости от выбранного критерия
для срока службы условием />к<100.
При абсолютном пределе- Ьк = 100,
ввиду того что nR + np<nm, срок
службы тг = оо.
118
СРОК СЛУЖБЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 13
Теоретическое решение вопроса о
сроке службы реальной лампы (встре-
чает ряд затруднений ввиду невозмож-
ности определения количества *и харак-
тера дефектных участков, играющих
для срока службы лампы решающую
роль.
При известных допущениях, однако,
удается получить решение этого вопро-
са с результатами, хорошо подтверж-
даемыми данными опыта.
Основным является вопрос о вели-
чине критической или «смертельной»
потери в весе для тел накала, рабо-
тающих в различных условиях.
Определению величины критической
-потери в весе для различных условий
был посвящен ряд работ Фонда и др.
С отечественным вольфрамом в лабо-
р аториях Московского электр ол ампо -
вого завода были произведены обстоя-
тельные экспериментальные и теорети-
ческие исследования 3. С. Вознесен-
ской и В. Ф. Соустиным.
Фонда обнаружил зависимость кри-
тической потери в весе нити от среды,
в которой она работает. Так, он нашел,
что для нити из непровисающего воль-
фрама диаметром d = 0,0405 мм и дли-
ной 120 мм, работающей при темпе-
ратуре 2 870° К, величина критической
потери в весе .нити для вакуума и раз-
личных газов имеет значения, приве-
денные в табл. 13-2.
Таблица 13-2
Среда	Вакуум	Чистый аргон	86% Аг + + М% N2	Азот
Величина крити-				
ческой потери,				
%		^20	8,2	6,7	4,7
			Таблица 13-3	
Критическая потеря			в весе, %	
*	1 Ct	aj		а-	а?	а?
			а?	а?
$	<о	3	см	S
а о	о	о			см
о;	•				
= ж	°	о	о		о
S ®	В <у х	u	II	II	II	В
ha	*ч	•ч	*4	*4	•ч
2 540	3,4				
2 720	4,6	—	—	6,2	—
2 870	6,7	8,1	9,3	9,0	13,4
3 125	—	—	10,3	—		
3 300	8,3	—	12,8	—	—
Зависимость величины критической
потери в весе от температуры нити и
ее диаметра при работе ее в атмосфере
86% Аг +14% N2, полученная Фонда,
выражается данными табл. 13-3.
Однако работа Фонда ограничи-
вается лишь экспериментальным иссле-
дованием без попытки установления
количественных 'соотношений между
полученными величинами и другими
физическими факторами.
Для определения критической по-
тери в весе Корев и Плант исходят из
соотношения
_	. 100	Г 1 _ ЛЧ211 00,
К Чо	I Wo / J
(13-2)
где d0 и dx — средние диаметры нити,
a qQ и — веса нити в начале горе-
ния и через период времени т. Так
как величина dx весьма мало отли-
чается от d0, то в первом приближе-
нии можно принять:
/ dQ — dT \
л"=2(а„-"<‘ю- <13’3>
Пользуясь для установления зави-
симости между средними диаметрами
нити и dQ и начальным диаметром
дефектного участка dQ соотношением
(13-4)
где 8 для данной температуры нити
некоторая постоянная величина, после
соединения уравнения (13-4) с уравне-
нием (13-3) можно получить:
Если не принимать во внимание
охлаждающего действия соседних
участков нити, имеющих более низ-
кую температуру, то для нити, рабо-
тающей в вакууме, значение показа-
теля 8 можно выразить следующей
формулой:
’ пп — nD — Зпт
8 =	5(13-6)
Общее выражение показателя 8
с учетом охлаждающего действия со-
седних участков было выведено Прае-
§ 13-3]
РОЛЬ ДЕФЕКТНЫХ УЧАСТКОВ НИТИ
119
ником и В. Ф. Соустиным в следую-
щем виде:
Величина пд, отражающая дейст-
вие соседних участков нити, имеет
следующее выражение:
где dQ— начальный диаметр нити;
/—длина дефектного участка;
— энергетическая светимость
нити;
k — коэффициент теплопровод-
ности;
Т — температура нити. .
Для случая работы нити в атмо-
сфере газа величина 8 может быть вы-
ражена уравнением
s = пр~п«~3/Ч.	(!3.8)
лр-«л
Величина n'R, отражающая сум-
марный эффект отвода тепла посред-
ством излучения и путем передачи
тепла через газовую среду, может
быть выражена в следующем виде:
< = {nR -	’ (13-9)
где Та — средняя температура газа;
р — отношение тепловых потерь
через газ к потребляемой
мощности.
В табл. 13-4, 13-5, 13-6 и 13-7 при-
ведены экспериментальные данные для
•критической потери в весе вольфрамо-
вой проволоки, полученные 3. С. Воз-
несенской.
а)	Влияние окружающей
среды. Данные о величине критиче-
ской потери в весе в вакууме и раз-
личных газах для проволоки диамет-
ром d = 0,0645 мм и длиною 155 мм,
работающей при Г = 3 100° К, приве-
дены в табл. 13-4.
Из таблицы видно, что величина
критической потери в весе в вакууме
больше, чем в атмосфере газа, и в раз-
личных газах она уменьшается вместе
с уменьшением молекулярного веса
газа.
Такую же зависимость можно полу-
чить из приведенных выше уравнений,
используя величины р, приведенные
в табл. 13-4.
Таблица 13-4
Среда
Вакуум .........
93% Кг-|~7% Хе .
86% Аг-и 14% N2 .
Азот N2.........
0,0	3	17
0,24	64	11,4
0,41	21	7,8
0,51	10	5,2
Объяснение полученной зависимо-
сти критической потери в весе нити от
тепловых потерь в газе заключается в
том, что дефектные участки нити выде-
ляются сильнее в том случае, если теп-
ловые потери через газ больше. Вслед-
ствие повышения температуры в де-
фектном участке уменьшаются относи-
тельные потери тепла через газ и отно-
сительное повышение температуры в
этих точках будет тем больше, чем вы-
ше теплопроводность газа.
Экспериментально это выражается
в том, что в газе, обладающем боль-
шой теплопроводностью, дефектные
участки выделяются очень резко и нить
быстро перегорает.
б)	Влияние температуры
нити. Зависимость критической поте-
ри в весе от температуры нити в ва-
кууме и. смеси 86% Аг+ 14% N2 при-
ведена в табл. 13-5.
Таблица 13-5
	Вакуум		86% Аг+14% N2		
со	о , ,	к	6		к
	О. Л L	а			СО
со	к р 5		в ч аЗ К О) О О		
о> с S	OS м я Я S л J Ч у К	о “а - gbS	К Н U СО Я 5 О' Ч 8 £ - Ч о к		д OJ (D
	ао о S	о <у	а о о s		°- О S
	О Ч к S	С со	U Ч = ж		X Е в
2 700			14,1	383	0,48	5,6
2 900	20	15,9	132	0,45	6,5
3 100	3	17,0	21	0,41	7,8
3 300	0,25	18,7	2	0,38	8,9
Из табл. 13-5 видно, что критиче-
ская потеря в весе возрастает вместе
с температурой нити как в вакууме,
так и в атмосфере газа. Это показы-
вает, что при повышении температур
120
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 14
относительное (влияние дефектных
участков «а срок службы понижается.
В газонаполненных лампах, как ука-
зано было выше, также играет роль и
характер изменения сечения  нити
вследствие распыления и обратной кон-
денсации вольфрама.
в)	Влияние диаметра. В табл.
13-6- приведены данные о зависимо-
сти критической потери в весе для
вольфрамовой нити различных диамет-
ров, работающей при Т = 3 100°К в
вакууме и атмосфере 86% Аг + 14% N2.
Таблица 13-6
Диаметр нити, мкн	Вакуум	86% Аг + 14% N2		Отношение к ,ик
	Критиче- ская поте- ря в весе, %	₽	Критиче- ская поте- ря в весе, %	
29,8	11,4	0,57	4,7	0,43
64,5	17,0	0,41	7,8	0,46
88	15,5	0,37	8,1	0,52
119,2	17,1	0,26	9,5	0,56
150	16,7	0,21	10,4	0,62
Из табл. 13-6 можно видеть, что
при работе нити в вакууме 'Влияние
диаметра на величину критической по-
тери в весе незаметно, так как малое
значение ее для d = 29,8 объясняется,
невидимому, случайными причинами,
зависящими от качества нити.
При работе нити в атмосфере
86 % Ar -I- 14%N2, как и следовало
ожидать, вместе с диаметром возра-
стает как абсолютное значение крити-
ческой потери в весе, так и значение
отношения критических потерь в газе
и вакууме.
г)	Влияние давления газа.
В табл. 13-7 приведены данные о зави-
симости критической потери в весе для
нити диаметром d = 0,0645 см, рабо-
тающей при температуре Т — 3 100° К
в атмосфере 84 % Аг + 14% N2, при
различных давлениях.
Из табл. 13-7 видно, что при повы-
шении давления газа величина крити-
ческой потери в весе нити уменьшается.
Таблица 13-7
Давление газа, см рт. ст.	Продолжи- тельность горения, часы		Критическая потеря в весе, %
0	3	0	17
200	.	8	0,34	8,6
400	15	0,38	8,1
600	21	0,41	7,8
700	24	0,43	7,1
Абсолютная величина срока служ-
бы при этом возрастает вследствие
уменьшения распыления нити.
Приведенные в табл. 13-4—13-7
данные позволяют сделать оценку
влияния различных факторов на ве-
личину критической потери в весе для
вольфрамовой проволоки и. дают воз-
можность получения сравнительных
данных при разработке новых кон-
струкций ламп. С особой ясностью вы-
ступает при этом выгода применения
в качестве наполнителя газов с боль-
шим молекулярным весом, дающих
меньшие тепловые потери и большее
значение критической потери в весе,
определяющей длительность срока
службы.
ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
14-1. Классификация
ламп накаливания
Классификация ламп накаливания
может быть произведена по следую-
щим признакам:
1. В зависимости от физических
факторов:
а)	по роду материала, ив которого
выполнено тело накала лампы;
б)	по условиям, в которых проис-
ходит работа тела накала (вакуумная
или газонаполненная лампа).
, 2. В зависимости от производствен-
ных и (конструктивных факторов:
а)	по форме тела накала (лампы
с нитью прямолинейной, лампы со спи-
ральной нитью, лампы с нитью в виде
двойной спирали);
б)	по 'форме баллона (шарообраз-
§14-2]
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПАРАМЕТРЫ ЛАМП
121
ные, грушеобразные, цилиндрические
и др.).
3.	В зависимости от электрических
и световых параметров:
a)	по -напряжению лампы или ее
току;
б)	по электрической мощности;
в)	по световой мощности (сила све-
та и световой поток).
4.	В зависимости от эксплуатаци-
онных условий:
а)	по назначению;
б)	по роду включения в электри-
ческую сеть (параллельное или после-
довательное) .
14-2. Конструктивные особенности,
электрические и световые параметры
ламп
а)	Л а м л ы вакуумные и га-
зон о л я ы е. В (пустотных или вакуум-
ных лампах раскаленное тело работает
в высоком вакууме; давление остаточ-
ных газов в таких лампах достигает
10-4—10~5 мм рт. ст.
В газонаполненных (газополных)
лампах баллон после освобождения его
от воздуха наполняется инертным га-
зом при давлении в холодном состоя-
нии около 600 мм рт. ст.
В качестве наполняющего газа в со-
временных лампах применяется смесь
аргона с азотом, содержащая около
86% Аг и 14% N2 или новые наполни-
тели — криптон и ксенон в смеси их
с небольшим содержанием азота, роль
которого, так же как и в случае арго-
на, заключается в предотвращении
внутренних коротких замыканий тока
через газовую среду. В некоторых слу-
чаях для наполнения ламп применяется
азот.
Современные типы нормальных
осветительных ламп с наполнением ар-
гоном выполняются мощностью от
40 вт и выше, лампы до 40 вт выпол-
няются вакуумными. С введением ме-
нее теплопроводных наполнителей этот
нижний предел мощности газонапол-
ненных ламп может быть понижен без
уменьшения световой отдачи при со-
хранении нормального срока службы
ламп.
б)	Тело накала ламп. Уело- *
вия нагревания тела накала электри-
ческим током и сохранение достаточ-
ного срока службы лампы при высоких
температурах заставляют остановиться
на выполнении тела накала современ-
ной лампы в виде более или менее тон-
ких цилиндрических нитей. При этом
диаметр нити и ее длина зависят от
подведенной мощности лампы, ее ра-
бочего напряжения и температурного
режима, а также от условия рассеяния
энергии в окружающее пространство.
Из соображения уменьшения тепловых
потерь через газовую среду и через
охлаждение нити держателями тело
накала в современных газонаполнен-
ных лампах выполняется в виде винто-
вой цилиндрической спирали; при этом
спираль может быть простой или двой-
ной (бишираль).
Размещение тела накала внутри
баллона, а также установление желае-
мого пространственного распределения
светового потока заставляют придавать
телу накала, «кроме того, прямолиней-
ную, кольцеобразную или зигзагообраз-
ную форму. Зигзагообразное размеще-
ние тела накала может быть плоским,
цилиндрическим или конусообразным.
в)	Баллоны ламп. Форма и
размеры баллона лампы накаливания
устанавливаются в зависимости от
условий правильного охлаждения лам-
пы при ее работе, сохранения доста-
точного полезного срока службы и
в некоторых случаях также от специ-
альных требований эксплуатации.
г)	Напряжение лампы. Под
номинальным напряжением лампы
разумеется напряжение, при котором
лампа предназначена к работе. Это на-
пряжение зависит непосредственно от
напряжения, которым располагает ис-
точник, доставляющий электрическую
энергию для освещения, и поэтому в
зависимости от назначения напряже-
ние существующих на рынке электриче-
ских ламп колеблется в пределах от на-
пряжения гальванического или аккуму-
ляторного элемента, составляющего
1—2 в, до напряжения современной
электрической осветительной сети, со-
ставляющего 110—220 в.
В некоторых случаях, например в
случае ламп последовательного вклю-
чения, номинальный режим горения
лампы устанавливается не по напря-
жению, а по току. В этом случае в сеть
122
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 14
данного напряжения необходимо (вклю-
чать последовательно определенное,
строго установленное одело ламп,
дающее цри номинальном токе сум-
марное напряжение группы последова-
тельно (Включенных ламп, равное на-
пряжению сети.
д)	Мощность, световой по-
ток и световая отдача ламп.
Мощность лампы устанавливается в за-
висимости от требуемого светового по-
тока и световой отдачи, которой распо-
лагает лампа. Световая отдача лампы
обычно выбирается из соображений
наименьшей стоимости получения све-
та при данном соотношении цен на
лампы и электроэнергию. В связи с тем,
что тело накала у ламп малых мощно-
стей выполняется из более тонкой про-
волоки, рабочая температура их при
одном и том же сроке службы должна
выбираться меньшей по сравнению с
температурой более мощных ламп;
следствием этого является увеличение
световой отдачи ламп по мере повыше-
ния их номинальной мощности.
Из закона температурного излуче-
ния известно, что вместе с повышени-
ем температуры возрастают мощность
излучения источника и его световой по-
ток.
В (случае лампы накаливания общая
потребляемая мощность лампы при
данной температуре, размерах и кон-
струкции нити определяется излуча-
тельными свойствами материала нити
и свойствами окружающей среды, от-
водящей тепло. Световой поток лампы
при данных излучательных свойствах
материала не зависит от окружающей
среды и является исключительно функ-
цией температуры нити.
Относительное изменение потреб-
ляемой мощности и излучаемого свето-
вого потока в зависимости от темпера-
туры для вакуумных и газонаполнен-
ных ламп с вольфргамовой нитью при
ведено на фиг. 14-1.
Из приведенных кривых видно, что
мощность, потребляемая лампами с га-
зовым наполнением, возрастает с уве-
личением температуры медленнее, чем
мощность вакуумных ламп, хотя абсо-
лютное значение мощности газонапол-
ненной лампы всегда больше, чем мощ-
ность вакуумной лампы, имеющей оди-
наковую рабочую температуру и оди-
наковые размеры и конструкцию нити.
Вместе с температурой по тому же
закону, -что и световой поток, изменяет
ся и средняя видимая яркость нити, ко-
торая определяется делением силы света
лампы на площадь проекции поверхно-
сти тела накала, полученной для того
же направления, как и сила света. Как
это следует из законов излучения спи-
рального тела накала, средняя яркость
спирали больше, чем яркость прямо-
линейной нити из того же материала
и работающей при той же температуре.
В некоторых случаях, например в
лампах, применяемых для проекцион-
ных целей, оценка яркости производит-
ся не по площади проекции светящего-
ся тела накала, а по площади габари-
та, включающего данное тело. Такое
выражение яркости называется габа-
ритной яркостью лампы, и величина ее
служит для оценки данного источника
света с точки зрения пригодности его
работы, вместе с оптическими система-
ми — отражателями и линзами.
Как известно, для уменьшения
яркости ламп накаливания в некоторых
случаях поверхность прозрачных колб
матируется, или вся колба выполняется
из стекла, обладающего способностью
рассеивать свет (молочные или опало-
вые стекла).
В этом случае значение габаритных
яркостей, отнесенных к проекции по-
§ 14-2]
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПАРАМЕТРЫ ЛАМП
123
Таблица 14-1
Излучатель	Яркость, сб	Излучатель	Яркость, сб
Свеча		0,5	Вольфрамовая вакуумная лампа	
Открытое газовое пламя ....	1,0	25 вт, матированная изнутри .	4*
Керосиновое пламя		1,25	Вольфрамовая газонаполненная	
Газокалильная сетка 		4,00	лампа 50 вт, матированная из-	
Ацетиленовое пламя 		15,00	нутри 		6
Нить вольфрамовой лампы 50 вт	408	Нить газонаполненной лампы	
Молочная эмалевая лампа 50 вт	1,30	2000 вт		1325
Нить вольфрамовой лампы 75 вт	546	Нить газонаполненной лампы	
Молочная эмалевая лампа 75 вт Нить вольфрамовой вакуумной	2,1	2 000 вт, между витками . . . Газонаполненная лампа 2 000 вт,	3000
лампы 40 вт	 Матированная снаружи лампа	212	матированная снаружи .... Солнце, наблюдаемое на поверх-	130
40 вт		2,5	ности земли 	 Ясное небо (средняя яркость) . .	165 000 0,4
верхносги (всей колбы, снижается.
В табл. 14-*1 приведены значения ярко-
стей таких ламп вместе с данными для
других источников света.
Одним «из важнейших параметров,
характеризующих экономичность источ-
ника света, является световая отдача.
Из законов теплового излучения из-
вестно, что при повышении темпера-
туры тела накала световая отдача из-
лучения увеличивается, достигая своего
максимума для черного тела при тем-
пературе около 6 500° К. •
Однако в реальных источниках све-
та, как известно, такая высокая тем-
пература недостижима введу ограни-
ченной тер место й кости м атери ал ов,
применяемых для изготовления излуча-
теля, и в особенности для нитей накала
в электрических лампах, основанных на
использовании тепла Джоуля.-Поэтому
световая отдача различных типов ламп
накаливания «может быть установлена
лишь в пределах, допускаемых термо-
стойкостью материала, применяемого
для изготовления калильной нити.
Для вольфрама, даже при темпера-
туре его плавления, можно получить
лишь около 50 лм!вт. Из соображений
сохранения достаточной механической
прочности нити и уменьшения темпера-
турного распыления ее вещества, рабо-
чая температура реальных вольфрамо-.
вых нитей выбирается для нормальных
осветительных ламп в пределах 2 400—
2 900° К, соответственно чему опреде-
ляется и световая отдача лампы.
Кривые зависимости световых отдач
от температуры для различных ламп
представлены на фиг. 14-2.
е)	Рабочая температура
тела накала. Важнейшим парамет-
ром лампы накаливания является тем-
пература ее тела накала, от которой
зависят при данных размерах нити и
Фиг. 14-2.
конструкции лампы все ее световые и
электрические параметры. Как известно
из предыдущего, рабочая температура
тела накала устанавливается в зависи-
мости от рода материала нити, ее раз-
меров и конструкции, а также от усло-
вий работы, определяемых природой и
состоянием окружающей среды.
Предельной температурой тела на-
кала является точка плавления его ма-
териала, однако из соображений сохра-
нения достаточной механической проч-
ности тела накала и ограничения его
температурного распыления рабочие
температуры лампы накаливания уста-
навливаются на некоторых более низ-
ких уровнях.
ж)	Цветность света ламп
накаливания. Цветность излуче-
124
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 14
•ния лампы накаливания подобно цвет-
ности излучения абсолютно черного те-
ла зависит от температуры тела нака-
ла, и изменение распределения энергии
в видимой части спектра в зависимо-
сти от температуры для лампы нака-
ливания будет определяться кривыми,
подобными кривым для абсолютно чер-
ного тела, но исправленными в зави-
симости от степени селективности из-
лучения данного тела накала.
Идеальный белый свет можно полу-
чить путем накаливания лишь при
очень высоких температурах излуча-
теля, порядка 9 0000 К, хотя условно
белым светом можно считать свет, по-
лучаемый при цветовой температуре,
близкой к температуре солнца и равной
6 000—7 000° К.
Эти температуры намного выше тем-
пературы плавления вольфрама, а по-
тому в современных вольфрамовых
лампах недостижимы. В связи с этим
цветность света ламп накаливания от-
личается от цветности солнечного све-
та. При необходимости получения цвет-
ности света, соответствующей солнеч-
ной, для ламп накаливания применяет-
ся баллон из специально подобранного
цветного стекла, обладающего разными
коэффициентами поглощения для излу-
чений разных длин волн.
з)	„Распределениесветово-
г о потока в пространстве.
Распределение светового потока лампы
накаливания в пространстве зависит от
формы и расположения тела накала,
а также от рассеивающей способности
стенок колбы. Распределение светово-
го потока в различных направлениях
пространства обыкновенно характери-
зуется двумя кривыми: кривой распре-
деления в горизонтальной плоскости
(плоскость, перпендикулярная к оси
источника света) и кривой распределе-
ния в вертикальной плоскости (пло-
скость, проходящая через ось источни-
ка) . В большинстве случаев нить обыч-
ной нормальной осветительной лампы
накаливания размещается на поверх-
ности некоторого тела вращения, имею-
щего с лампой общую ось, и горизон-
тальная кривая распределения пред-
ставляет кривую, более или менее близ-
кую к окружности.
В этом случае для полной характе-
ристики распределения светового пото-
ка лампы в пространстве достаточно
иметь одну кривую распределения в
вертикальной плоскости, вращая кото-
рую около оси, можно получить силу
света в любом направлении простран-
ства.
Вертикальные кривые распределе-
ния, соответствующие данному случаю,
для наиболее употребительных спосо-
бов размещения тела накала в лампе
приведены на фиг. 14-3—14-5.
На приведенных фигурах изображе-
ны схематически также и способы раз-
мещения тела накала, соответствующие
определенной кривой.
и)	Температура стенок
баллона лампы. В связи с погло-
щением части энергии, выделяющейся
в нити, стенки баллона нагреваются до
§ 14-2]
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ПАРАМЕТРЫ ЛАМП
125
Фиг. 14-5.
некоторой температуры, зависящей от
типа лампы, ее мощности и степени .по-
чернения стенок баллона. Передача
тепла от раскаленной нити стенкам
колбы совершается путем поглощения
лучистой энергии стенками и в газона-
полненных лампах, кроме того, за счет
передачи тепла наполняющим лампу
газами. Поэтому в вакуумных лампах
наиболее высокая температура стенок
имеет место непосредственно
напротив тела накала. Распре-
деление температуры колбы в
газонаполненных лампах вслед-
ствие движения конвекционных
потоков нагретого газа имеет
другой характер и зависит от
условий отдачи тепла конвек-
ционных потоков стенкам бал-
лона. Кривая распределения
температуры газонаполненных
ламп в 200 вт представлена на
фиг. 14-6.
Из рассмотрения кривой
видно, что максимальная тем-
пература колбы в этом случае дости-
гает 165° С и точка наивысшей темпе-
ратуры колбы располагается в месте
перехода шаровой части ее в цилин-
дрическую.
Предохранение вводов и цоколя от
действия высокой температуры дости-
гается в газонаполненных лампах пу-
тем сужения цилиндрического горла
колбы и постановки на пути конвек-
Фиг. 14-6.
126
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл. 14
ционных потоков газа слюдяных экра-
нов. В мощных лампах перегрева цо-
коля и вводов избегают путем измене-
ния рабочего положения лампы. В этом
случае нормальным рабочим положе-
нием лампы считается положение ее
цоколем вниз, и для предохранения
стекла верхней части баллона от раз-
мягчения под действием высокой тем-
Фиг. 14-7.
пературы верхняя его часть выполняет-
ся в виде цилиндра или конуса, имею-
щего достаточный объем для правиль-
ной циркуляции конвекционных пото-
ков газа. Эта часть одновременно слу-
жит также и камерой для конденсации
паров вольфрама, увлекаемых потока-
ми газа. Лампы в этих случаях выпол-
няются из специального тугоплавкого
стекла. В сверхмощных лампах часто
этого бывает недостаточно и верхняя
часть баллона снабжается радиатором,
способствующим лучшему рассеянию
выделяющегося в лампе тепла.
Значения максимальных температур
стенок баллона в лампах различных
мощностей приведены в таблице к
фиг. 14-6.
Температура баллона лампы, вы-
полненной из цветного или матирован-
ного стекла, всегда выше температуры
колб прозрачных ламп той же мощно-
сти и конструкции. Это повышение тем-
пературы в данном случае находится
в прямой зависимости от количества
тепла, поглощаемого стенками бал-
лона.
Несмотря на высокую температуру
колбы, температура окружающего про-
странства вблизи открытой лампы не-
высока. Распределение температуры
воздуха в этом случае для ламп 100 вг
характеризуется кривой фиг. 14-7. Рас-
пределение температуры окружающего
пространства в случае заключения лам-
пы в арматуру зависит от мощности
лампы, объема арматуры и условий ее
вентиляции.
14-3. Изменение -параметров ламп
накаливания в зависимости .
от напряжения электрической сети
Изменения напряжения в сети, пи-
тающей электрическую ’ лампу, сопро-
вождаются изменением и других элек-
трических характеристик лампы: тока,
сопротивления нити и выделяемой мощ-
ности. В связи с этим изменяются так-
же и остальные ее характеристики: тем-
пература и яркость нити, световой по-
ток лампы, ее световая отдача и срок
службы. Величина этих изменений за-
висит от материала нити, ее рабочего
режима и конструкции лампы.
Степень реакции отдельных харак-
теристик лампы на изменение напряже-
ния неодинакова и может, быть выра-
жена графически в виде кривых зави-
симости данной характеристики лампы
от изменения напряжения по отноше-
нию к какой-либо точке режима, при-
нятой за начальную. Изменения напря-
жения и характеристик при этом обык-
новенно выражаются в процентах на-
чального значения. В качестве началь-
ных значений чаще .всего применяются
номинальные значения напряжения и
соответствующие ему нормальные зна-
чения характеристических величин. ’
На фиг. 14-8 приведены процентные
изменения в зависимости от напряже-
ния: сопротивления нити г, силы тока
/, мощности Р, светового потока F,
световой отдачи т| и срока службы.
Величины приведенных отклонений,
как указано было выше, могут изме-
няться в некоторых пределах в зависи-
мости от рабочей температуры нити и
конструкции лампы (влияние охлажде-
ния нити держателями).
В некоторых случаях, как, напри-
мер, в случае ламп последовательного
включения, целесообразнее изменения
характеристик лампы связать с другим
электрическим параметром лампы —
током.
Такая зависимость для вольфрамо-
вых ламп, предназначенных для после-
§ 14-4 ]
ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАМПЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ РАБОТЫ'
127
довательното включения, представлена
кривыми фиг. 14-9.
При небольших изменениях напря-
жения, не более 10%, можно с доста-
точной степенью точности (1—2%)
пользоваться следующим уравнением:
где Н и Но — значения соответствую-
щих характеристик силы света или
светового потока, потребляемой мощ-
ности, световой отдачи, тока и срока
службы; U и Uo — напряжения, опре-
деляющие два режима сети.
Значения коэффициентов тн для
различных характеристик по отноше-
нию к нормальному' режиму различ-
ных вакуумных ламп даны в табл. 14.-2.
С помощью (14-1) можно устано-
вить также связи и между другими
•характеристиками лампы. Эти связи
могут быть выражены следующим
рядом уравнений:
В приведенных уравнениях показа-
тели /Пр, тг и tnL являются основ-
ными, все же остальные могут быть
выражены в виде функций этих основ-
ных величин. Числовые значения ве-
личин т[ приведены в табл. 14-2.
14-4. Изменение параметров лампы
в процессе ее работы
Процессы старения нити, описанные
выше в гл. 13, сопровождаются изме-
нением энергетических и световых па-
раметров тела накала. В реальной
лампе изменение световых ее парамет-
ров: светового потока и световой отда-
чи, усиливается еще влиянием почер-
нения стенок баллона вследствие осаж-
дения распыленного вольфрама на вну-
тренней поверхности баллона. Кроме
того, в случае спирального тела нака-
ла, работающего в атмосфере газа, све-
товой поток, а вместе с ним и свето-
128
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ -
[гл. 14
Таблица 14-2
Значение коэффициента тн для разичных характеристик
т	Характеристики	Непрепари- рованная угольная нить	Препариро- ванная угольная нить	Метализиро- ванная угольная нить	Танталовая нить	Вольфрамовая нить
mF	Сила света или све- товой поток F . .	6,89	5,55	4,72	4,35	3,61
Шр	Мощность Р . . .	2,31	2,07	1,77	1,74	1,58
	Световая отдача т).	4,59	3,48	2,95	2,61	2,03
fUj	Ток I		1,31	1,07	0,77	0,74	0,58
mL	Срок службы L . .	—25,50	—20,30	—17,-20	—16,20	—11,2 до—14,8
вая отдача ламины уменьшаются за счет
провисания спирали и связанного с
этим явлением уменьшения температу-
ры вследствие усиленного охлаждения
нити газом. В обоих случаях наиболь-
шие снижения наблюдаются у светово-
го потока, что объясняется большей его
зависимостью от температуры и влия-
нием почернения стенок. Вакуумная
лампа имеет большое изменение свето-
вого потока и других параметров по
сравнению с газонаполненной лампой.
Это объясняется более интенсивным
распылением вольфрама в вакууме и
консервирующим действием газовой
среды.
Кроме этого в газонаполненной
лампе вольфрамовые пары уносятся
конвекционными потоками газа в верх-
нюю часть баллона, в то время как в
вакуумной лампе налет осаждается не-
посредственно в зоне 'Используемого
светового потока.
Присутствие в баллоне вредных га-
зов и водяных паров увеличивает по-
тери светового потока. Неблагоприят-
ное действие на изменение светового
потока оказывает также повышение
температуры баллона выше известных
пределов. Это объясняется усиленным
выделением из стенок баллона водя-
ных паров и других газов, поглощен-
ных в процессе .действия химических
реагентов (газопоглотителей), приме-
няемых при откачке лампы.
Работа ламп последовательного
включения существенно отличается от
работы лампы при постоянном напря-
жении. В то время как -при работе
лампы на постоянном напряжении,
мощность ее с течением времени умень-
шается в случае поддержания постоян-
ной величины тока, при одновременном
уменьшении сопротивления нити за счет
распыления мощность лампы с тече-
нием времени возрастает. В результа-
те этого характер изменения парамет-
ров лампы последовательного включе-
ния во времени отличается от измене-
ния их при работе на постоянном на-
пряжении.
Мощность лампы, работающей при
неизменном токе, все время возрастает,
в то время как световой поток сначала
плавно увеличивается, а затем так же
плавно снижается. Такое явление ха-
рактерно для ламп малой мощности,
у которых отношение поверхности бал-
лона к поверхности нити больше, чем
в лампах больших мощностей. В этом
случае сначала почернение баллона за
счет распыления нитей идет медленнее,
чем возрастание мощности и светового
потока нитей, и только в средине срока
службы отрицательное действие почер-
нения стенок баллона на световой по-
ток лампы делается заметным. В лам-
пах больших мощностей при работе их
в условиях последовательного включе-
ния результаты почернения баллона
сказываются гораздо резче и плавное
снижение светового потока наблюдает-
ся в более ранний период работы
лампы.
Из других изменений, являющихся
результатом старения лампы, можно
отметить также изменение цветности,
которое в лампах параллельного вклю-
чения всегда идет в сторону увеличения
излучений красной части спектра.
В лампах последовательного включе-
ния цветность света изменяется эначи-
§ 14-5]
ОТКЛОНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАМП ОТ НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
129
телыно. меньше, так как в противопо-
ложность лампе параллельного вклю-
чения избирательное поглощение света
стенками колбы, покрытыми налетом
распыленного вольфрама, здесь ком-
пенсируется повышением температуры
нити.
Некоторые изменения наблюдаются
также при долговременном горении и
в распределении светового потока, за-
висящие как от неравномерности по-
чернения стенок баллона лампы, так
и от провисания ее тела накала.
14-5. Отклонение параметров ламп
от номинальных значений
а)	Отклонение электриче-
ских и световых параметров.
При исследовании электрических и све-
товых параметров ламп накаливания
можно заметить, что у большинства
ламп величины этих параметров не со-
ответствуют в точности их номиналь-
ным значениям. То же самое можно
заметить и в отношении срока службы.
Причиной этого служат неравномер-
ность полуфабрикатов, из которых из-
готовляется лампа, и неполная иден-
тичность выполнения отдельных дета-
лей лампы, главным образом ее тела
накала. Так, для лампы, работающей
при постоянном напряжении, увеличе-
ние диаметра нити одновременно вле-
чет за собой увеличение мощности
лампы, ее светового потока и световой
отдачи.
Наоборот, при увеличении длины
нити мощность, световой поток и све-
товая отдача уменьшаются. Для ламп
со спиральной -нитью играет большую
роль ючность выполнения основных
параметров спиралей: ее диаметра и
частоты намотки. Так, при увеличении
шага спирали при изготовлении спи-
рали увеличиваются мощность и све-
товая отдача лампы по причине общего
укорочения нити, хотя действие умень-
шения длины отчасти компенсируется
здесь увеличением охлаждения спира-
ли газовой средой.
При увеличении шага спиралей
после изготовления, например при ее
провисании, увеличивается' мощность
лампы, но уменьшается ее 'световая
отдача. Это происходит вследствие
большего охлаждения растянутой спи-
9 А. П. Иванов.
рали газом, при котором световой по-
ток уменьшается сильнее, чем возра-
стает мощность.
Кроме приведенных примеров изме-
нения параметров, связанного с изме-
нением .размеров тела макала, в произ-
водстве имеются много причин чисто
технологического порядка, оказываю-
щих влияние на параметры лампы.
Фиг. 14-10.
Учитывая полную невозможность
изготовления .в точности идентичных
ламп, практика при нормировании ка-
чества ламп устанавливает определен-
ные допуски отклонений для различ-
ных параметров лампы.
К числу таких параметров принад-
лежат световая отдача, или удельный
расход, мощность лампы и ее световой
поток. Величины допустимых отклоне-
ний. этих параметров от их расчетных
значений зависят от качества приме-
няемых полуфабрикатов и техническо-
го уровня производства в целом. При
установлении допусков необходимо
считаться с особенностями использо-
вания лампы и возможностями произ-
водства.
Оценка ламп с точки зрения степени
удовлетворения их установленным нор-
мам отклонений по отдельным пара-
метрам может быть выполнена наибо-
лее просто с помощью графического
построения, представленного на
фиг. 14-10.
130
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[ гл. 14
Здесь по оси абсцисс, откладывают-
ся значения мощностей ламп и по оси
ординат — их 'световые потоки, или си-
ла света. Легко видеть, что в такой си-
стеме координат для каждой точки
имеет место уравнение
F = Р tg а.
Из этого уравнения непосредственно
следует, чт.о
F
т] = — = tg а.
Ограничивая часть поверхности, заклю-
ченной в данной системе координат,
двумя лучами, проходящими по обе
стороны линии, соединяющей данную
точку с началом координат, можно по-
лучить площадь, в пределах^ которой
каждая точка будет иметь световую от-
дачу , удовлетворяющую определен-
ным допускам отклонения в световой
отдаче.
Для выражения допусков в мощно-
сти Р достаточно провести две линии,
параллельные оси ординат, соответ-
ствующие пределам мощности, в кото-
рых должна находиться мощность дан-
ной лампы.
Периметр трапеции, образованной
двумя лучами и линиями, параллель-
ными оси ординат, будет включать все
точки, удовлетворяющие данным до-
пускам световой отдачи и мощности.
В некоторых случаях применяется
дальнейшее ограничение: по третьему
параметру — световому потоку F —
легко видеть, что это ограничение со-
здается двумя линиями, параллельны-
ми оси абсцисс. Современная практика
стандартизации ламп, однако, приме-
няет систему допусков лишь по пер-
вым двум параметрам: световой отдаче
и мощности, лампы.
Из ,фиг. 14-10 видно, каким образом
укладывается в диаграмму вся шкала
мощностей ламп при постоянной вели-
чине процента, выражающего допуск.
Так как при прочих равных усло-
виях ограничение максимального зна-
чения световой отдачи и минимального
значения мощности себя не оправды-
вает, то обычно ограничивают лишь ми-
нимальное значение светового потока и
максимальное значение мощности. Та-
кая односторонняя система ограниче-
ний параметров ламп принята в на-
стоящее время во всех отечественных
стандартах на лампы.
б)	Отклонения в сроке
службы. Соответственно изменению
электрических и световых параметров
изменяется и срок службы отдельных
ламп. Из диаграммы видно, что в свя-
зи с различными значениями оветовой
отдачи ламп; определяемой температу-
рой, и вследствие других причин, свя-
Фиг. 14-11.
заыных с особенностями физических
явлений в лампах накаливания и осо-
бенностями технологии производства,
невозможно ожидать, чтобы все лампы
имели одинаковый срок службы.
Анализ статистического материала
по испытанию ламп накаливания на
срок службы показывает, что послед-
ний подчиняется определенной законо-
мерности, характеризуемой в матема-
тической статистике кривыми распре-
деления.
Нормальная кривая распределения,
построенная для некоторого частного
случая, изображена на фиг. 14-11. Кри-
вая эта изображает количество ламп,
соответствующее определенному сроку
службы. Как следует ив этой кривой,
половина общего количества испытан-
ных ламп обладает сроком службы
ниже среднего (расчетного), в данном
случае 1 000 час., а другая половина
ламп имеет срок службы выше сред-
него (расчетного). Чем выше макси-
мум кривой и чем уже сама кривая,
тем качество ламп в отношении срока
службы выше и тем однороднее данная
партия ламп по сроку службы. Степень
однородности срока службы ламп дан-
ной партии' иногда характеризуют так
называемой «криво» сроков службы
ламп». Кривая эта может быть по-
строена на основании кривой распреде-
§ 14-6]
СОВРЕМЕННЫЕ ТИПЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
131
ления, и каждая точка ее определяет
число ламп (абсолютное или в процен-
тах) со сроком службы не ниже опре-
деленного, соответствующего данной
точке кривой. Кривая сроков службы
ламп, соответствующая кривой распре-
деления фиг. 14-11, изображена на
фиг. 1442.
Практические кривые распределе-
ния или кривые сроков службы ламп,
Фиг. 14-12.
построенные по результатам испытания
большого количества ламп, (Прибли-
жаются к нормальным статистическим.
Оценка качества ламп накаливания
 по сроку службы в отечественных стан-
дартах последнее время предусматри-
вается по гарантийному сроку службы.
За гарантийный срок службы прини-
мается срок службы, которым должны
обладать не менее определенного коли-
чества ламп в испытуемой партии. Как
следует из нормальной кривой сроков
службы (фиг. 14-12), гарантийный срок
службы совпадает со средним (рас-
четным) в том случае, (если гарантия
распространяется на 50% ламп партии.
При более высокой гарантии, гарантий-
ный срок службы будет ниже среднего
(расчетного), при этом чем выше про-
цент гарантии, тем больше разница
между средним (расчетным) сроком
службы и гарантийным.
14-6. Современные типы
ламп накаливания
В настоящее время изготовляются
разные типы электрических ламп нака-
9*
ливания. Группа аналогичных типов
ламп составляет один общий ассорти-
мент. В основу классификации ламп по
ассортиментам может быть положен
принцип общности физических свойств
или конструктивных особенностей, или
же принцип общности по назначению
ламп. Практически разбивка разных
типов ламп по ассортиментам осуще-
ствляется применительно к их эксплуа-
тационному назначению и в соответ-
ствии с этим разрабатываются стан-
дарты, технические условия и каталоги
на лампы. Каждый ассортимент ламп
обладает некоторыми общими специфи-
ческими особенностями. Не вдаваясь
в анализ отдельных параметров ламп и
специфику их конструктивного оформ-
ления, можно дать нижеследующую
общую характеристику особенностей
основных ассортиментов ламп отечест-
венного производства, имеющих массо-
вый или крупносерийный выпуск.
Лампы накаливания нор-
мальные осветительные (фиг.
14-13) охватывают наибольшее количе-
Фиг. 14-13.
ство типов и предназначаются для це-
лей общего, и местного нормального
освещения. ’Лампы конструируются на
стандартные эксплуатационные напря-
жения ПО, 127 и 220 в и разные мощ-
ности: от 10 до 1 000 вт. Лампы выпол-
няются в шарообразных баллонах со
спиральным телом накала и имеют
стандартный резьбовой или штифтовый
цоколь. Некоторые типы ламп выпол-
няются в баллонах из светорассеиваю-
щего стекла (молочное, опаловое и ма-
тированное). Лампы обеспечивают сред-
132
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[гл, 14
ний срок службы не ниже 1 000 час. и
гарантийный срок службы не менее чем
для 90% ламп—500 час. Соответствен-
но световая отдача ламп в зависимости
от типа лежит в пределах от 6 до
20 лм/вт. Отдельные типы ламп выпол-
няются в параболических колбах и
имеют со стороны горла зеркальное
покрытие, обеспечивая концентрацию
светового потока в зоне 0—40° от оси
лампы. Такие лампы используются
главным образом для общего освеще-
ния высоких помещений без дополни-
тельной зеркальной осветительной ар-
матуры.
Некоторые типы ламп средней мощ-
ности выполняются с телом накала в
виде двойной спирали (биспиральные
лампы) и обеспечивают относительно
более высокую световую отдачу при
той же продолжительности горения.
Лампы накаливания для
местного освещения (фиг.
14-14) предназначаются для местного
освещения производственных помеще-
ний вместо нормальных осветительных
ламп в тех случаях, когда по условиям
техники безопасности необходимо ис-
пользование низкого напряжения 12
или 36 в. В соответствии с назначением
ламп (для местного освещения) их
мощность не превышает 50 вт, а сред-
ний срок службы составляет не ниже
1 000 час. при гарантийном для 90%
ламп в 500 час. Для ламп применяют-
ся прозрачная или матированная колба
и стандартный резьбовой или штифто-
вый цоколь.
Лампы накаливания же-
лезнодорожные (фиг. 14-15)
служат для местного и общего освеще-
ния железнодорожных вагонов и паро-
возов. В соответствии с особенностями
источников питания лампы конструи-
руются на напряжения 24, 50 и 75 в
и рассчитаны на мощность не более’
50 вт. В зависимости' от типа лампы
имеют разный средний срок службы
300, 800 и 1 000 час. и выполняются со
стандартными резьбовыми или штиф-
товыми цоколями.
Лампы накаливания для
железнодорожных светофо-
ров (фиг. 14-16) применяются в сиг-
нальных приборах—светофорах авто-
блокировки на железных дорогах. В со-
ответствии с двумя принципиальными
конструкциями светофоров (линзовый
и прожекторный светофоры) изготовля-
ются разные конструкции ламп, рассчи-
танные на напряжение 12 и 10 в при
мощности от 5 до 50 вт. Конструкция
тела накала ламп, его расположение и
яркость свечения отвечают требовани-
ям оптической системы приборов. Лам-
пы в основном рассчитаны на средний
гарантийный для 80% ламп срок служ-
Фиг. 14-16.	Фиг. 14-17.
бы 1 000 и 500 час. Почти все типы
ламп имеют фокусирующие цоколи,
обеспечивающие точное расположение
тела накала относительно цоколя, что
имеет существенное значение при ис-
пользовании ламп в специальных опти-
ческих приборах.
Лампы накаливания трам-
вайные (фиг. 14-17) предназначают-
§ 14-6]
СОВРЕМЕННЫЕ ТИПЫ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
133
ся для .освещения трамвайных вагонов
и для сигнальных отличительных огней,
а также для освещения вагонов метро-
политена. По условиям эксплуатации-
лампы работают при последовательном
соединении их в группы, включаемые
в соответствующую сеть. В связи с этим
разброс ламп по мощности (или току)
сравнительню невелик. Будучи предна-
значенными для эксплуатации в усло-
виях вибрации, тряски и ударных уси-
лий, лампы обладают повышенной ме-
ханической прочностью.. Этим отчасти
объясняется сохранившееся еще для
этих ламп выполнение тела накала в
виде прямолинейной зигзагообразно
расположенной нити, укрепленной на
многих держателях. Лампы имеют стан-
дартные резьбовые или штифтовые цо-
коли и рассчитаны на длительную про-
должительность горения в связи с не-
избежными в условиях эксплуатации
колебаниями напряжения, вызывающи-
ми снижение продолжительности горе-
ния ламп.
Лампы накаливания судо-
вые- (фиг. 14-18) предназначаются
для местного и общего освещения или
для отличительных огней на морских и
речных судах. Лампы по своей кон-
струкции аналогичны железнодорож-
ным лампам и отличаются от них на-
пряжением (24, 55, ПО и 220 в), вы-
бранным в соответствии с источниками
питания электроэнергией. Некоторые
конструкции судовых ламп, предназна-
ченные для ответственной работы в
сигнальных приборах, выполняются
с двойным телом накала (две спира-
ли). При перегорании одной спирали
у этих ламп автоматически включается
вторая 1спираль, чем обеспечивается
бесперебойная работа сигнального при-
бора.
Лампы накаливания авто-
мобильные и тракторные
(фиг. 14-19) служат для освещения и
сигнальных огней автомобилей и трак-
торов. Основными особенностями этих
ламп являются малые габаритные раз-
меры, высокая световая отдача, точное
расположение тела накала при исполь-
зовании ламп в фарах и механическая
прочность ламп, эксплуатируемых в
условиях тряски и вибрации. Лампы
рассчитаны на низкое напряжение (6 и
12 в) в соответствии с источниками
питания электроэнергией, применяемы-
ми на автомобилях и тракторах. Для
головных фар и для некоторых сиг-
нальных огней конструируются лампы
с двумя телами накала (спиралями),
из которых одно рассчитано на боль-
шую мощность и, следовательно, боль-
шую силу света, а другое — на мень-
шую мощность и меньшую силу света.
Фиг. 14-18.
Фиг. 14-19.
Наличие двух разных тел накала по-
зволяет включать отдельно то или дру-
гое тело накала в зависимости от усло-
вий эксплуатации (езда в городе или
за городом и сигнализация при тормо-
жении или при стоянке автомобиля).
Автомобильные лампы обычно тари-
руются по силе света (1, 2, 3, 6, 10, 15,
21, 32, 2-рЗ, 21 4-6, 21-}-21, 32 + 21
и 504—21 св),. Большинство автомо-
бильных ламп имеет штифтовый цо-
коль, который обеспечивает большую
надежность крепления лампы в патро-
не в условиях тряски и вибрации. Лам-
пы для головных фар имеют фокуси-
рующий цоколь, обеспечивающий точ-
ное положение тела накала в фокусе
оптической системы фары.
Лампы накаливания кино-
проекционные (фиг. 14-20) ис-
пользуются в проекционной и звуко-
воспроизводящей киноаппаратуре. Лам-
пы выполняются разной конструкции
в зависимости от конкретного назна-
чения и типа киноаппаратуры. Тело
накала ламп состоит из одной или не-
скольких спиралей, смонтированных в
виде отдельных вертикально располо-
женных секций. Для того чтобы обес-
134
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
[ ГЛ. 14
лечить оплошную светящуюся площад-
ку, что имеет существенное значение
при использовании ламп для кинопро-
екции, тело накала некоторых типов
ламп выполняется в виде опирали, мон-
тированной на плоском сердечнике с
близко расположенными друг к другу
витками. Кинопроекционные лампы от-
личаются повышенными яркостью и
световой отдачей вследствие повышен-
ной рабочей температуры тела накала.
Лампы конструируются на разную
Фиг. 14-20.	Фиг. 14-21.
мощность (от 30 до 750 вт) и разные
напряжения (от 5 до 127 в) в зависи-
мости от их назначения и источников
питания электроэнергией. Лампы
имеют штифтовые или фокусирующие
цоколи в тех случаях-, когда требуется
обеспечить точное положение тела на-
кала в оптике кинопроекционной аппа-
ратуры. Вследствие большой темпера-
туры тела накала средняя продолжи-
тельность горения ламп сравнительно
мала и для большинства типов состав-
ляет от 30 до 100 час.
Лампы накаливания про-
жекторные (фит. 14-21 и 14-22)
используются в разных прожекторных
установках. Лампы рассчитаны на
большую рабочую температуру тела
накала, вследствие чего обладают
большой яркостью свечения. Тело на-
кала ламп, выполняемое из спираль-
ной нити, имеет разную форму в зави-
симости от конструкции и назначения
прожектора, для которого предназна-
чаются лампы. При этом размеры тела
накала ограничиваются так, чтобы они
не выходили за установленный макси-
мум. Прожекторные лампы конструи-
руются как на нормальные эксплуата-
ционные напряжения (НО и 220 в),
так и на низкие напряжения (11, 12, 23
и 50 в) в том случае, если они предна-
значаются для транспортных установок
(паровозные или буферные прожектора
и др.). Мощность разных типов ламп
Фиг. 14-22.
лежит в пределах от 250 до 10 000 вт.
Лампы имеют резьбовые и штифтовые
цоколи или же фокусирующие, если
тело накала их должно быть точно рас-
положено относительно цоколя. Для
ламп мощностью 5000 и 10 000 вт при-
меняются специальные цоколи с гибки-
ми выводами. Вследствие сравнитель-
но большой температуры тела накала
средний срок службы для большинства
типов прожекторных ламп лежит в пре-
делах 100—500 час. и для отдельных
типов составляет даже 10—50 час.
Лампы накаливания для
самолетов (фиг. 14-23) предназна-
чаются для освещения, сигнальных
огней и освещения приборов на само-
летах. Характерными особенностями
этик ламп являются их сравнительно
малые габаритные размеры, повышен-
ная световая отдача и малая мощность
(от 5 до 25 вт для большинства типов
ламп). В связи с повышенной световой
отдачей, достигаемой за счет увеличе-
ния рабочей температуры тела накала,
§ 14-7]
СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
135
гарантийный срок 'службы для 90%
ламп не превышает 125 час. В соот-
ветствии с источниками питания элек-
троэнергией самолетные лампы кон-
струируются на напряжение '13; 26 и
28 в. Все лампы имеют штифтовый цо-
коль, обеспечивающий надежную связь
с патроном в условиях тряски и вибра-
ции.
Лампы накаливания ми-
ниатюрные низкого напря-
жения' (фиг. 14-24) имеют малые га-
Фиг. 14-23.	Фиг. 14-24.
баритные размеры (диаметр 10—25 мм
и наибольшую длину 25—30 мм) и
предназначаются для переносных фо-
нарей' индикаторов и т. п. Лампы рас-
считаны на низкое напряжение (в ос-
новном, 1—3,5 в) применительно к ис-
точникам питания электроэнергией
(элементы и аккумуляторы). Лампы
обладают малой мощностью и тари-
руются по максимальному току, в ос-
новном, от 0,075 до 0,8 а. В связи с
крайне малыми габаритными разме-
рами ламп гарантийный срок службы
для 90% ламп составляет от 20 до
300 час. (в зависимости от типа ламп).
Лампы имеют миниатюрные резьбовые
иЛи штифтовые цоколи.
«К миниатюрным можно еще отнести
так называемые коммутаторные лампы,
выполняемые в цилиндрических балло-
нах малого диаметра (6,4 мм) и
имеющих специальный цоколь для
вставки их в гнезда коммутаторов ста-
ционарных ручных и автоматических
телефонных станций, где они исполь-
зуются в качестве оптических индика-
торов сигнала. Лампы рассчитаны на
разные напряжения (6, 12, 24, 36, 48
и 60 в,) и равные токи (от 0,065 до
0,105 а).
Помимо указанных основных ассор-
тиментов ламп накаливания, изготов-
ляемых в массовых количествах, су-
ществует еще много других типов
ламп, имеющих специальное ограни-
ченное применение и предназначенных
также для освещения или сигнали-
зации.
14-7. Стандартизация электрических
ламп накаливания
Электрические лампы накаливания
являются изделиями массового приме-
нения, а потому их стандартизации
уделяется серьезное внимание. Суще-
ствует ряд стандартов на разные ас-
сортименты ламп, которые системати-
чески пересматриваются и обновляют-
ся, обеспечивая уровень качества ламп,
соответствующий новейшим достиже-
ниям осветительной техники. Каждый
стандарт включает технические требо-
вания, правила приемки, методы испы-
таний, требования к маркировке и упа-
ковке, правила хранения и транспор-
тирования.
В технических требованиях устанав-
ливаются значения световых и электри-
ческих параметров, размеры и распо-
ложение тела накала, а также в тех
случаях, когда это необходимо,— габа-
ритные размеры ламп, прочность креп-
ления цоколей и механическая проч-
ность ламп.
Правила приемки предусматривают
отбор пробных групп ламп, от всей
партии, подвергающихся проверке и
испытаниям, для оценки качества всей
партии (условия браковки). Методи-
ка испытаний содержит правила, кото-
рыми надлежит руководствоваться при
испытаниях ламп для оценки их каче-
ства.
Маркировка и упаковка предусмат-
ривают требования, определяющие спо-
соб ц вид упаковки, гарантирующие
сохранность ламп, а также определен-
ную маркировку на лампах и их упа-
ковке для различия ассортимента и
типа ламп. Стандартизация условий
хранения и транспортирования ламп
дает возможность сохранить качество
и целость ламп при складском хране-
нии и перевозках разными видами
транспорта.
Стандарты у нас в СССР являются
общесоюзными государственными доку-
ментами, и соблюдение их обязательно
136
ВЫБОР УДЕЛЬНОГО РАСХОДА И РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА
[гл. 15
как для изготовителей, так и для по-
требителей ламп.
Для тех ассортиментов ламп, кото-
рые имеют ограниченное применение и
небольшой спрос и выпуск, вместо Го-
сударственных общесоюзных стандар-
тов составляются технические условия,
которые -согласовываются с потребите-
лями и утверждаются соответствующи-
ми ведомствами, являясь также обяза-
тельными для руководства при выпу-
ске и приемке ламп.
ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ
ВЫБОР НАИВЫГОДНЕЙШЕГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА
МОЩНОСТИ И РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА
15-1. Выбор наивыгоднейшего
удельного расхода мощности
При заданном материале нити, вы-
бранных условиях ее работы и каче-
стве лампы, определяемом совершен-
ством ее изготовления, как известно,
срок службы зависит от рабочей тем-
пературы нити. Выбор рабочей темпе-
ратуры фиксирует также при данных
условиях и световую отдачу. Вопрос
о выборе наивыгоднейшей световой от-
дачи играет особенно большую роль
для крупных осветительных установок,
где большое количество источников све-
та заставляет очень внимательно отно-
ситься к учету расходов по эксплуата-
ции.
Эксплуатационные расходы освети-
тельной установки можно разделить на
две группы: к первой группе относятся
прямые расходы -на энергию и замену
использованных источников света или
их сменных частей.
Вторая группа косвенных расходов
включает затраты на обслуживание,
ремонт, амортизацию остальных частей
оборудования.
Если z — число установленных ламп:
F — средний световой поток
лампы за время ее горения
в люменах;
iq — средний удельный расход
мощности лампы в .ваттах
на люмен;
-с.— число часов горения лампы
за расчетный период (напри-
мер, в год);
g— стоимость 1 квт-ч, энергии;
gA— стоимость лампы или смен-
ной части;
L — средний полезный срок
службы лампы, ограничи-
ваемый световым потоком
100 а°/0 и соответствующий
удельному расходу (а —
(Отношение светового потока
в конце срока службы к на-
чальному световому пото-
ку),
то сумма прямых расходов может
быть выражена уравнением
+ — g (15-1)
1 000 L ёл’
Так как в процессе горения лампы
ее световой поток и потребляемая
мощность, а следовательно, и свето-
вая отдача изменяются, то в (15-1)
принимаются средние значения для F
и	l
= т---- <15-2)
о
При установке, состоящей из ламп
различной мощности, для определе-
ния расходов первой группы целесо-
образно разбить общее количество
установленных ламп на одинаковые
по мощности группы и затем уже
суммировать полученные из (15-1) для
каждой группы величины.
Косвенные расходы определяются
следующим образом:
G2 = O+/?+-^m,	(15-3)
где О — годовая затрата на обслужи-
вание и надзор с относящи-
мися сюда материалами;
/?—годовая стоимость ремонта
и необходимых для него ма-
териалов;
А — часть расходов на оборудо-
вание, подлежащая амортиза-
ции;
tn — процент амортизации.
§ 15-1]
ВЫБОР НАИВЫГОДНЕИШЕГО УДЕЛЬНОГО РАСХОДА МОЩНОСТИ
137
В необходимых случаях вышеприве-
денные статьи расхода могут быть раз-
биты на отдельные части или соедине-
ны, и (15-3) может быть представлено
в более или менее сложном виде. Так,
при различных сроках амортизации для
различных деталей установки должен
быть изменен третий член уравнения,
может быть отделен материал от рабо-
чей силы в расходах на обслуживание
и ремонт и т. д.
Таким образом, полный годичный
эксплуатационный расход выразится:
с =o,+ot=^g,+ ^-g.) +
+ (°+л + ти'п)' <15-4>
При определении себестоимости
1 лм-ч необходимо разделить (15-4)
на число установленных люменов zP
и число часов использования их в
год т; таким образом, получаем:
r, „G1.+ б2

(15-4а)
Из (15-4а) видно, что часть себе-
стоимости 1 лм-ч световой энергии,
относящаяся к прямым расходам, за-
висит лишь от удельного расхода
мощности т), стоимости энергии gs и
стоимости лампы или сменной части
gA и совершенно не зависит от об-
щего количества использованной све-
товой энергии.
Остальная часть себестоимости
1 лм-ч световой энергии, относящаяся
к косвенным расходам, кроме абсолют-
ной цифры годовых расходов на об-
служивание, ремонт, амортизацию
и пр., зависит также от общего коли-
чества использованной Световой энер-
гии, выражающейся произведением
При определении минимума расхо-
дов, очевидно, главную роль играет пер-
вый член второй части (15-4а), а имен-
но, прямые расходы, зависящие непо-
средственно от световой отдачи лампы.
Косвенные расходы при заданной уста-
новке остаются почти постоянными,
если не считать незначительного изме-
нения расходов на обслуживание вслед-
ствие более или менее частой замены
ламп, зависящей, как известно, также
от удельного расхода мощности лампы.
Вопрос об изменении качества све-
та с точки зрения $го спектрального
состава, а также изменения яркости,
имеющих место при изменении удель-
ного расхода, рассмотрению не подле-
жат, так как эти изменения на стоимо-
сти света явно не отражаются.
Таким образом, поставленная зада-
ча сводится к исследованию уравнения
+	(15-5)
Как уже известно, между удель-
ным расходом и сроком службы су-
ществует, зависимость
(15-6)
где LH — нормальный срок служ-
бы лампы;
— соответствующий ему
удельный расход;
X?---показатель, относящий-
т*	ся к принятому сроку
службы, ограничивае-
мому световым пото-
ком 100 а°/о-
Числовое значение величины b
для ’различных типов ламп можно
получить из формулы (14-4).
Выражая значения L из (15-6) в
виде
/ - V _
£ = £ Ш =С^
\ЪЯ/
(15-6а)
и подставляя его в (15-5), имеем:
°; = ГЖЛ+^-&- (15-7)
Соответственно прямые расходы,
приходящиеся на 1 000 лм-ч, выра-
зятся:
С1соо = ’1^ + -^-^- (15’7а)
Так как при изменении -q изме-
няется и величина среднего светового
138
ВЫБОР УДЕЛЬНОГО РАСХОДА И РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА
[гл. 15
потока, то зависимость F от изме-
няющейся величины т) может быть
выражена следующим образом:
(15-8)
или
/ г \~А	- <.
F = FJ^) =Dirh. (15-8а)
VbJ
После подстановки величины F из
(15-8а) в (15-7а) имеем:
г' - “о-	1 000	-
U1 ООО — ^6® "Г	О л
_	।	1 000	/1 е п\
= w-+7kV«-	<15'9)
где а = b — h.
Для определения минимума OJ
из (15-9) имеем:
^1 ооо _	1 000а	____
~8a dc^+"8a	'
(15-10)
откуда
По =
«+1 ____________
1 000а
(15-11)
или, подставляя значения £), С и а,
имеем:
7 1 000(6 —	ёл
f	F Н^Н
(Г5-11а)
Из рассмотрения (15-11а) видно,
что наивыгоднейший удельный расход
зависит не от абсолютной величины
стоимости энергии g9 и стоимости
лампы £л, а от их отношения. Таким
g
образом, при —— = const будут оста-
ё»
ваться постоянными и
Определение минимума удельного
расхода можно произвести и графиче-
ским путем, пользуясь построением,
•приведенным на фиг. 15-1.
Здесь по оси абсцисс отложены
удельные расходы и по оси ординат —
соответственно стоимость энергии и
лампы, приходящиеся на 1 000 лм-ч.
Сложение ординат кривых стоимо-
сти энергии й стоимости лампы дает
общую кривую, имеющую минимум, со-
ответствующий наивыгоднейшему зна-
чению Т]о .
Произведенные расчеты показы-
вают, что при небольшом увеличении
удельного расхода по сравнению с
•наивыгоднейшим расходом общая стои-
мость эксплуатации лампы изменяется
незначительно, и поэтому небольшие
колебания световой отдачи отдельных
ламп от среднего номинального значе-
ния на общую стоимость освещения
большого влияния не оказывают.
Фиг. 15-1.
Используя зависимость изменения
светового потока от времени горения,
можно подобным же путем получить и
значения наивыгоднейшей потери све-
тового потока для данного типа лампы.
Формула, полученная при условии пря-
'молинейного изменения светового пото-
ка во времени, имеет следующий вид:
«00 = 4^2-.
Принимая для вольфрама b 7,4,
имеем aQQ = 0,79, т. е. наивыгодней-
шая величина потери светового потока
составляет -^2О°/о.
Приведенный расчет наивыгодней-
шей удельной мощности в практиче-
ских условиях конструирования ламп
мало используется. Соотношение меж-
ду стоимостью электроэнергии и стои-
мостью ламп может изменяться в ши-
роких пределах, в то время как выпуск
ламп с разной удельной мощностью
для разных мест применения практи-
чески не выгоден. Обычно нормальные
осветительные лампы конструируются
на средний срок службы 1 000 час., и
соответственно этому сроку службы вы-
бирается и наименьшая удельная мощ-
ность ламп.
Для ламп, имеющих специальное
назначение, вопросы выбора наивыгод-
§ 15-2]-
РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА, РАБОТАЮЩЕГО В ВАКУУМЕ
139
нейшей удельной мощности уже вооб-
ще не являются существенными, ибо
удельная мощность для этих ламп вы-
бирается, исходя из других соображе-
ний (повышенная яркость свечения, ко-
торой соответствует пониженный удель-
ный расход или длительный срок
службы ламп независимо от удельной
мощности и др.).
15-2. Расчет тела накала,
работающего в вакууме
На основании выведенных в преды-
дущих главах соотношений можно опре-
делить размеры тела накала лампы и
выявить количественно влияние раз-
личных факторов на остальные ее па-
раметры.
При расчете тела накала необходи-
мо иметь следующие заданные харак-
теристики лампы:
1)	мощность лампы Р,
2)	напряжение, при котором она
предназначается к работе U,
3)	световую отдачу лампы т,.
Так как при работе тела накала в
вакууме можно считать, что световая
отдача лампы однозначно определяет
его температуру, то, пользуясь табли-
цей характеристик вольфрама или' со-
ответствующим графиком, можно полу-
чить необходимые величины для рас-
чета.
Выбор световой отдачи, как было
выведено в § 15-1, зависит от соотно-
шения стоимости электрической энер-
гии и стоимости замены лампы, отне-
сенных к определенному периоду экс-
плуатации, поэтому решение задачи о
нахождении наивыгоднейшей световой
отдачи лежит в плоскости рассмотре-
ния действия обоих этих факторов.
Эта задача, как мы видели выше,
может быть решена аналитически и
графически. При определении наивы-
годнейшего удельного расхода или
световой отдачи лампы необходимо
учитывать, что входящие в уравне-
ния (15-Па) величины LH и b при дан-
ном удельном расходе зависят от
рода материала нити и качества
лампы.
Для определения основных разме-
ров тела накала, работающего в ва-
кууме, можно применить выведенные
ранее уравнения (7-24) и (7-26) иде-
альной нити и данные соответствую-
щих таблиц и графиков.
При учете охлаждающего действия
электродов и держателей полученная
для идеального тела накала длина кор-
ректируется соответствующей поправ-
кой на основании уравнений § 9-4.
При этом также могут быть вы-
числены и количественные изменения
в других параметрах, вызываемые
охлаждением электродов и держателей.
Кроме этого в зависимости от мето-
да монтажа тела накала в полную
расчетную длину нити должны быть
включены добавки, необходимые для
зажима или приварки концов нити
к электродам. При размещении нити
в баллоне в зависимости от метода ее
крепления и формы она может быть
разбита на секции, фиксируемые соот-
ветствующим образом в процессе про-
изводства (формирование нити).
В случае спиральных ламп, кроме
указанного выше, в число заданных
величин входят также величины, харак-
теризующие спирали, а именно: коэф-
фициент сердечника k,t и коэффициент
шага ks. Эти величины в указанных
ранее пределах выбираются в зависи-
мости от качества применяемого воль-
фрама и методом крепления нити. При
выборе рабочей температуры нитей на
основании полученного наивыподней-
шего значения учитывается уменьше-
ние световой отдачи спирали по сравне-
нию ее с световой отдачей прямолиней-
ного тела накала, работающего при
той же температуре. Это уменьшение,
как мы видели ранее, зависит от пара-
метров спирали.
а) Определение диаметра
и длины прямолинейной нити
в вакууме. Для определения диа-
метра d и длины L тела накала слу-
жат следующие выведенные ранее
уравнения:
а)	Прямолинейное тело накала
d = (-^~Y fl3=al'13, (15-13)
L = I---Ш'!з = cUl'13. (15-15)
I 4kP7.r2 j
140
ВЫБОР УДЕЛЬНОГО РАСХОДА И РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА
[гл. 15
Определение температуры нити по
1
заданной световой отдаче ч = —, а
также значения рг и /?г в зависимости
от полученной при этом температуры,
можно получить из таблиц вольфрама,
(табл* 7-3), а также из графика
(фиг. 7-5). Размеры идеальной нити
можно получить также непосред-
ственно, используя функции Лэнгмюра
§ 7-1 и относящиеся к ним уравне-
ния.
б)	Для определения размеров спи-
ральной нити имеем следующие урав-
нения:
=	(15-16)
(15-17)

Величина коэфициента излучения
спирали на основании выбранных зна-
чений kd и k3 берется из соответ-
ствующих таблиц, например из
табл. 8-2.
в) Формулы расчета нитей
по весу. В связи с трудностью непо-
средственного измерения диаметра тон-
ких «нитей «на практике пользуются для
этого взвешиванием отрезков нити,
имеющих определенную длину на спе-
циальных «торсионных весах», обла-
дающих очень большой чувствитель-
ностью. Принцип таких весов основан
на использовании закручивания очень
тонкой упругой спирали, закрепленной
одним концом, другой конец которой
связан с легким рычагом, поддержи-
вающим навеску нитей.
Отсчет веса производится по цифер-
блату, цена делений которого зависит
от чувствительности пружины. При
взвешивании очень тонких нитей при-
меняются весы, амплитуда использо-
вания которых измеряется 5—10 мг, и
точность взвешивания в этом случае
может достигать тысячных долей мил-
лиграмма.
Длина навесок нити обыкновенно
применяется равной 200 мм, в этом
случае, если О200 — вес отрезка нити
в миллиграммах, у — удельный вес
вольфрама (у = 19,0—19,7) и d — диа-
метр нити в миллиметрах, то
=	(15-19)
Применяя для тонких нитей у =s 19,6,
соотношение между весом О2оо и Диа‘
метром d получит следующий вид:
d = 0,018 КФйю- (15-20)
Для прямолинейных нитей расчет-
ные значения получим после подста-
новки d из (15-13) в (15-19):
<^о - 20°Г (тЬ-Г /V’ = МПР1'!,‘
(15-21)
При определении длины нити це-
лесообразно пользоваться в расчетах
длиной нити, приходящейся на 1 в ра-
бочего напряжения I = LHJ. Соответ-
ственно этому из (15-15) можно по-
лучить
lnp = aFp ^=cs^,	(15-22)
где
_ с ______	1
— мпр ~~ 2007рг
Для спиральных нитей расчетные
значения выразятся следующими урав-
нениями:
•СП _ мпр (	г‘/, _
200 — I o'i I 1	—
—4—^1 /4/з = МСП1'/з, (15-23)
Псп	гсп
(15.24)
где с3 сохраняет то же значение, что
и в случае прямолинейной нити; при
практических расчетах целесообразно
пользоваться таблицами и кривыми
зависимости Мпр, с3 и Меп от темпе-
ратуры. Эти таблицы и графики мо-
§ 15-3]
ФОРМУЛЫ ПЕРЕСЧЕТА
141
гут быть легко составлены на осно-
вании приведенных уравнений и ха-
рактеристических таблиц вольфрама.
15-3. Формулы пересчета
Во многих случаях практики пред-
ставляется желательным произвести
пересчет размеров нити по полученно-
му уже при прежних опытах образцу,
т. е. определить соотношение диамет-
ров или длины нити двух ламп, нахо-
дящихся -при различных режимах или
имеющих различные электрические и
световые характеристики.
Для пересчета характеристик ламп
одной и той же конструкции при раз-
личных режимах, определяемых темпе-
ратурами нити ?i и Т2, можно, поль-
зуясь уравнениями расчета, получить
ряд новых соотношений для различных
характеристик.
Так, принимая во внимание, что
Rti  / Л
^7*2	\ ^2 /
Рп _ /Л \пр .
РГ2 у 7*2 /
вп /Л\лв
и т- д-;
для^разных параметров получаем:
d2.
РГ1^Г2
?Т2%Т2 )
n?~nR
(15-25)
__ / Pr2^T2 Y/s.	_
\ РТ1^Л J	~’
-A<AYVA\ 3
^2 \ ^2 / V2 /
Соответственно для электрических
характеристик получаем:
Р1 р2	— А А/АЛ"* • d2 ^2 \ Т2 /	(15-28)
Щ _ / АГ и2 ~[d2)	1/2. А/АА 2 • Ь\Тъ)	(15-29)
	nR~n?	
£l- '2 ”	/d^/7\ \ 2 \ d2 ) \ Т2 )	(15-30)
Для плотности тока j
(15-31)
(15-32)
nR~rt
fa \4г / V2)
ri ___ /	\~"2	/Л \”р
г2 \^2 J ^2 \ ^2 /
Для световых характеристик
(15-33)
(15-34)
Для количества вольфрама в грам-
мах, распыленного с поверхности
нити в 1 сек.
_______ dt / 7\ \n/n
м2 ^2 ^2 \ ^2 /
(15-35)
Последнее уравнение имеет боль-
шое значение для определения срока
службы ламп, так как оно выражает
отношение количества вещества, испа-
ряемого с поверхности нити -в 1 сек.
Из этих общих формул можно полу-
чить в дальнейшем решения для всех
параметров при одинаковых значениях
диаметра, температуры, тока и т. д.
В частном случае при Ti — T2 со-
отношения электрических величин вы-
разятся:
(15-27)
А —А . А- Р2 ^2 Ь2 ’	(15-36)
А = /А ~,/2. А ; U2 \d2	L2 ’	(15-37)
А - (АУ. /2	d2)	(15-38)
А-( Аг‘/2. J2 '• d2 J	(15-39)
ri . / dt у2 а r2 \ d2 ) L2 ‘	(15-40)
142
ВЫБОР УДЕЛЬНОГО РАСХОДА И РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА
[гл. 15-
Соответственно при = Т2 и Ux — U2
имеем:
	А_-	- (А?'3 • 'W ’	(15-42)
	А- ^2	. 1А \в/» \Z2 /	(15-43)
При (15-36) и	У] 	 7*2 И Zq 	'Z.2 (15-37) дают:		уравнения
	7,^	= 4^;	(15-44)
	А£1__	А-А Р2 d2	(15-45)
Из этих общих формул можно по-
лучить -в дальнейшем решения для .всех
параметров при одинаковых значениях
диаметра, температуры, тока и т. д.
Одним из частных случаев, который
может встретиться на практике, яв-
ляется случай пересчета лампы при
одном и том же температурном режи-
ме. Такой пересчет можно произвести
с помощью формул, которые выводятся
также из формул расчета при Т =
= const нити.
Три соотношения для расчета диа-
метра нити, .ее длины и тока могут
быть выражены в этом случае следую-
щим уравнением:
1 =	(|5‘46)
(15-47)
# = -£1Г •	(15-48)
Приведенные формулы дают воз-
можность пересчета размеров и элек-
трических характеристик при одной
и той же температуре.
15-4. Расчет тела накала в газовой
среде
Как известно, баланс мощности
тела накала, работающего в газовой
среде, может быть представлен в
следующем виде:
р=риз + рк, (15-49)
где Риз — излучаемая мощность, а
Рк — суммарные потери мощности.
Величины, входящие в уравмение
(15-49), представляют собой сложную
функцию параметров спирали, темпе-
ратуры, а также рода и состояния га-
за, поэтому определение диаметра и
длины тела накала на основании этих
уравнений встречает практические
трудности.
В связи с этим для расчета тела
накала газонаполненных ламп целесо-
образнее пользоваться полуэмпириче-
скими формулами, имеющими вид при-
веденных выше формул расчета тела
накала в вакуумных лампах:
О2О0 = МГ	(15-50)
И
/=£зС200	(15-51)
Экспериментальные исследования
показывают, что для всех газонапол-
ненных ламп показатель п при опре-
деленных значениях параметров спи-
рали kd и ks имеет постоянную вели-
чину, равную 1,41.
Таким образом, для расчета раз-
меров тела накала газонаполненных
ламп можно пользоваться формулой
0газ = Мгаз1ш	(15-52)
200	Х 7
и соответственно
лгаз
1газ — с^03,	(15.53)
или
L - Г3U = сг“3Мгаз •	(15-53а)
Величины Мгаз и с3 при нормаль-
ных значениях коэффициентов сер-
дечника kd и коэффициента шага
спирали ks при расчетной световой
отдаче 16,0 лм1вт для различных
типов ламп помещены в табл. 15-1,
15-2 и 15-3.
Определение диаметра d и длины L
при данных нормальных параметрах
kd, ks и производится непосредст-
венно по формулам (15-52) и (15-53).
В случае отклонения принятых ве-
личин kd и ks от расчетных значений,
указанных в таблицах, определяются
поправочные коэффициенты и as
§ 15-4]
РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
143
Лампы накаливания стандартного типа
Таблица 15-1
в	Р, вт	kd. %	%	п	Мгаз	Сз	Примечание
100—130	25—32	500	135	1,41	14,0	0,295	
100—130	40	400	160	1,41	13,6	0,295	
100—130	50	400	160	1,41	13,54	0,292	
100—130	75	300	140	1,41	14,05	0,291	
100—130	100	300	140	1,41	14,22	0,299	
100—130	150	300	140	131	14,35	0,299	
100—130	200	300	140	1,41	15,10	0,303	
100—130	300	300	140	1,41	14,4	0,310	
100—130	400	300	140	1,41	14,4	0,305	Лампы, напол-
100—130	500	300	140	1,41	14,4	0,305	ненные ар-
100—130	750—1 000	300	140	1,41	13,8	0,305	гоном
100—130	1 500—2 500	200	160	1,41	12,0	0,320	
200—210	30	550	150	1,41	12,5	0,280	
200—210	40	500	145	1,41	13,0	0,280	
200—210	50	500	135	1,41	14,0	0,295	
200—210	75—150	550	140	1,41	14,9	0,292	
200—210	200—250	300	140	1,41	15,10	0,301	
200—210	400—500	300	140	1,41	15,10	0,305	
200—210	750—1 000	300	140	1,41	14,2	0,305	
200—210	1 500—2 000	300	140	1,41	13,8	0,305	
200—210	2 500	200	140	1,41	13,8	0,309	
Лампы последовательного включения
Таблица 15-2
I, а	J, св	kd	ks	п		сз	Примечание
1,75	40	300	145	1,41	14,18	0,304	
	60	300	145	1,41	14,45	0,304	
	80	300	145	1,41	14,64	0,304'	
	100	300	145	1,41	14,73	0,304	
3,5	40	300	160	1,41	12,61	0,309	
3,5	80	300	160	1,41	13,41	0,309	
	100	300	160	1,41	13,65	0,309	Лампы, напол-
	250	300	160	1,41	13,85	0,309	ненные ар-
4,0	100	300	160	1,41	13,37	0,309	гоном
	250	300	160	1,41	13,64	0,309	
	400	300	160	1,41	13,64	0,309	
5,5	100	200	160	1,41	12,32	0,309	
	250	200	160	1,41	13, кб	0,309	
	400	200	160	1,41	13,16	0,309	
6,6	100	200	160	1,41	12,11	0,309	
	250	200	160	1,41	13,05	0,309	
	400	200	160	1,41	12,90	0,309	
	600	200	160	1,41	13,05	0,309	
7,5	100	200	160	1,41	12,87	0,309	
	250	200	160	1,41	12,87	0,30'9	
	400	200	160	1,41	13,35	0,309	
	600	200	160	1,41	13,35	0,309	
15	400	200	160	1,41	11,60	0,309	
20	600	200	160	1,41	11,75	0,309	
	1 000	200	160	1,41	11,93	0,309	
	1 500	200	160 .	1,41	12,41 .	0,309	
	2 500	200	160	1,41	12;70	0,309	
для Мгаз при помощи графиков
фиг. 15-2 и 15-3.
Эти коэффициенты равны отноше-
нию значения Мгаз при выбранных kd
и ks к его значению при величинах kd
и ks, помещенных в таблицах. Сум-
144
ВЫБОР УДЕЛЬНОГО РАСХОДА И РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА
[гл. 15
Проекционные лампы накаливания
Таблица 15-3
U, 8	Р, вт	kd. %		п	Мгаз	с3 ,	Примечание
100—130	100—150	300	140	1,41	15,2	0,290	Лампы, напол-
100—130	100—200	400	140	1,41	15,6	0,288	
100—130	250—300	400	140	1,41	15,6	0,294	‘ ненные азо-
100—130	400—500	400	140	1,41	15,6	0,300	том
8	36—108	300	140	1,325	13,6	0,290	
12	36—108	300	140	1,35	14,10	0,305	
30	150—300	200	140	1,41	13,55	0,312	Лампы, напол-
30	600	150	132	1,41	12,35	0,320	ненные 'арго-
30	• 900	165	137	1,41	12,15	0,320	ном
Фиг. 15-2.
Фиг. 15-4.
марный поправочный коэффициент а После определения веса нити О™3
равен произведению: а _ adag и	ПрИ ИСПравленном значении М опреде-
газ газ	ляется величина длины нити из (15-42а)
М — аМкор. (15-54) ПрИ помощи коэффициента с3 из таб-
§ 15-4]
РАСЧЕТ ТЕЛА НАКАЛА В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ
145
лицы и коэффициента Мгаз из (15-54).
Расчет нити при световой отдаче, от-
личающейся от 16,0 лм/вт, произво-
дится после приведения нормального
тока лампы к расчетному значению
его при 16,0 лм/вт при помощи
(14-3). Длина нити, полученная при
этом, приводится к нормальной путем
обратного пересчета напряжения по
(14-3).
Изменение различных параметров
газонаполненной лампы в зависимости
от изменения коэффициентов kd и ks
при различных условиях приведены
на фиг. 15-4 и 15-5.
С помощью этих * кривых можно
определить действие, вызываемое от-
клонением спирали от нормальных ее
параметров, на световую отдачу, ток
•и напряжение лампы и контролиро-
вать величину отклонения их в допу-
стимых пределах.
Ориентировочные величины диа-
метров и длин нити для нормальных
осветительных вакуумных и газонапол-
ненных ламп в зависимости от мощно-
сти приведены на фиг. 15-6.
10 А. П. Иванов.
РАЗДЕЛ III
ИСТОЧНИКИ СВЕТА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
Помимо источников света, работаю-
щих на принципе теплового излучения
за счет нагревания твердых тел до тем-
пературы свечения, существует другая
категория источников света — лампы
газового разряда, излучение которых
обусловлено процессами на поверхно-
сти электродов и в газовом разряде.
Соответственно роду излучателя,
применяемого при использовании газо-
вого разряда для получения света,
в технике наметились три основных пу-
ти развития источников света газового
разряда:
1)	развитие газосветных
ламп или источников света, действие
которых основано на использовании
свечения газа или паров металлов в
процессе газового разряда;
2)	развитие электр одосвет-
н ы х ламп или источников света,
действие которых основано на исполь-
зовании свечения раскаленных электро-
дов в процессе газового разряда; обык-
новенно свечение источников света
этого вида имеет смешанный характер,
так как в излучении света участвует и
газообразная среда, в которой проте-
кает разряд, и, наконец,
3)	развитие фотолюмннес-
ц е н та ы х или люминесцент-
ных ламп, в которых наряду с ука-
занными выше явлениями использует-
ся свечение специальных веществ —
люминофоров под действием коротко-
волновых излучений, возникающих в
процессе газового разряда.
Для изучения современных типов
ламп, использующих указанные выше
явления свечения, необходимо предва-
рительно ознакомиться с особенностя-
ми электрической проводимости газо-
вой среды и свойствами разных видов-
газового разряда.
16-1. Прохождение электрического
тока через вакуум
и материальную среду
Прохождение электрического тока-
через высокий вакуум и материальную
среду в различных ее состояниях —
твердом, жидком и газообразном, со-
временная физика объясняет переме-
щением элементарных заряженных ча-
стиц под действием электрического
поля.
В качестве элементарных заряжен-
ных частиц, обусловливающих электри-
ческую проводимость данной среды,,
могут служить отрицательно заряжен-
ные частицы — электроны и положи-
тельно или отрицательно заряженные
ионы.
Электрон представляет собой мель-
чайшую материальную частицу, обла-
дающую массой те = 9 • 10-28 г и отри-
цательным зарядом е — 4,77 • 10-10
электростатических единиц (CGSE),
или е == 1,59 - IO-19 кулон. Ионы явля-
ются значительно более тяжелыми по-
ложительно или отрицательно заря-
женными частицами, масса которых
равна приблизительно массе атома или
молекулы данного вещества, хотя в не-
которых случаях ('комплексные ионы)
эта масса может равняться массе не-
скольких (от 3 до 10) молекул. Соот-
ветственно положительный или отрица-
§ 16-2 J
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ПРОЦЕССОВ
147
тельный заряд иона является величи-
ной,' кратной величине заряда электро-
на (однократный, двухкратный и бо-
лее).
В зависимости от рода элементар-
ных зарядов, служащих для переноса
электричества, проводимость может
быть электронной, ионной и смешан-
ной.
-Примером чисто электронной про-
водимости могут служить проводимость
металлов и явление прохождения кон-
векционного электрического тока через
высокий вакуум; наиболее ярким при-
мером ионной проводимости служит
электропроводность жидких электроли-
тов.
В образовании носителей электри-
чества обыкновенно участвует сама
проводящая среда, или, как это имеет
место в высоком вакууме, электроны,
необходимые для переноса электриче-
ства через вакуум, выделяются при
известных условиях (фотоэлектронная,
термоэлектронная и автоэлектронная
эмиссия) веществом отрицательного
электрода (катода).
Явление прохождения тока через
газообразную среду существенно от-
личается от электрической проводимо-
сти металлов или , жидких электроли-
тов. Различие заключается в том, что
в данном случае в создании электриче-
ских зарядов, необходимых для под-
держания тока, участвуют при посред-
стве самой газообразной среды и элек-
трическое поле, часть энергии которого
затрачивается на образование зарядов.
Внешним образом это проявляется в
том, что даже при создании свободных
зарядов в газе за счет посторонних
факторов (термоионная эмиссия, фото-
эффект) самостоятельное прохождение
тока через газ наступает лишь при
определенной силе электрического по-
ля. Так, в некоторых случаях, даже при
достаточно высоких напряжениях, вна-
чале ток может быть обнаружен только
самыми чувствительными приборами, в
то время как небольшое дальнейшее
увеличение напряжения может вызвать
прохождение очень сильных токов, со-
провождаемых свечением газа.
Кроме этого в противоположность
металлической и электролитической
ю*
проводимости отношение действующе-
го напряжения к вызываемому им току
в данном случае непостоянно. Именно,
при прохождении очень малых токов
сопротивление будет очень большим и
по мере увеличения тока оно имеет тен-
денцию сильно , уменьшаться. След-
ствием этого является падающая вольт-
амперная характеристика газового раз-
ряда, приводящая во избежание опас-
ных увеличений тока к необходимости
последовательного включения в цепь
разрядной трубки добавочных стабили-
зирующих сопротивлений.
Из других особенностей, наблюдае-
мых при прохождении электрического
тока через газообразную среду, можно
отметить также неодинаковый градиент
потенциала в различных частях прово-
дящего пространства и значительное
влияние на проводимость некоторых
внешних факторов. Все эти особенно-
сти электрической проводимости газов
находят объяснение в том, что движе-
ние элементарных зарядов в газовой
среде вызывает ряд новых процессов,
от которых зависят развитие и поддер-
жание явления разряда в различных
его формах. Возникновение этих про-
цессов является следствием передачи
энергии движущихся заряженных ча-
стиц, главным образом электронов, ато-
мам и молекулам газа, а также твер-
дым телам, находящимся в газораз-
рядном пространстве (электроды,
стенки баллона).
16-2. Классификация элементарных
процессов газового разряда
Весь комплекс сложных явлений,
сопутствующих прохождению тока че-.
рез газообразную среду, может быть
расчленен на ряд элементарных про-
цессов.
Главнейшими признаками при клас-
сификации этих процессов могут слу-
жить:
а)	характер энергетических измене-
ний, протекающих в газоразрядном
пространстве;
б)	род первичных причин, вызываю-
щих эти изменения.
При исследовании явлений газового
разряда, кроме того, целесообразно
148
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ
[гл. 16
Фиг. 16-1.
группировать их по признаку протека-
ния их в определенном месте разряд-
ного пространства (газовый объем,
стенки баллона).
Энергетические изменения вещества
могут проявляться в следующих фор-
мах:
1)	в изменении 'кинетической энер-
гии частиц вещества — атомов и моле-
кул (тепловые процессы в газообраз-
ной среде и твердых телах);
2)	в изменении внутренней энергии
атомов и молекул вещества при его
возбуждении, сопровождаемом в
большинстве случаев испусканием лу-
чистой энергии (возбуждение газов и
твердых тел — люминофоров);
3)	в изменении внутренней энергии
атомов и молекул, сопровождаемом об-
разованием свободных электрических
зарядов (ионизация газов и паров, тер-
моэлектронная эмиссия и фотоэффект).
В некоторых случаях изменения
внутренней энергии атомов и молекул,
могут сопровождаться также и изме-
нением их теплового состояния.
Первичными причинами,, способны-
ми вызвать перечисленные выше энер-
гетические изменения вещества в газо-
вом разряде, могут служить следую-
щие факторы:
а)	удар заряженных частиц — элек-
тронов и ионов, движущихся под влия-
нием электрического поля;
б)	передача энергии веществу при
столкновении с быстрыми атомами и
молекулами газа;
в)	передача энергии веществу при
воздействии на него фотонов.
Передача энергии нейтральным ато-
мам и молекулам газа или пара при
посредстве перечисленных выше фак-
торов, сопровождаемая изменением их
потенциальной энергии при возбужде-
нии или ионизации (неупругое столк-
новение), называется передачей энер-
гии при столкновении перво-
го рода.
Наряду с этими простейшими слу-
чаями в газовом разряде имеет место
ряд более сложных случаев, в кото-
рых, кроме первичных агентов, пере-
§ 17-1 ]
КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
149
численных выше, участвуют также но-
вые, вторичные агенты в виде возбуж-
денных атомов и ионов, обладающих
как кинетической, так и потенциаль-
ной энергией.
При столкновении возбужденных
атамов или ионов с электронами или
нейтральными атомами потенциальная
энергия их- может быть передана по-
следним; такая передача энергии, со-
провождаемая переходом возбужден-
ного атома в нормальное состояние
или на более низкий уровень возбуж-
дения, влекущая за собой изменение
кинетической или потенциальной энер-
гии партнера по соударению, носит
название передачи энергии при стол к-
новении второго рода.
К группе более сложных явлений
относятся ступенчатые, или ку-
мулятивные, процессы, в ко-
торых энергия возбужденных атомов
достигает еще более высокого уровня
или процесс заканчивается ионизацией
атома при переходе через промежуточ-
ные состояния возбуждения. Агентами,
участвующими в этих изменениях, на-
ряду с возбужденными атомами могут
являться свободные электроны, а так-
же фотоны.
Особое явление, сопровождаемое
выделением тепла или излучением све-
та, представляет собой рекомбина-
ция, заключающаяся в восстановле-
нии нейтрального атома при столкно-
вении иона и электрона.
Вместе с основными процессами,
приведенными выше и протекающими
преимущественно в» газовом объеме,
прохождение электрического тока через
газообразную среду сопровождается
рядом процессов обмена энергией так-
же и в других частях разрядного про-
странства (на электродах и стенках
стеклянного баллона); к ним относят-
ся: выделение тепла на различных час-
тях газоразрядного прибора, явления
испускания электронов за счет удара
о катод положительных ионов, термо-
электронная, автоэлектронная и вто-
ричная эмиссия, фотоэффект и другие
явления. Схематическая сводка всех
процессов и их взаимной связи пред-
ставлена на фиг. 16-1.
ГЛАВА СЕМНАДЦАТАЯ
СВОЙСТВА ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
В ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМПАХ
17-1. Классификация форм газового
разряда
Электрическим разрядом в газах
называется процесс перемещения элек-
трических зарядов в пространстве, за-
полненном газом или парами металлов,
протекающий под действием электри-
ческого поля, При посредстве описан-
ных выше элементарных процессов. В
зависимости от количественного соот-
ношения действующих факторов и ус-
ловий, определяющих развитие отдель-
ных элементарных процессов, разряд
может принимать различные формы.
При прочих равных условиях (род
газа, его давление, электроды) форма
разряда зависит от действующих пара-
метров внешней цепи и явлений на ка-
тоде. Путем изменения напряжения
сети или величины последовательно
включенного внешнего сопротивления,
а также режима катода (нагревание
катода) можно изменить режим газо-
вого разряда и перевести его из одной
формы в другую.
В некоторых случаях .существова-
ние разряда в данной форме зависит
от воздействия внешних факторов, спо-
собствующих образованию заряженных
частиц в газообразной среде. В том
случае, когда существование разряда
возможно лишь при действии этих
внешних факторов (внешние излу-
чения, независимый от- газового раз-
ряд нагрев катода), разряд назы-
вается несамостоятельным
разрядом. Наоборот, разряд, под-
держивающийся лишь благодаря
внутренним процессам, вызываемым
150
свойства газовых разрядов
[гл. 17
в газоразрядном пространстве дей-
ствием наложенного электрического
поля, называется самостоятель-
ным разрядом.
Соответствующая форма разряда
может иметь стационарный, установив-
шийся во времени характер или пред-
ставлять собой явление с изменяющи-
мися во времени (для периодического
процесса средними за данный период)
параметрами.
Существуют следующие главные
формы газового разряда.
а)	Темный разряд, при кото-
ром действующее электрическое поле
заметно не искажается пространствен-
ными зарядами и определяется в ос-
новном потенциалами и положением
всех ограничивающих разряд поверх-
ностей. Внешними признаками тихого
разряда служат очень малая плотность
тока (10-6 а!см2) и отсутствие или ма-
лая интенсивность свечения. Отсутст-
вие свечения обычно соответствует не-
самостоятельной и наличие—самостоя-
тельной стадии тихого разряда.
б)	Тлеющий разряд, харак-
теризующийся наличием значительных
пространственных зарядов положитель-
ных ионов вблизи катода, вызывающих
появление катодного падения потенци-
ала, по своей величине значительно
превышающего потенциал ионизации
газа. Внешними признаками тлеющего
разряда служат относительно малая
плотность тока разряда (1<Г2—
1О-4 а]см2) и соответственно этому ма-
лый ток, зависящий от площади элек-
тродов (в нормальных тлеющих лам-
пах от 1 до 10 ма), достаточно боль-
шое напряжение, зависящее от • рода
газа, материала электродов и длины
газоразрядного промежутка, а также
наличие световых явлений в различ-
ных частях разряда.
в)	Дуговой разряд, характе-
ризующийся наличием термоэлектрон-
ной или электрической (автоэлектрон-
ной) эмиссии, уменьшающей положи-
тельный пространственный заряд у ка-
тода и снижающий катодное падение
потенциала до значения, близкого к
•потенциалу ионизации газа. В зависи-
мости от причины, вызывающей термо-
электронную эмиссию на катоде (са-
мокалящийся или искусственно подо-
греваемый катод), дуговой разряд
может быть самостоятельным или не-
самостоятельным. Внешние признаки
дугового разряда: большой ток, изме-
ряемый в дуговых лампах амперами и
десятками ампер, сравнительно малое
напряжение (десятки вольт) и значи-
тельное выделение света и тепла
как в объеме газа, так и на элек-
тродах.
Характеристические данные для ти-
хого, тлеющего и дугового разрядов
можно дополнить также графиком за-
висимости плотности тока, при которой
имеет место данная форма разряда, от
давления газа в разрядном простран-
стве. Схематически эта зависимость
может быть выражена диаграммой
фиг. 17-1.
г)	Особые формы разря-
дов. К числу особых форм газового
разряда, которые могут применяться
для получения света, необходимо от-
нести безэлектродный кольцевой раз-
ряд, получаемый в пространстве, не
содержащем токопроводящих электро-
дов, под влиянием вихревых токов в по-
ле высокой частоты. Этот разряд,
имеющий форму замкнутого светяще-
гося кольца, представляет собой явле-
ние, подобное положительному столбу
обыкновенного дугового разряда.
К мощным разрядам, отличающим-
ся громадными значениями плотности
тока и яркости, относится нестационар-
ный импульсный разряд, на-
ходящий в последнее время применение
для получения мгновенных мощных
световых потоков.
Ив всех стационарных форм разря-
да, приведенных выше, для получения
света используются главным образом
тлеющий и дуговой разряды.
<§ 17-2]
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ТИХОГО ' РАЗРЯДА
151
17-2. Возникновение и развитие
тихого разряда
Опыт показывает, что при наложе-
нии на электроды газоразрядного про-
межутка, например на электроды труб-
ки, изображенной ниже на фиг. 17-2,
достаточно сильного электрического
поля в цепи трубки проходит электри-
ческий ток. Анализ этого явления по-
казывает, что первопричиной возникно-
вения тока служат заряженные части-
цы, .необходимые для осуществления
основных элементарных процессов,
участвующих в газовом разряде.
В газовой среде, состоящей из ней-
тральных атомов, находящихся в изо-
лированном от наружного воздуха про-
странстве, 'При нормальной комнатной
температуре электродов заряженные
частицы могут быть получены за счет
действия внешних ионизирующих фак-
торов. Такими факторами, естествен-
ного происхождения, служат радиоак-
тивные излучения некоторых составных
частей земной коры и всепроникающие
•космические лучи. Кроме того, заря-
женные частицы могут выделяться с
электродов благодаря фотоэлектриче-
скому действию излучений достаточно
-высокой частоты.
Космические лучи представляют со-
бой электромагнитные излучения весь-
ма высокой частоты (выше, чем у
7-лучей) и, как- установлено работа-
ми советских ученых А. И. Алиханова,
А. И. Алиханьяна и др., поток чрезвы-
чайно быстро движущихся частиц (кор-
пускулярные лучи), приходящих из
междупл анетного пространства и отли-
чающихся весьма малым поглощением
даже в весьма плотных срединах.
Под действием космических лучей
в закрытом сосуде у поверхности зем-
ли образуется один-два иона на
1 см3/ сек газа и под общим действием
всех естественных факторов—до 10—
15 ионов на 1 см3/сек.
Одновременно с процессом образо-
вания ионов происходит также их час-
тичная рекомбинация, в связи с чем
устанавливается некоторая постоянная
при данных услов'иях концентрация
ионов в газоразрядном пространстве.
При наложении на электроды газо-
разрядного промежутка напряжения U
в пространстве между электродами
устанавливается приблизительно рав-
номерное поле, под действием которого
заряженные частицы начинают свое
движение к соответствующим полюсам.
Это выражается в прохождении через
разрядный промежуток весьма 'Слабо-
го тока, зависящего от величины нало-
женного на электроды трубки электри-
ческого поля. Ход этой зависимости
можно изобразить кривой фиг. 17-3, на
которой по оси абсцисс отложено на-
Фиг. 17-3.
пряжение на электродах U и по оси
ординат — соответствующий данному
напряжению ток I.
Увеличение тока на участке ОА
объясняется постепенно уменьшающим-
ся количеством ионов, подвергающихся
рекомбинации в пространстве и на
стенках колбы. Уменьшение количе-
ства рекомбинирующих ионов является
следствием . увеличения их скорости
движения под действием поля и соот-
ветственно меньшим временем пребы-
вания разноименных зарядов в разряд-
ном пространстве, а также вследствие
других причин. При некотором значе-
нии силы поля, соответствующем на-
пряжению на электродах UA, реком-
бинация достигает своего минимума и
152
СВОЙСТВА ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ
[гл. 17
ток — состояния насыщения, при кото-
ром значение тока приблизительно со-
ответствует количеству свободных
зарядов, ‘образующихся в трубке под
влиянием вышеупомянутых внешних
факторов.
Состояние насыщения продолжается
до тех пор (часть АВ кривой), пока
сила поля не возрастет до такого зна-
чения, когда скорость заряженных час-
тиц сделается достаточной для иониза-
ции нейтральных атомов, встречаю-
щихся на пути движущейся частицы.
В связи с этим при дальнейшем уве-
личении силы поля наблюдается по-
степенное увеличение тока (часть ВС
кривой). Этот момент соответствует пе-
реходу несамостоятельного разряда в
самостоятельный. Ток разряда в этот
период возрастает очень быстро, и по-
этому для его ограничения в цепи раз-
ряда должно быть установлено доста-
точное «балластное» сопротивление Rs,
показанное на фиг. 17-2.
Дальнейшее развитие разряда меж-
ду холодными электродами связано с
действием нового явления — возникно-
вения у катода положительных про-
странственных зарядов, вызывающих
искажение первоначально равномерно-
го электрического поля и образования
«катодного падения» потенциала, по
своей величине большего, чем иониза-
ционный потенциал газа. Пространст-
венный заряд вблизи катода является
следствием относительно медленного
движения положительных ионов в
электрическом поле, вызывающего ско-
пление ионов в этой части газоразряд-
ного промежутка.
17-3. Тлеющий разряд
Наличие высокого катодного паде-
ния потенциала и большой концентра-
ции ионов вблизи катода сопровож-
дается интенсивной бомбардировкой
ионами его поверхности. Вследствие
этого разрядное пространство обога-
щается новыми носителями электриче-
ского тока — вторичными электронами,
«выбиваемыми» из катода ударами по-
ложительных ионов. Это ведет к даль-
нейшему увеличению интенсивности
разряда и переходу его из формы «ти-
хого разряда» в новую форму «тлею-
щего разряда». Внешним образом это-
выражается в «зажигании» разряда,
или установлении ряда световых явле-
ний в различных частях газоразрядно-
го промежутка. Зажиганию • разряда,
предшествует также резкое возраста-
ние тока в цепи лампы. Диаграмма,
характеризующая переход отдельных
форм разряда, приведена на фиг. 17-4.
На диаграмме представлена зависи-
мость напряжения на электродах труб-
ки U от тока I, нанесенного в лога-
рифметическом масштабе в пределах
от 100 до 0,1 а и более сжатом (для
низких значений тока) для трубки с
плоскими электродами, наполненной
благородным газом, при соотношении
расстояния между электродами d3 и:
давления газа р, удовлетворяющем
условию 2 </>£?< 20 мм рт. ст.
Кривая АВ выражает ток фотоэмис-
сии с катода и CD' — положительную
характеристику таунсендовского раз-
ряда; напряжение зажигания UB(U2)
здесь ниже потенциала возникновения
тлеющего разряда U^.
Световые явления в тлею-
щем разряде. При атмосферном,
давлении разряд имеет форму потока
искр, распространяющихся за преде-
лы катода. По мере понижения давле-
ния газа в газоразрядной трубке раз-
ряд превращается в змеевидный ко-
леблющийся от одной стенки к другой
светящийся шнур. При давлении по-
рядка 10—20 мм рт. ст. змеевидный
разряд переходит в сплошное световое-
явление, заполняющее всю трубку и
разделяющееся по длине на отдельные
области.
Прибор для наблюдения световых
явлений в тлеющем разряде можно-
выполнить в виде стеклянной цилин-
дрической трубки диаметром 30—40 мм,
на концах которой впаяны два элек-
трода с вакуумно-плотными вводами,
заканчивающихся внутри трубки дву-
мя плоскими дисками из никеля или
железа с расстоянием между ними в
150—200 мм (фиг. 17-2).
Прибор откачивается до высокого
вакуума и наполняется каким-либо-
газом, например гелием или неоном,
при давлении в несколько миллимет-
ров рт. ст. Прибор включается в цепь-
§ 17-3]
ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД
153
постоянного тока, напряжение которой
может( постепенно увеличиваться до
300 в. Схема включения трубки приве-
дена на фиг. 17-2.
После зажигания и стабилизации
разряда в трубке можно наблюдать
свечение газового разряда, состоящее
из областей, изображенных на фиг.
17-5 а
Начиная от поверхности катода,
эти области тлеющего разряда имеют
следующий порядок и характер.
1.	Астоново темное про-
странство, непосредственно при-
мыкающее к поверхности катода, пред-
ставляющее собой резкий темный слой,
незначительной толщины. Эта область
разряда наблюдается лишь у некото-
рых газов, например гелия.
2.	Катодное свечение —
тонкий светящийся слой, по своему
цвету отличающийся от остального
свечения разряда, примыкающий к
астонову темному пространству или
в случае его отсутствия — непосред-
ственно к поверхности катода. Яркость
катодного свечения несколько убы-
вает по направлению следующих за
ним областей разряда.
3.	Круксово или Гитторфа
темное пространство, толщи-
на которого находится в обратном
отношений к давлению газа. При дав-
лении порядка нескольких миллимет-
ров ртутного столба это темное про-
странство имеет место для большин-
ства газов. При ближайшем рассмот-
рении круксово темное пространство
оказывается свечением, обладающим
очень малой яркостью.
б)
—-Катодный слой
3 ^—г-Крунсово темное пространство
h*- Астоновсное темное пространство
2	-
Яркость свечения
Распределен, потенц.
относит, катода
'8
Тлеющее свечение
——Фарадеевотемн.пр-во
- —б Положит.столб-*-
Анодное свечение—*- j
Анодное темнлр-во — 
Фиг. 17-5.
4.	Отрицательное тлею-
щее свечение —, яркое свечение
с цветностью, характерной для каждо-
го газа, резко ограниченное со сторо-
ны круксова темного пространства и
размытое по направлению к аноду.
При низких давлениях отрицательное
свечение имеет вид светящегося об-
лака.
5.	Фарадеево темное про-
странство, размытое по направле-
нию к отрицательному свечению и бо-
лее отчетливо ограниченное со сторо-
ны анода. По своей ширине фарадее-
во темное пространство превышает
154
свойства газовых разрядов
(гл. 17
темное пространство Крукса в не-
сколько десятков раз.
6.	Положительный столб —
интенсивное, равномерное свечение с
характерной для данного газа цвет-
ностью, размеры которого зависят от
давления газа и расстояния между,
электродами. При давлении газа по-
рядка нескольких миллиметров ртут-
ного столба свечение положительного
столба является основной областью
светящегося разряда. В присутствии
некоторых загрязнений газа столб рас-
падается на ряд правильных попереч-
ных полос или «страт». Полоса иногда
принимают вид многоцветных зубча-
тых слоев, вращающихся вокруг оси
трубки. При изменении концентрации
загрязнений полосы двигаются по
направлению к одному из электродов.
Увеличение плотности тока разряда в
присутствии следов определенных
органических соединений вызывает
при некоторых условиях распадение
положительного столба на ряд узких
светящихся струй, беспорядочно дви-
гающихся в трубке^ Этот вид разряда
используется иногда в рекламных га-
зосветных трубках.
7.	Анодное свечение — тон-
кий светящийся слой, покрывающий
поверхность анода, имеющий большую
по сравнению с положительным стол-
бом яркость свечения.
8.	Анодное темное про-
странство — тонкий темный слой,
разделяющий анодное свечение и по-
верхность анода.
Все перечисленные выше области
тлеющего разряда могут быть разде-
лены на две группы: одну — основ-
ную, называемую катодной частью, и
другую, называемую анодной частью.
1. В катодной части сосре-
доточены все процессы, обусловли-
вающие самое существование разря-
да. Катодная часть включает области
разряда, примыкающие к катоду, до
фарадеева темного пространства вклю-
чительно.
2. Анодная часть, примыкая
к аноду, включает положительный
столб и следующие за ним анодное
свечение и темное пространство. На-
личие этой части разряда, как будет
видно далее, для существования раз-
ряда необязательно.
При переменном токе все эти обла-
сти вместе с переменой полярности
каждый период меняют свое располо-
жение относительно электродов и
взаимно накладываются в световых
восприятиях одна на другую. Вслед-
ствие этого разряд при переменном
токе кажется симметричным: отрица-
тельное свечение появляется у каж-
дого электрода и положительный столб
располагается в промежутке между
ними.
Наряду с описанными выше свето-
выми явлениями наблюдаются также
и изменения электрического состояния
в различных областях разряда, они
выражаются в наличии различной
концентрации положительных и отри-
цательных зарядов в отдельных ча-
стях газоразрядного промежутка,
следствием чего является неравномер-
ное распределение электрического по-
ля по длине трубки.
Катодная часть тлеющего
разряда объединяет наиболее ха-
рактерные и важные для данной фор-
мы разряда области, в которых со-
средоточены все основные явления, не-
обходимые для поддержания разряда.
Образование пространственного поло-
жительного заряда вблизи катода
приводит к сильному увеличению на-
пряженности электрического поля в
этой области. Под действием этого по-
ля положительные ионы, находящиеся
в области катода, получают ускоре-
ние, достаточное для выбивания вто-
ричных электронов с поверхности ка-
тода. Вторичные электроны с катода,
попадая в то же сильное поле, стано-
вятся вместе с ионами причиной явле-
ний в катодном пространстве.
Анодная часть тлеющего
разряда начинается непосредствен-
но за темным фарадеевым простран-
ством. Состав анодной части зависит-
от конфигурации разрядного простран-
ства, определяемой наличием стенок,
ограничивающих объем разряда, и
расстоянием между электродами.
В том случае, когда вблизи между-
электродного пространства нет стенок,
ограничивающих разряд, темное фа-
радеево пространство простирается до
§ 17-4]
ДУГОВОЙ РАЗРЯД
155
.анода и свечение может возникнуть у
его поверхности. В газоразрядных при-
•борах трубчатой формы анодная часть
•обычно состоит из описанных выше об-
ластей положительного столба, анод-
лого свечения и иногда — анодного
темного пространства.
Положительный столб может быть
•сплошным или разделенным на слои.
Сплошной положительный столб в
цилиндрической трубке является обла-
стью почти постоянного градиента по-
тенциала, достаточного для возбужде-
ния атомов газа, а также для образо-
вания положительных ионов и элек-
тронов по мере того, как они увлека-
ются соответственно к катоду и аноду,
л также диффундируют на стенки
с последующей их рекомбинацией.
В широких цилиндрических сосудах с
осевым расположением электродов
градиент потенциала почти исключи-
тельно зависит от природы газа и его
давления. В узких трубках в связи
с действием свободных зарядов, обра-
зующихся на стенках, и соответствую-
щим искажением электрического поля
по длине трубки градиент потенциала
кроме природы и давления газа зави-
сит также от диаметра трубки и плот-
ности тока. В порядке первого прибли-
жения можно считать, что произведе-
ние диаметра трубки и соответствую-
щего градиента потенциала равно не-
которой постоянной величине, причем
величина этой постоянной уменьшает-
ся по мере увеличения плотности тока.
Свечение положительного столба
является главным образом следствием
возбуждения нейтральных атомов уда-
рами электронов. Оно начинается на
границе темного фарадеева простран-
ства по мере того, как электроны при-
обретают необходимую для возбужде-
ния скорость. Это подтверждается тем,
что на границе столба выступают
прежде всего линии, имеющие мень-
ший потенциал возбуждения. При
увеличении плотности тока возникают
также ступенчатые процессы возбуж-
дения и ионизации и при очень боль-
ших плотностях тока, редких в тлею-
щем разряде, — термические процессы.
Кроме свечения, вызываемого непо-
средственным возбуждением вслед-
ствие ударов электронов, в положи-
тельном столбе наблюдается также в
ограниченном размере и свечение ре-
комбинации.
Характерной особенностью сплош-
ного положительного столба является
то, что величина напряженности поля,
так же как и значение яркости по дли-
не столба, постоянна.
При известных условиях сплошной
положительный столб распадается на
поперечные светящиеся слои. В соот-
ветствии с этим постоянное по длине
столба электрическое поле уступает
место полю с периодически изменяю-
щейся напряженностью.
17-4. Дуговой разряд
В отличие от тлеющего разряда,
требующего для своего поддержания
большого катодного падения потен-
циала, дуговой разряд характеризует-
ся малым его значением, приблизи-
тельно равным потенциалу ионизации
газа, в среде которого происходит раз-
ряд. Малое значение катодного паде-
ния обусловливается в дуговом разря-
де интенсивным выделением электро-
нов с катода при участии явлений
термоэлектронной или автоэлектрон-
ной эмиссии.
В зависимости от способа получе-
ния электронов с катода можно раз-
личать следующие виды дугового раз-
ряда:
1.	Самостоятельный дуговой раз-
ряд, в котором электроны, необходи-
мые для разряда, получаются путем
термоэлектронной эмиссии при исполь-
зовании энергии самого разряда, вы-
деляемой на катоде в виде тепла (са-
мокалящцеся катоды).
2.	Несамостоятельный дуговой раз-
ряд, в котором электроны получаются
также путем термоэлектронной эмис-
сии с катода, нагреваемого независи-
мо от разряда от отдельной цепи -на-
кала (независимый подогревный ка-
тод) .
3.	Самостоятельный дуговой раз-
ряд, в котором электроны получаются
за счет энергии самого разряда, путем
автоэлектронной эмиссии с катода и
термической ионизации газа вблизи
его поверхности.
156
СВОЙСТВА ГАЗОВЫХ РАЗРЯДОВ
[гл. 17
Связь дугового разряда с нагрева-
нием катода может быть особенно
ярко выявлена при наблюдении пере-
хода тлеющего разряда в дуговой раз-
ряд.
При увеличении плотности тока
тлеющего разряда, например, путем
уменьшения сопротивления в цепи
трубки энергия положительных ионов,
бомбардирующих поверхность катода,
делается настолько значительной, что
катод нагревается и наряду с вторич-
ными электронами начинает выделять
также и термоэлектроны. В связи с
этим за счет нейтрализации положи-
тельных ионов катода образуемый ими
пространственный заряд уменьшает-
ся, а вместе с ним снижается и катод-
ное падение. При этом благодаря даль-
нейшему возрастанию плотности тока
термоэлектронная эмиссия получает
доминирующее значение на катоде, и
при наличии ограничивающего сопро-
тивления в цепи трубки тлеющий раз-
ряд переходит в стационарную форму
дугового разряда. Процесс перехода
тлеющего разряда в дуговой, выра-
женный в соответствующем изменении
тока и напряжения на трубке, изобра-
жен на фиг. 17-4.
Устанавливающееся при переходе
в дуговой разряд катодное падение
приблизительно в 10 раз меньше ка-
тодного падения тлеющего разряда.
Произведение этого катодного паде-
ния на ток дает то количество энер-
гии, выделяющееся в катодной части,
которое необходимо для того, чтобы
поддерживать температуру и термо-
электронную эмиссию, достаточные
для данного режима разряда. В само-
калящихся катодах необходимая тер-
моэлектронная эмиссия обыкновенно
обеспечивается лишь небольшой долей
всей поверхности катода, имеющей бо-
лее высокую плотность тока и темпе-
ратуру.- Такая наиболее раскаленная
часть поверхности катода носит на-
звание «катодного пятна». Визуально
катодное пятно представляет собой
ярко светящуюся точку на поверхно-
сти катода, на которую опирается ка-
тодная часть разряда. Таких точек на
катоде может быть одна или не-
сколько.
В случае несамостоятельного дуго-
вого разряда при наличии искусствен-
но подогреваемого катода его поверх-
ность используется более равномерно,
однако и в этом случае отдельные точ-
ки раскаленной поверхности катода
могут иметь более высокую темпера-
туру и соответственно большую тер-
моэлектронную эмиссию.
Строение дугового разряда, наблю-
даемое визуально, зависит от харак-
тера газообразной среды, в которой
протекает разряд, а также от свойств
каждого из электродов, их полярно-
сти и способа получения электронов с
катода. Благодаря высокой темпера-
туре дугового разряда устанавливает-
ся тесная связь между газовой средой
и электродами в их совместном влия-
нии.
В зависимости от распределения
потенциала газоразрядный промежу-
ток можно разделить на следующие
три области:
а)	область катодного падения;
б)	область положительного столба;
в) область анодного падения.
Основные процессы в этих обла-
стях дугового разряда можно пред-
ставить схематически в следующем
виде.
|В области катодного падения, по-
добно тому как это наблюдается в
тлеющем разряде, имеется избыток по-
ложительных ионов, образующих про-
странственный заряд. Это вызывает
соответствующее искажение электриче-
ского поля вблизи катода, выражаю-
щееся катодным падением потенциала.
В дуговом разряде при малых дав-
лениях газа процессы в положитель-
ном столбе аналогичны процессам по-
ложительного столба тлеющего разря-
да. При увеличении давления и плот-
ности тока явления в положительном
столбе усложняются за счет увеличе-
ния вероятности ступенчатых процес-
сов. В соответствии с этим необходи-
мая компенсация потерь заряженных
частиц на диффузию к стенкам может
быть достигнута при меньшей темпе-
ратуре электронов и меньшем значе-
нии градиента потенциала в положи-
тельном столбе.
При увеличении плотности тока в
разряде при больших давлениях газа
наблюдается также отшнуровывание
§ 18-2]
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АНОДА
157
или радиальное сжатие положитель-
ного столба, являющееся следствием
выд'еления большого количества тепла
в столбе и наличия в нем радиального
градиента температуры. Анодное паде-
ние потенциала в дуговом разряде яв-
ляется следствием значительного элек-
тронного тока, передаваемого на анод,
и наличия отрицательного простран-
ственного заряда. По своей величине
анодное падение потенциала дугового
разряда обыкновенно превышает ка-
тодное падение. Следствием значи-
тельного анодного падения и большого
электронного тока является большое
количество энергии, выделяющейся на
аноде в виде тепла. Количественно
мощность этих потерь выражается
произведением тока разряда на анод-
ное падение. Внешний эффект выделе-
ния этой мощности обыкновенно выра-
жается в нагревании анода до высо-
кой температуры.
ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ГАЗОВОГО
РАЗРЯДА
18-1. Общий баланс энергии
газоразрядной лампы
Одним из важнейших параметров
источника света, который отражает
энергетические его свойства, является
его световая отдача. Наиболее ясное
представление о возможностях получе-
ния высокой световой отдачи у источ-
ников света газового разряда можно
получить из рассмотрения баланса
энергии, сообщаемой электрическим
полем заряженным частицам, в про-
цессе разряда (внутренний баланс).
Общий баланс мощности, заим-
ствуемой всяким источником света от
электрической сети (внешний баланс),
может быть представлен уравнением
Рс = Рв + Р,.у (18-1)
где Рс — мощность, заимствуемая от
электрической сети;
Ре—мощность, потребляемая са-
мим источником;
Рв У — мощность, теряемая в вспо-
могательных приборах вклю-
чения.
По отношению к источникам света
газового разряда мощность, потреб-
ляемая самим источником Ре, на основе
принятого разделения элементарных
процессов можно представить состоя-
щей из следующих основных слагаю-
щих:
Р. = Рл+рк + рпс. (18-2)
где Рд — мощность, выделяемая на
аноде;
Рк — то же на катоде;
рпс — мощность в положительном
столбе разряда, выделяемая
за счет энергии электронов
и ионов, возбужденных и
нейтральных атомов.
Как видно будет из дальнейшего
анализа баланса энергии, мощность
каждого из слагаемых правой части,
превращаемая в излучение или тепло,
рассеивается во внешнее пространство
при посредстве излучения, теплопро-
водности и конвекции.
Объединяя уравнения (18-1) и
(18-2), окончательно баланс энергии
можно выразить уравнением
Рс = РА+Рк + РпС + Рв.у (18-3)
18-2. Особенности работы анода
Светящаяся часть газового разря-
да, непосредственно примыкающая
к аноду (анодное свечение), не имеет
самостоятельного значения для света,
так как световой эффект анодного све-
чения незначителен. Однако ввиду того
что анод служит приемником большей
части электронов, выделяемых катодом
и образующихся в газовом объеме в
процессе разряда, на его поверхности
может быть выделено такое количе-
ство энергии, что сам анод разогре-
вается и становится источником тепло-
вого излучения. Это находит свое при-
менение в электродосветных лампах,
158
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[ГЛ, 1g
в которых световой поток, излучаемый
анодом, достигает 95% всего потока,
испускаемого лампой.
Электрический ток, проходящий че-
рез лампу It, создается благодаря
направленному движению электронов,
перемещающихся с большой скоростью
к аноду, и более медленных положи-
тельных ионов, направляющихся к ка-
тоду. Лишь незначительная часть тока
передается ионами, и ббльшая часть
его приходится на долю электронов.
Кроме направленного движения
электронов в среде разряда имеет ме-
сто беспорядочное их движение с рас-
пределением скоростей по закону Макс-
велла. Наиболее вероятная скорость
этого движения значительно превы-
шает скорость направленного движения
электронов к аноду.
Благодаря равной вероятности на-
правления движения электронов в про-
тивоположном направлении должны
иметь место токи такой же плотности,
в результате чего эти беспорядочные
токи внешнего действия не обнаружи-
вают. Это действие проявляется лишь
в тех направлениях, в которых сущест-
вует слагающая электрического поля,
которая вызывает направление движе-
ния электронов к аноду. Общая раз-
ность токов, проходящих через полное
сечение газоразрядной трубки парал-
лельно ее оси, измеряется, как ток,
проходящий через лампу /z.
•В области анодного падения элек-
троны поглощаются анодом, обратный
их поток по направлению к катоду поч-
ти отсутствует и величина тока, попа-
дающего на анод, может превышать
ток лампы Благодаря тому что в
этом случае вблизи анода окружаю-
щий его газ имеет более высокий по-
тенциал, чем анод (положительный
пространственный заряд), образуется
отрицательное анодное падение.
Отрицательное анодное падение
существует до тех пор, пока поверх-
ность анода достаточно велика и
где jt — плотность*тока на
катоде. При малой поверхности анода,
когда	вблизи анода возни-
кают отрицательный пространственный
заряд и соответственно положитель-
ное падение потенциала.
Анод в этом случае-по сравнению с
окружающим газом имеет положитель-
ный потенциал, что вызывает приток
электронов на его поврехность ив
среды ионизированного газа. Величина-
положительного анодного падения в.
большинстве случаев равняется не-
скольким вольтам, достигая значения7
потенциала ионизации газа При?
положительном анодном падении энер-
гия, выделяющаяся на аноде, может
достигнуть такой величины, что анод,
разогревается до высокой температуры.
18-3. Особенности работы
различных видов катодов
Свечение катодной части газового*
разряда (отрицательное свечение) не
находит широкого применения в источ-
никах света, ограничиваясь мало эф-
фективными в смысле световой отдачи
тлеющими лампами и маломощными
натриевыми лампами. Однако благода-
ря тому что процессы, протекающие &
катодном пррстранстве, имеют жизнен-
ное значение для всего газового разря-
да, энергетические соотношения на ка-
тоде играют существенную роль и в-
тех случаях, когда для получения све-
та используется наиболее эффективная
часть разряда — положительный столб.
Это объясняется тем, что создание-
мощного разряда возможно лишь при
достаточном количестве первичных
электронов, получаемых с катода. Так
как эмиссия электронов с катода со-
пряжена с затратой некоторой энергии^
то эффективность в их получеции ока-
зывает непосредственное влияние на
полезную отдачу разряда в целом.
Средством для уменьшения потерь
энергии на катоде может служить при-
менение раскаленного катода, связан-
ное с большой выгодой.
Холодный катод. Характерной’
особенностью холодного катода, как
указывалось выше, служит то, что
электроны с его поверхности выделя-
ются под влиянием удара положитель-
ных ионов. Соответственно этому у ка-
тода образуется высокое катодное па-
дение потенциала. С момента возник-
новения отрицательного свечения на?
поверхности катода по мере увеличе-
ния тока катодное падение остается
постоянным до тех пор, пока свечение
§ 18-3]
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ КАТОДОВ
159J
не покроет всей поверхности (нормаль-
ное катодное падение Соответ-
ственно этому до полного покрытия ка-
тода свечением остается постоянной и
плотность тока jn на покрытой све-
чением части. .
Величина нормального катодного
падения зависит от свойств материала
катода и рода газа, но практически не
зависит от его давления. Она умень-
шается вместе с увеличением количе*
ства электронов, освобождаемых из ка-
тода, приходящихся на один ион, и с
увеличением количества ионизирован-
ных атомов, приходящихся на 1 см пу-
ти электрона.
Для данного газа UKn пропорцио-
нально потенциалу выхода электрона
из металла катода 17фК; значения UKn
для различных газов и металлов ка-
тода приведены в табл. 18-1.
В противоположность катодному
падению UKn нормальная плотность
тока Jn изменяется вместе с давле-
нием газа. При постоянной темпера-
туре катода, когда плотность газа
пропорциональна давлению, для пло-
ских электродов значение плотности
тока jn может быть выражено урав-
нением
Jn=joP2> (18-4>
где /о — плотность тока при давлении
1 мм рт. ст. и температуре
20° С, в мка/см2;
р — давление газа, мм рт. ст.
Значения /0 для различных газов,
и материала катода приведены в
табл. 18-2.
При данной плотности газа макси-
мальный ток, при котором еще сохра-
няется нормальное катодное падение,
выражается уравнением ’
=JA И (18-5)
(jn — нормальная плотность тока, а]см29
и SK— площадь катода, см2).
Увеличение тока разряда до пол-
ного покрытия поверхности катода све-
чением и дальнейшее повышение плот-
hocti! тока влекут за собой переход
нормального катодного падения в боль-
шее по величине аномальное катодное
падение UK.
В связи с увеличением интенсивно-
сти бомбардировки катода ионами
Таблица 18-1
Нормальные катодные падения в
	Воздух	Аг	н2	Не	Hg	Кг	n2	Ne	Хе
Алюминий		229	100	171	141					179	120		
Барий 		—	93	—	86	—	—	157	—	—
Вольфрам		—	—	—	—	305	—	—	125	—
Железо		269	131	198	153	389	215	215	—	306
Магний		224	119	153	125	—	—	188	94	—
Медь		252	131	214	177	417	—	208	—	—
Натрий 		—	—	185	80	—	—	178	75	—
Никель		226 .	131	211	—	—	—	197	—	—
Ртуть 		—	—	270	143	340	—	226	—	—
Таблица 18-2
Значения нормальной плотности тока на катоде jn
(мка/см^) при р = 1 мм рт. ст. и 20°С
Материал катода	Воздух	Аг	на	Газ Не	Hg	Кг	N2	Ne	Хе
Алюминий		330		90		4				
Магний		—	20	—.	3	—	—	—	5	—
Медь		240	—	64	—	15	—	—	—	—
Железо		—	160	72	2,2	8	43,16	400	6	43,16
Никель 				Приблизительно как у железа						
160
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл. 18
увеличивается нагревание катода и
происходит большее распыление его
материала с поверхности (катодное
распыление).
Нагревание катода вызывает умень-
шение плотности газовой среды вблизи
его поверхности и способствует возник-
новению аномального катодного паде-
ния даже и в тех случаях, когда на
основе измерения давления газа при
комнатной температуре и наблюдаемой
плотности тока можно ожидать нор-
мального катодного падения. В связи
о этим во вс§х практических случаях
следует избегать перегрузки катода и
выполнять его с достаточной поверх-
ностью.
Благоприятное действие, в смысле
уменьшения катодного падения и уст-
ранения связанных с ним недостатков
оказывает активирование поверхности
катода, вызывающее увеличение его
термоэлектронной эмиссии. Оно. при-
меняется в современных газосветных
трубках, работающих при повышенных
плотностях тока.
Наряду с нагреванием катода при
достаточно высоком катодном падении
и других условиях (материал и форма
катода, род газа), даже при’ низких
температурах наблюдается распыление
материала с поверхности катода. Осаж-
дающиеся на стенках лампы частицы
распыленного материала уменьшают
прозрачность стенок и вызывают по-
глощение частиц газа, в котором про-
исходит разряд, вследствие чего дав-
ление газа в трубке понижается. По-
следнее влечет за собой дальнейшее
возрастание UK, что еще больше уве-
личивает распыление и понижает дав-
ление газа. Постепенно * развиваясь,'
этот процесс может закончиться пол-
ным прекращением разряда вследствие
недостаточной плотности газовой среды.
Количество вещества катода, рас-
пыляемого в единицу времени с 1 см2:
Q = K(Uk-Uko), (18-6)
где UK — действующее катодное па-
дение;
UKQ — минимальное катодное па-
дение, при котором еще наб-
людается распыление;
К — коэффициент пропорцио-
нальности.
По данным Хэлла для оксидных
катодов в случае неона Кко= 27 в,
для аргона UK0 = 25 в и для ртути
UKQ = 22 — 17 А. Величина К зависит
от ряда факторов, в настоящее время
не изученных.
Катодное распыление играет осо-
бую роль для сложных катодов, по-
верхность которых покрыта активными
слоями, разрушающимися под влия-
нием интенсивной обмбардировки по-
ложительными ионами.
Важнейшим факторм, уменьшаю-
щим катодное распыление во всех слу-
чаях, является поддержание достаточ-
ной эмиссии катода, снижающей катод-
ное падение.
18-4. Эксплуатационные свойства
отдельных типов катода
Выбор типа катода зависит от фор-
мы применяемого разряда (тлеющий,
дуговой разряд), вида используемого
свечения (отрицательное свечение, по-
ложительный столб, раскаленный
анод), а также от величины тока и на-
пряжения лампы, определяющих ее
мощность. В некоторых случаях на вы-
бор типа катода оказывает также
влияние и род тока.
Применение холодного като-
да в большинстве случаев связано с
использованием тлеющего разряда
(тлеющие лампы, высоковольтные
трубки с положительным столбом),
характеризующегося малыми значения-
ми тока, измеряемого в малых сиг-
нальных лампах миллиамперами и вы-
соким рабочим напряжением, дости-
гающим в длинных трубках тлеющего
разряда нескольких тысяч вольт.
Вследствие высокого катодного па-
дения, свойственного тлеющему разря-
ду, во избежание интенсивного распы-
ления материала катода с его поверх-
ности катод должен обладать достаг
точной по величине площадью. Рабо-
чая плотность тока при этом не долж-
на значительно превышать плотность
тока, соответствующую нормальному
катодному падению. В зависимости от
материала катода, рода газа и его дав-
ления максимальный ток в этом случае
определяется с помощью уравнения
§ 18-4]
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОТДЕЛЬНЫХ ТИПОВ КАТОДА
161
(18-5). Кроме величины площади, на
распыление катода оказывает влияние
и форма катода, которая выбирается
таким образом, чтобы избежать обра-
зования сильных местных полей (ост-
рые углы и неровности).
В качестве материала для холодно-
го катода обыкновенно применяются
металлы с малым катодным падением,
менее подвергающиеся распылению, —
алюминий, никель, железо. Для боль-
шего снижения катодного падения по-
верхность катода иногда покрывается
тонкими слоями щелочных или щелоч-
но-земельных металлов: Na, Ва и др.,
или весь катод выполняется из специ-
альных сплавов, обладающих повышен-
ной термоэлектронной эмиссией.
С целью уменьшения почернения
стенок трубки вследствие распыления
катод при более значительных плотно-
стях тока заключается иногда в спе-
циальные камеры из стекла или квар-
ца, служащие ловушками для распы-
ленного металла, оседающего на внут-
ренней их поверхности.
Для работы на переменном токе
оба электрода (катод и анод) обычно
делаются одинаковой формы и разме-
ра. При асимметрии электродов, влеку-
щей за собой наличие различных плот-
ностей тока на обоих электродах, на-
блюдается выпрямляющий эффект
(вентиль тлеющего разряда).
При применении раскаленно-
го катода пользуются катодами
двух основных типов: катодом незави-
симого. накала, подогреваемым от
отдельной нагревательной цепи, и са-
мокалящимся катодом, нагревающимся
за счет тепла, выделяющегося в про-
цессе самого газового разряда.
Раскаленный катод применяется во
всех тех случаях, где необходимо ис-
пользовать более мощную, чем тлею-
щий разряд, форму — дуговой, разряд.
Последний характеризуется относи-
тельно малым (порядка ионизацион-
ного потенциала газообразной среды)
катодным падением и большой плот-
ностью тока.
Разряд, осуществляемый при подо-
греве катода от внешней, отдельной
цепи, является несамостоятельным раз-
рядом, параметры и существование ко-
торого зависят от количества энергии,
11 А. П. Иванов.
подводимой к катоду извне. Благодаря
возможности независимого от разряда
питания катода последний может быть
выполнен в виде простого — вольфра-
мового или сложного — оксидного ка-
тода. Работа таких катодов возможна
как на постоянном, так и на перемен-
ном токе.
Катоды с независимым подогревом
обладают рядом существенных досто-
инств, к которым относятся: более лег-
кое зажигание разряда, возможность
регулирования его режима путем изме-
нения тока накала, меньшее распыле-
ние катода и соответственно этому
больший срок службы лампы. К недо-
статкам использования этого вида ка-
тода нужно отнести более сложную
схему включения лампы, требующую
специальных устройств для питания
накала.
Введение в технику катодов, покры-
тых слоем окислов щелочно-земельных
металлов — бария, стронция и кальция
(оксидные катоды), позволивших полу-
чить достаточно большой ток термо-
электронной эмиссии при сравнительно
низких температурах катода, дало воз-
можность во многих случаях избежать
необходимости нагрева катода от от-
дельной цепи накала.
Кроме того, в процессе протекания
разряда в среде газа, на стенках лам-
пы и, в особенности, на аноде выде-
ляется значительное количество тепла,
которое также может быть использо-
вано для нагрева катода. Отсюда воз-
никает идея создания самокал я-
щ е г о с я катода, применяемого в на-
стоящее время в большинстве видов
ламп газового разряда как наиболее
экономичный тип катода.
Работа самокалящегося катода
имеет специфические особенности, из
которых прежде всего необходимо от-
метить различие условий его работы
на постоянном и переменном токе.
Сравнение несамостоятельного ду-
гового разряда при постоянном
токе, когда катод нагревается от от-
дельного источника тока, с самостоя-
тельным разрядом, имеющим самока-
лящийся катод, показывает, что в обо-
их случаях катодное падение потен-
циала невелико и приблизительно
162
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл. 19
равно потенциалу ионизации газа, в
котором происходит разряд. Однако в
случае несамостоятельного разряда
электрический ток переносится почти
исключительно электронами, в то вре-
мя как при самостоятельном разряде
некоторая часть полного тока перено-
сится за счет положительных ионов.
Причиной этого является в большин-
стве случаев недостаточная температу-
ра катода, вследствие чего электроны,
необходимые для поддержания 'разря-
да, получаются как за счет термоэлек-
тронной эмиссии, так и благодаря бом-
бардировке катода положительными
ионами.
ГЛАВА ДЕВЯТНАДЦАТАЯ
СВЕТОВЫЕ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ
СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
19-1. Световой поток источников света
газового разряда
Световые свойства источников све-
та газового разряда определяются ка-
чественными и количественными харак-
теристиками светового потока, испу-
скаемого источником. Применительно к
использованию в качестве приемника
энергии излучения — глаза — такими
характеристиками служат спектраль-
ные или цветовые характеристики све-
тового потока и его величина.
В отличие от температурных источ-
ников света газосветные лампы имеют
спектр, состоящий из отдельных линий
и полос. Распределение линий и полос
по спектру зависит от природы газа
или пара, его состояния, а также от
вида (тлеющий, дуговой, искровой)
и от расположения наблюдаемого
участка свечения относительно элек-
тродов (отрицательное свечение, поло-
жительный столб).
В зависимости от характера основ-
ных процессов и условий, определяю-
щих форму газового разряда, спек-
тральные свойства световых явлений
имеют следующие особенности:
а)	Дуговой спектр, свойствен-
ный дуговому разряду, характеризует-
ся линейчатой структурой, содержащей
линии, возникающие при возбуждении
нейтральных атомов газа.
Спектр может быть получен при соуда-
рении атомов с электронами малых и
средних скоростей.
б)	Искровой спектр, свой-
ственный искровому разряду, характе-
ризующийся линейчатой структурой,
содержащей линии возбужденных
нейтральных атомов и ионов.
Вероятность ионизации атомов при со-
ударении их с электронами, а также
возбуждения ионов повышается вместе
с увеличением скорости электронов.
в)	Спектр рекомбинации,
характеризующийся сложной линейча-
той структурой, возникает при реком-
бинации ионов и электронов
в нейтральный атом.
Спектр рекомбинации состоит из от-
дельных серий линий и слабого сплош-
ного спектра, примыкающего к грани-
це серии со стороны коротких волн.
При подборе соответствующего га-
за или паров металлов можно принци-
пиально получить излучение энергии в
любой части спектра, за счет этого мо-
жет быть повышена и общая световая
отдача источника света. Для каждого
газа или пара интенсивность отдель-
ных, характерных линий, их щирина,
возникновение полос и примыкающих
к линейному спектру участков сплош-
ного спектра зависят от плотности то-
ка и давления газа.
Цветность света, излучаемого источ-
ником, находится в непосредственной
связи с распределением энергии по
спектру и имеет для источников света
газового разряда особенно важное зна-
чение. Во многих случаях этой харак-
теристикой предопределяется и самая
возможность применения отдельных
видов ламп для определенной цели.
Цветность света, излучаемого газо-
светной лампой, зависит от природы
светящейся газообразной среды, рас-
положения свечения в междуэлектрод-
ном пространстве лампы, состояния га-
§ 19-1 ]	СВЕТОВОЙ ПОТОК ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА 163
за или пара, определяемого его плот-
ностью или давлением, и от электриче-
ского режима, выражаемого плотно-
стью тока, проходящего через лампу.
Типичная цветность свечения для
различных газов и паров при низком
давлении и небольших .плотностях то-
ка приведена в табл. 19-1.
Величина светового потока, излу-
чаемого источником света, зависит от
количеств энергии, используемой в
светящейся его части, и от относи-
тельной ее доли, приходящейся на ви-
димую область спектра. Количество
энергии, выделяемое на 1 см длины
газового объема в одну секунду, мо-
жет быть выражено произведением
тока, проходящего через сечение
трубки на градиент потенциала G
в соответствующей части газового
объема. Таким образом, в случае рав-
номерного свечения положительного
столба по всей длине его Lnc, общая
мощность, затраченная на получение
светового потока, испускаемого стол-
бом Рпс, может быть выражена урав-
нением
Р пс —	19-1)
Для определения полной мощности,
потребляемой лампой, к этому долж-
ны быть добавлены потери в несветя-
щейся части лампы (электроды, вво-
ды), а также потери в вспомогатель-
ных включающих устройствах.
Анализ явлений.в газовом разряде
показывает, что для каждого типа
лампы при данных ее геометрических
размерах существует некоторое опти-
мальное значение мощности, на кото-
рое и должна быть рассчитана лампа.
Это оптимальное значение, кроме гео-
метрических параметров лампы (диа-
метр разрядной трубки, расстояние
между электродами) и рода исполь-
зуемого газа, определяется формой
применяемого разряда. Электрически
последнее отражается на величине ка-
тодного и анодного падения потейциа-
ла (потери на электродах) и на вели-
чине плотности тока, проходящего че-
рез трубку.
По мере увеличения плотности тока
во всех случаях увеличивается поверх-
ностная плотность или яркость свето-
вого потока, а вместе с ней и общий
световой поток лампы. Однако в связи
с различной закономерностью возра-
стания яркости и потерь в разряде при
увеличении плотности тока световая
отдача разряда и лампы в целом мо-
жет по достижении определенной точ-
ки режима начать изменение и в об-
ратном направлении. В особенности
это имеет место в тех случаях, когда
с изменением плотности тока по тем
или иным причинам связано перерас-
пределение интенсивности спектраль-
ных линий в различных областях спек-
тра. В том случае, если по мере увели-
Таблица 19-1
Род газа или пара	Цвет излучения	
	Отрицательное свечение	|	Положительный столб
Азот	Синий	Золотисто-желтый
Аргон	Синевато-голубой	Светлоголубой или фиолетовый
Водород	Голубой	Розовый
Воздух	Синий	Красноватый
Г елин	Серовато-белый или бледно-	От фиолетово-красного до
	зеленый	желто-розового
Кислород	Желтовато-белый	Лимонно-желтый с розовой
		сердцевиной
Неон	Оранжево-красный	Красный
Окись углерода	Зеленовато-белый	Белый
Углекислота	Синий	Белый
Пары магния	Зеленый	Зеленый
» кадмия	Красный	Зеленовато-голубой
» натрия	Зеленовато-желтый	Желтый
» ртути	Желтовато-белый	Зеленовато-белый
» таллия	Зеленый	Зеленый
Смесь паров ртути и кадмия	Зеленовато-белый	Голубовато-белый
Смесь паров ртути и цинка	Г олу бовато-белый	Голубовато-белый
11*
164
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл. 19
чения плотности тока относительная
интенсивность спектральных линий, по-
лос и сплошного фона в видимой ча-
сти спектра возрастает, световая отда-
ча разряда увеличивается; при обрат-
ном изменении распределения интен-
сивности наблюдается и обратная кар-
тина изменения световой отдачи. При-
мерами последствий таких изменений
плотности тока соответственно могут
служить разряды в парах ртути и на-
трия при увеличении плотности атомов
в разрядном пространстве.
В случае разряда в ртутных парах
при высоких значениях плотности тока
увеличение общего светового потока и
яркости происходит не только благо-
даря увеличению общего количества
актов возбуждения соответственно уве-
личению числа действующих заряжен-
ных частиц, но также и благодаря воз-
никновению новых вторичных процес-
сов, являющихся следствием увеличе-
ния плотности паров при повышении
температуры лампы. Так как при на-
личии этих вторичных, ступенчатых
процессов появляются новые линии и
участки сплошного фона в видимой
области спектра, то общая световая
отдача разряда при этих условиях по-
вышается. Вместе с этим изменяется и
цветность света. Соответственно воз-
можности повышения световой отдачи
по мере увеличения плотности тока
становится целесообразным и увеличе-
ние мощности разряда. Обратное полу-
чается в случае разряда в парах на-
трия, так как наличие вторичных про-
цессов здесь влечет за собой появление
линий в невидимой области спектра за
счет относительного ослабления интен-
сивности видимых линий. В связи
с этим увеличение плотности тока на-
триевых ламп далее определенных ее
значений не влечет за собой улучше-
ния световой отдачи лампы, что отра-
жается на величине оптимального све-
тового потока лампы, которая в на-
стоящее время не превосходит на прак-
тике 10 000 лм.
Ввиду того что величина светового
потока, испускаемого светящимся га-
зом, зависит от концентрации газа и
от толщины светящегося слоя, значе-
ние яркости светящейся цилиндриче-
ской трубки от ее оси к краям
Фиг. 19-1.
неодинаково и изме-
няется по кривой, имею-
щей вид, представлен-
ный на фиг. 19-1.
Вид этой кривой
зависит от плотности
излучающей среды и
ее поглощательных
свойств для данного
рода излучений. Оцен-
ка яркости газосветных
трубок практически
производится средним
ее значением Вг, полу-
чаемым в результате
деления силы света Z,
измеренной в данном
направлении, на ве-
личину проекции светящегося объема.
Для цилиндрической трубки внутрен-
него диаметра Dx и длины L величи-
на В в направлении, перпендикуляр-
ном к оси трубки, выразится уравне-
нием

n _ J (DL)
(19-2)
В случае отшнурованного разряда в
уравнении (19-2) вместо величины Dx
должен подставляться диаметр контра-
гированного светящегося столба DK
(фиг. 19-1).
Распределение светового потока в
пространстве зависит от конфигурации
излучателя, от расположения отдель-
ных его частей относительно друг дру-
га, а также от светотехнических
свойств окружающей его оболочки
(колба, арматура). Для источников
света газового разряда это применимо
к электродосветным лампам, в которых
главная часть светового потока излу-
чается с поверхности твердых электро-
дов.
В газосветных лампах, где излуча-
телем служит объем газа, конфигура-
ция излучателя определяется располо-
жением и формой электродов (отрица-
тельное свечение) или, кроме того, так-
же размерами и формой стеклянного
баллона (неконтрагированный положи-
тельный столб). В наиболее распро-
страненном случае, когда баллон лам-
пы имеет форму цилиндрической труб-
ки, кривые распределения светового
потока в вертикальной и горизонталь-
ной плоскостях близки к кривым рас-
§ 19-2]
КОЭФФИЦИЕНТЫ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ
165
пределения светового потока для излу-
чающего непрозрачного цилиндра. Од-
нако в связи с тем, что частицы газа
поглощают излучения и толщина излу-
чающего слоя газа в различных на-
правлениях вертикальной плоскости не-
одинакова, соответствующие кривые
распределения светового потока цилин-
дрических газосветных трубок с раз-
180° ио0 т° <5о° т°
Фиг. 19-2.
личными газами по своей форме отли-
чаются от правильного круга, имеюще-
го место в случае излучающей цилинд-
рической поверхности. Различия этих
кривых зависят от свойств газа.
Примеры такого отклонения от пра-
вильного круга можно видеть на
фиг. 19-2: а — для разряда в неоне и
b — для разряда в парах натрия.
Распределение светового потока для
цилиндрических трубок в горизонталь-
ной плоскости обычно имеет вид пра-
вильной окружности (фиг. 4-2, пунк-
тирная кривая /).
При практических расчетах свето-
вого потока, излучаемого цилиндриче-
скими трубками, в особенности при
значительной их длине, можно пользо-
ваться простым соотношением, сущест-
вующим между световым потоком F
и горизонтальной силой света Jft:
F = 4irJ0 = 4тг-0,8/д ч= 10Jft [лм].
(19-3)
что при-
0,8, что соответствует
В данном случае принято,
ближенно
Jh
случаю излучающей цилиндрической
поверхности, а для Ггазосветных тру-
бок с объемным излучением зависит
от свойств газа.
Таким образом, горизонтальная си-
ла света цилиндрической трубки, выра-
женная в свечах, приближенно может
быть выражена световым потоком в
декалюменах.
Необходимо заметить, что кривые
распределения монохроматических све-
товых потоков для различных длин
волн в одной и той же лампе различ-
ны, что объясняется различной сте-
пенью поглощения отдельных линий
спектра в среде газа.
19-2. Коэффициенты полезного
действия и световая отдача излучения
Общее выражение к. п. д.
излучения. При оценке работы
каждого источника излучений полезный
эффект выражается долей энергии,
испускаемой в области излучения дан-
ного приемника. Для источника види-
мого света такой областью является
интервал длин волн Л = 0,4—0,8 мкн,
соответствующий видимости глаза.
Энергетический и световой к. п. д.
излучения разряда могут быть опреде-
лены также и из анализа распределе-
ния энергии по спектру.
Общие выражения т]“3 и- у™ для
непрерывного спектра имеют вид
0,8
j n dX
U3 -- °’4
Ь 00
о
0,8
т)“3 -
•св
оо
рх Л
о
Пользуясь уравнениями (19-4) и (19-5),
можно определить также и значение
к. п. д. видимого излучения т)“3:
из
гиз —
" ч“а ’
' (19-6)
166
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
(гл. 19
ИЛИ
0.8
j ?х
Ъ“3 = °-^-------- (19-7)
JTxdX ,
0,4
где — спектральная энергетическая
интенсивность для излучений
с длиной волны Л;
/Сх — относительный коэффициент
видности для той же длины
волны.
В случае излучения чисто линей-
чатого спектра, состоящего из моно-
хроматических лучистых потоков Fx
с различными длинами волн Л, выра-
жения приведенных выше к. п. д. из-
лучения получат следующий вид:
Х-0,8
(19-8)
Sh
х=о
Х=0,8
C =	•	(19-9)
Х=0
Х-0,8
С = Х“х-о,8	.	(19-10)
Х=0,4
При наличии сплошного фона в вы-
ражениях т|“3, т)"3 и т|“3 должны быть
учтены также и слагающие лучистого
потока, относящиеся к непрерывной
части спектра.
Световая отдача излуче-
ния. Пользуясь приведенными выше
К. п. д. излучения т£3 и т]“3 путем их
умножения на световой эквивалент
мощности, принимая его равным
621 AMjein, можно получить и соот-
ветствующие значения световой от-
дачи излучения Н"3 и Н“3.
Для общей световой отдачи излу-
чения
X—0,8
Н“: = 621^ = 621	—
(19-Н)
Для световой отдачи видимого из-
лучения
Х=0,8
Н“3 = 621Т)“3 = 621	.	(19-12)
Х=0,4
Световая отдача лампы.
Световая отдача излучения разряда
является главным фактором, опре-
деляющим величину световой отдачи
источника света газового разряда в це-
лом. Однако кроме этого на величину
световой отдачи лампы оказывают
влияние и ряд потерь, связанных с по-
лучением самой лучистой мощности.
При определении световой отдачи
самой лампы II, необходимо также
учитывать и входящие в ее полную
мощность потери на электродах. Соот-
ветственно при определении общей све-
товой отдачи источника необходимо
учитывать также и потери в приборах
включения. Таким образом, имеем:
Для световой отдачи самой лампы
Х-0,8
621 Л*х
<4 г 'к -Г t'nc
где РА — мощность, выделяемая на
аноде; Рк — мощность, выделяемая на
катоде, и Рпс — мощность в положи-
тельном столбе разряда’
Для общей световой отдачи лампы’
Х=0,8
б2'
где Р— мощность, теряемая в вспо-
могательных приборах включения.
§ 19-3]
ЗАЖИГАНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
167
19-3. Зажигание газового разряда
Зажиганием газового разряда на-
зывается процесс внезапного измене-
ния режима разряда, обыкновенно
сопровождаемый возникновением или
увеличением интенсивности его свето-
вых явлений. В большинстве случаев
зажигание наблюдается при переходе
разряда из несамостоятельной фазы в
самостоятельную, в частности, из ти-
хого разряда в тлеющий и из тлеюще-
го в дуговой. Однако в некоторых дру-
гих случаях, как, например, в случае
несамостоятельного дугового разряда,
зажигание происходит при внезапном
его переходе из одной стадии несамо-
стоятельного разряда в другую, харак-
теризующуюся большим током и интен-
сивным свечением.
•Процесс зажигания играет очень
видную роль в работе газоразрядных
приборов. Это объясняется тем обстоя-
тельством, что напряжение, необходи-
мое для зажигания, обычно выше того
напряжения, при котором разряд мо-
жет поддерживаться при стационарном
его состоянии.
Наименьшее значение напряжения
на внешних электродах, вызывающего
процесс зажигания, называется „на-
пряжением зажигания* и обоз-
начается через Uz. Оно зависит от
рода газа, его давления, расстояния
между электродами, их эмиссионных
свойств и рода тока. Кроме того, при
зажигании играют роль и внешние
факторы, вызывающие первичную иони-
зацию газа.
Качественная сторона процесса за-
жигания тлеющего разряда была выяв-
лена в (17-3) и иллюстрирована диа-
граммой фиг. 17-4, на которой значение
потенциала зажигания тлеющего раз-
ряда соответствует величине Uz и
точке кривой С.
Процесс зажигания дугового разря-
да может быть осуществлен различны-
ми способами. Простейшим из спосо-
бов зажигания самостоятельного дуго-
вого разряда является непосредствен-
ный переход тлеющего разряда в дугу.
Это достигается простым увеличением
плотности тока тлеющего разряда до
таких значений, при которых делается
заметным нагревание катода, вызы-
вающее термоэлектронную эмиссию.
Картина такого перехода схематически
изображена точкой Н на диаграмме
фиг. 17-4.
Величина плотности тока, необхо-
димой для перехода тлеющего разряда
в дуговой, определяется в этом случае
свойствами катода (работа выхода) и
условиями охлаждения его поверхно-
сти (возможность образования катод-
ного пятна).
Возникновение дугового разряда
возможно также и без перехода его
через стадию тлеющего разряда. Это
достигается наиболее просто путем
контактного зажигания, осу-
ществляемого размыканием электродов
газоразрядного промежутка, предвари-
тельно включенных в цепь электриче-
ского тока. Образующееся при размы-
кании электродов на их поверхности
катодное пятно служит источником
электронов, необходимых для возник-
новения и поддержания дугового раз-
ряда. Причиной испускания этих
электронов может служить как термо-
электронная (угольная дуга), так и
электростатическая (при размыкании
ртути) эмиссия. Электростатическая
эмиссия с ртутного жидкого катода
может быть получена и при непосред-
ственном воздействии сильного элек-
трического поля (импульс высокого на-
пряжения) . В этом случае возникно-
вение дугового разряда, повидимому,
связано с очень кратковременным пере-
ходом через фазу тлеющего разряда.
Примером непосредственного воз-
никновения дугового разряда может
служить также несамостоятельный ду-
говой разряд между электродами, по-
догреваемыми извне и дающими доста-
точно большой ток термоэлектронной
эмиссии. В случае слабо эмиттирую-
щего катода (недостаточная первона-
чальная температура) при некоторых
условиях (малое сопротивление в цепи
разряда) дуговой разряд может уста-
новиться также и при посредстве сме-
шанного переходного режима.
а)	Особенности зажига-
ния газового разряда при
работе на переменном токе.
Зажигание газового разряда в цепи
переменного тока усложняется
тем, что напряжение на электродах
168
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл. 19
газоразрядного прибора периодически
возрастает до максимума, снижаясь,
переходит через нуль и затем, прини-
мая отрицательное значение, изменяет-
ся таким же образом до конца цикла.
При таком изменении напряжения в
случае симметричных электродов про-
цесс зажигания разряда в течение пе-
риода повторяется 2 раза и переходит
через нуль, в некоторых случаях сов-
падает с паузой в прохождении тока
через газоразрядный промежуток. Дли-
тельность этой паузы зависит от вели-
чины напряжения, при котором пога-
сает разряд, и от остаточной иониза-
ции в газоразрядном промежутке,
определяющей величину напряжения
периодического разряда.
В случае синусоидального перемен-
ного напряжения эффективное значе-
ние напряжения, при котором происхо-
дит начальное зажигание разряда,
приблизительно в у 2 раз меньше по
сравнению с напряжением зажигания
на постоянном токе. Зажигание разря-
да при последующих периодах обыкно-
венно требует меньшего напряжения,
зависящего от формы и режима раз-
ряда.
Качественная кривая зависимости
напряжения повторного зажигания на
переменном токе Uz(t) от времени t,
отсчитываемого с момента погасания
разряда,-при переходе значения тока
через нуль представлена на фиг. 19-3.
Из рассмотрения кривой фиг. 19-3
видно, что значение Ug<f) по мере уве-
личения t асимптотически приближает-
ся к предельному значению Uz, соот-
ветствующему условиям начального
зажигания.
Момент зажигания наступает через
промежуток времени, зависящий от
быстроты возрастания напряжения,
действующего на электродах разряда.
Это напряжение определяется формой
кривой напряжения сети и параметра-
ми электрической цепи, в которой
включен газоразрядный прибор.
б)	Практические способы
зажигания разряда. При прак-
тическом осуществлении процесса
зажигания играют существенную роль
простота и дешевизна устройства, при
помощи которого зажигается разряд.
Необходимость такого устройства не-
посредственно вытекает из того, что
в большинстве случаев напряжение
зажигания Uz значительно больше на-
пряжения стационарного режима Ul и
из экономических соображений при-
ходится пользоваться напряжением
сети Uc, удовлетворяющим условию
и2>ис>иг
Величина напряжения зажигания
Uz, как уже указывалось, зависит о*г
рода газа, его давления, геометриче-
ских размеров разрядного простран-
ства, а также от свойства и формы
электродов. В случае рязряда в парах
металлов оно зависит, кроме того, и
от температуры стенок трубки (наи-
более холодной ее части), определяю-
щей плотность паров перед зажига-
нием разряда. При прочих равных
условиях напряжение зажигания за-
висит также и от действия факторов,
вызывающих первичную ионизацию
газа.*
Соответственно напряжение ста-
ционарного состояния разряда Ц,
кроме геометрических параметров
трубки, зависит также от формы и
режима разряда. Величина напряже-
ния стационарного состояния Ul обык-
новенно устанавливается путем варьи-
рования всех этих параметров таким
образом, чтобы сумма напряжения
Ul и падения напряжения на стабили-
зирующем разряд сопротивлении Ur
была равна напряжению сети Uс.
Наиболее простым и желательным
случаем является случай, когда зажи-
гание разряда осуществляется при на-
пряжении на электродах лампы, не
превышающем напряжение сети Uc.
При неизменном расстоянии между
§ 19-3]
ЗАЖИГАНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
169
электродами это может быть достигну-
то: а) путем увеличения первичной
ионизации газовой среды; б) уменьше-
нием работы выхода электронов с ка-
тода; в) облегчением процесса иониза-
ции при столкновении электронов с
атомами газа. Практически эти усло-
вия выполняются соответственно:
а) при введении в газоразрядное про-
странство специальных «ионизаторов»;
б) при покрытии поверхности катода
щелочными или щелочно-земельными
металлами или окислами последних
(оксидные катоды); в) путем примеси
к основному газу другого газа, облег-
чающего зажигание разряда.
В качестве «ионизатора», увеличи-
вающего количество заряженных ча-
стиц* в газоразрядном пространстве пе-
ред зажиганием разряда в основной
цепи, применяются соответственно
включенные вольфрамовые нити, на-
каливаемые током, вызывающим тер-
моэлектронную эмиссию, а также до-
полнительные «электроды зажигания»,
между которыми возникает первичный
разряд, обогащающий газообразную
среду заряженными частицами, необхо-
димыми для развития разряда между
основными электродами.
•Сущность действия вспомогатель-
ных электродов зажигания заключает-
ся в создании вблизи катода
(фиг. 19-4,6 и г) или в какой-либо дру-
гой части разрядного пространства
(фиг. 19-4,а и в) сильного электриче-
ского поля за счет уменьшения рас-
стояния между электродами. Типичные
схемы присоединения таких электро-
дов приведены на фиг. 19-4.
Из рассмотрения схем фиг. 19-4
видно, что в случае введения вспомо-
гательных электродов внутрь трубки
(фиг. 19-4я и б) они включаются по-
следовательно с сопротивлением, огра-
ничивающим ток зажигания; это со-
противление устанавливается равным-
от 2 000 до 10.000 ом. В других слу-
чаях (фиг. 4-4,в и г) эти электроды,
впаянные в стеклянную оболочку, вы-
полнены из тонкой проволоки, обла-
дающей достаточно большим сопро-
тивлением.
Особый вид зажигания, применяе-
мый в приборах газового разряда с
жидким ртутным катодом, представ-
ляет пропускание пульсирующего тока
через вспомогательный электрод, вы-
полненный из полупроводящего мате-
риала, например карборунда, и погру-
женный в ртуть (игнитор). В этом слу-
чае зажигание . является следствием
увеличения напряженности поля на
границе контакта проводника и ртути
у ее поверхности.
Впаивание третьего электрода со-
пряжено с удорожанием лампы, поэто-
му во многих случаях, в особенности
в кварцевых лампах, где это вызывает
технологические трудности, внутренние
электроды зажигания заменяются кон-
денсаторными обкладками (фиг. 19-4,
6, е, ж). Последние имеют форму по-
лос или сплошных поверхностей из про-
водящего материала (тонкий слой ме-
талла или графита), покрывающих
определенную часть трубки снаружи.
Действие таких полос менее эффек-
тивно, чем действие внутренних элек-
тродов зажигания, однако благодаря
их простоте и дешевизне в известных
случаях им приходится отдавать пред-
почтение.
В дуговых лампах с подвижными
электродами зажигание при нормаль-
ном напряжении сети достигается пу-
170
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл, 19
тем короткого замыкания электродов,
включенных в цепь последовательно
с достаточным сопротивлением, и по-
следующего их размыкания.
Зажигание разряда непосредствен-
но от питающей лампу сети не всегда
возможно; такой случай мы имеем, на-
пример, в ртутных лампах постоянного
и переменного тока с жидким катодом
или в длинных газосветных трубках
тлеющего разряда. В этих случаях на-
пряжение зажигания зйачительно пре-
восходит напряжение стационарного
режима и применение указанных выше
методов не достигает успеха. Поэтому
способы зажигания таких газосветных
ламп более сложны и требуют приме-
нения специальных приспособлений.
К таким приспособлениям относятся:
индукционные аппараты, импульсные
приспособления с самоиндукцией и ем-
костью, резонансные контуры и транс-
форматоры с рассеянием.
19-4. Электрические характеристики
источников света газового разряда
Одним из важнейших параметров
источника света газового разряда яв-
ляется его вольтамперная характери-
стика. Знакомство с ней необходимо
как для расчета и конструирования
приборов зажигания и включения
источника света в электрическую сеть,
так и для определения режима работы
источника при данных параметрах
поибора и сети.
вольтамперной характеристикой на-
зывается графически выраженная за-
висимость значения напряжения на
электродах прибора от величины про-
ходящего через него тока.
Характеристика называется ста-
тической, если каждая точка ее со-
ответствует установившемуся во вре-
мени для данных величин режиму. При
достаточно быстрых периодических из-
менениях (переменный ток) установив-
шееся во времени состояние характе-
ризуется средними или эффективными
значениями напряжения и тока. В том
случае, если каждая точка характери-
стики соответствует «мгновенному»
значению напряжения и тока, при их
периодических или непериодических
изменениях характеристика называется
динамической характеристикой.
Примером такой динамической харак-
теристики могут служить кривые за-
висимости напряжения и тока в тече-
ние одного периода переменного ре-
жима.
а) Статическая характе-
ристика. Вид статической вольтам-
перной характеристики зависит от рода
приемника, питаемого током. Среди
разнообразных характеристик можно
отметить три типичные характеристи-
ки, наиболее часто встречающиеся при
исследовании и эксплуатации источни-
ков света газового разряда, изобра-
женные на фиг. 19-5.
1.	Равномерно возрастающая ха-
рактеристика, имеющая место у про-
водников с постоянным сопротивлени-
ем, не зависящим от проходящего че-
рез него тока. Такой случай встречает-
ся, например, при работе твердых
омических сопротивлений ' на малых
плотностях тока, не вызывающих за-
метного нагревания проводника (кри-
вая а),
2.	Неравномерно возрастающая ха-
рактеристика, наблюдающаяся у про-
водников, сопротивление которых не-
постоянно и меняется -вместе с изме-
нением проходящего через него тока,
например вследствие нагревания про-
водника, как это имеет место в случае
нити лампы накаливания. Вид возрас-
тающей характеристики в этом случае
зависит от знака температурного коэф-
фйциента сопротивления проводника и
закона изменения его в зависимости от
§ 19-4]
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
171
проходящего тока. Так, например, у
угольных нитей ламп накаливания
(кривая 6j), сопротивление которых
падает вместе с увеличением тока и
температуры, кривая вольтамперной
характеристики имеет изогнутую по
направлению оси ординат форму, в
то время как у металлической вольф-
рамовой нити лампы той же мощности
и напряжения (60 вт, 120 в) кривая
выгнута по направлению оси абсцисс
(кривая Ь2).
3.	Падающая характеристика, имею-
щая место у проводников, сопротивле-
ние которых непостоянно и сильно
уменьшается вместе с увеличением то-
ка' (кривая с). Такой случай характе-
рен для изменения напряжения и силы
тока у большинства источников света
газового разряда.
В некоторых случаях падающая ха-
рактеристика по мере увеличения тока
может переходить в возрастающую,
как это изображено пунктиром на кри-
вой с. Подобная характеристика встре-
чается, например, у дугового разряда
в парах ртути, заключенного в слабо
охлаждаемую трубку (лампы высокого
давления).
Из рассмотрений различных форм
разряда известно, что напряжение на
электродах равно сумме падений по-
тенциалов на участках разрядного про-
межутка. В общем случае такими уча-
стками являются область катодного
падения, отрицательное, свечение, по-
ложительный столб и падение потен-
циала на аноде. В зависимости от
формы разряда, его режима и расстоя-
ния между электродами, определяю-
щих удельный вес влияния отдельных
составных частей на общие изменения
в разряде, статическая характеристика
может быть падающей, возрастающей
или комбинированной.
В случае тлеющего разряда при
малых расстояниях между электрода-
ми ‘ вид статической характеристики в
общем определяется катодным паде-
нием, имеющим при различной силе
тока различный ход вольтамперных
кривых.
Статическая характеристика тлею-
щей лампы, наполненной неоном, при
давлении около 1'0 тор приведена на
фиг. 19-6.
При повышении напряжения сети,
в которую последовательно с большим
сопротивлением R включена лампа, за-
метного увеличения силы тока, отме-
чаемого миллиамперметром mA, не
происходит до тех пор, пока величина
напряжения не достигнет значения по-
тенциала зажигания Us, соответствую-
щего точке а характеристики. При до-
стижении последнего на аноде появ-
ляется слабое свечение и в цепи начи-
нает проходить заметный по величине
ток. Последующее уменьшение сопро-
тивления, соответствующее части ab
кривой, сопровождается увеличением
свечения и распространением его по
направлению катода; при этом одно-
временно наблюдается и уменьшение
напряжения на электродах лампы, от-
мечаемое статическим вольтметром
stfV. В точке b характеристики свече-
ние находится на расстоянии несколь-
ких миллиметров от катода и отде-
ляется от него отчетливо заметным
круксовым темным пространством. Эта
первая, падающая часть характеристи-
ки ab соответствует так называемому
«поднормальному» падению по-
тенциала на катоде.
При дальнейшем уменьшении со-
противления в цепи лампы свечение
распространяется по поверхности ка-
тода, причем напряжение на электро-
дах почти не меняется. Это постоян-
ство напряжения сохраняется до тех
пор, пока свечение не покроет всей по-
верхности катода. Катодное падение,
соответствующее этой части характе-
ристики Ьс, называется «нормаль-
н ы м» катодным падением; оно ха-
рактеризуется также приблизительно
172
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[ ГЛ. 19
постоянной плотностью тока светящей-
ся части катода, равной — 0,1 ма!см2.
Дальнейшее уменьшение сопротив-
ления в цепи вместе с увеличением то-
ка вызывает также и увеличение ка-
тодного падения. Эта возрастающая
часть характеристики тлеющего разря-
да cd, отличающаяся также увеличе-
нием плотности тока на катоде, соот-
ветствует «анормальному» катодному
падению. Визуально возрастание анор-
мального катодного падения прояв-
ляется в сокращении темного круксова
пространства.
При прохождении тока, соответ-
ствующего плотности порядка 100
ма/см2, катод может накалиться и сде-
латься источником испускания термо-
электронов, вследствие чего тлеющий
разряд переходит в дуговой раз-
ряд, обладающий падающей характе-
ристикой de. Ток дугового разряда в
этой области характеристики может об-
ладать плотностью в несколько ампер
на квадратный сантиметр и ограничи-
ваться лишь балластным сопротивле-
нием, включенным последовательно с
лампой. При высоких плотностях тока
электроды, не обладающие специаль-
ной конструкцией и свойствами, могут
быть расплавлены.
В общем случае самостоятельного
разряда падающая характеристика
объясняется уменьшением при возра-
стании тока электрического поля, необ-
ходимого для поддержания в газовой
среде такой температуры, которая до-
статочна для сохранения и восстанов-
ления ионизации газа.
В дуговом разряде возникновению
падающей характеристики способствует
также снижение катодного падения
вследствие постепенного уменьшения
положительного пространственного за-
ряда за счет увеличивающейся термо-
электронной эмиссии. При наличии по-
ложительного столба появлению па-
дающей характеристики способствует,
кроме того, и уменьшение градиента
потенциала в положительном столбе
вместе с увеличением тока разряда.
В случае длинных трубок падающая
характеристика газового разряда мо-
жет быть приписана главным образом
этому последнему фактору. Изменение
градиента в положительном столбе
вместе с увеличением тока разряда в
некоторых случаях может иметь и по-
ложительный характер; это наблюдает-
ся, например, при постепенном увели-
чении давления паров в ртутных лам-
пах вследствие повышения рабочей
температуры трубки при больших плот-
ностях тока. Положительное изменение
градиента вместе с увеличением тока,
как уже указывалось, не только может
изменить крутизну падающей характе-
ристики, но также и превратить ее в
возрастающую. Пример такой характе-
ристики ртутного разряда приведен на
фиг. 19-5.
б) Динамическая характе-
ристика. Ранее было показано^ что
вид статической характеристики зави-
сит только от стационарных свойств
самого приемника электрической энер-
гии. Последовательный ход изменений
зависимости между величиной напря-
жения на приемнике и проходящим
через него током в отдельные моменты
достаточно быстро изменяющегося ре-
жима выражается динамической
характеристикой; изменения эти
зависят в большинстве случаев также
и от характера самого режима.
Существует два способа выражения
взаимной зависимости напряжения и
тока при изменяющемся режиме.
Первый способ состоит в графиче-
ском изображении изменений обоих
параметров в функции времени U —
— f(t) и I = Этот способ широко
используется в электротехнике при
исследовании изменяющихся во време-
ни процессов с помощью шлейфового
осциллографа. В этом случае взаимная
зависимость может быть установлена
из сравнения отдельных кривых —
«осциллограмм», характеризующих из-
менения параметров, подлежащих ис-
следованию.
Второй способ дает возможность
установить непосредственную функци-
ональную зависимость между обоими
электрическими параметрами за опре-
деленный, обыкновенно весьма корот-
кий промежуток времени. При перио-
дических процессах, где этот способ
особенно применим, таким промежут-
ком служит полный период данного из-
менения.
Математически установление зави-
§ 19-5]
СТАБИЛИЗАЦИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
173
симости U = F (/) может быть произ-
ведено исключением параметра време-
ни t в уравнениях U = f(t) и 1 =
Графическое выражение этой зави-
симости можно выполнить путем со-
вмещения осциллограмм для мгновен-
ных значений- напряжения и тока или
получить его непосредственно с по-
мощью катодного осциллографа.
Фиг. 19-7,
Совмещение динамических харак-
теристик различного вида можно ви-
деть на фиг. 19-7.
19-5. Стабилизация газового разряда
Исследование вольтамперных ха-
рактеристик газового разряда пока-
зывает, что устойчивая работа газораз-
рядных приборов при включении их в
сеть с постоянным напряжением в
большинстве случаев возможна лишь
при условии применения специальных
стабилизирующих устройств. Роль этих
устройств в общем сводится к автома-
тическому ограничению проходящего
через прибор тока до пределов, допу-
скающих нормальную его работу.
При постоянном напряжении сети
ограничение тока в приборе, обладаю-
щем падающей вольтамперной харак-
теристикой, наиболее простым спосо-
бом возможно путем последователь-
ного включения с прибором устройств,
обладающих свойствами сопротивле-
ния. В общем случае для постоянного
и переменного тока в качестве таких
устройств могут служить реостаты
с омическим сопротивлением и в слу-
чае переменного тока, кроме того,
индуктивные приборы — дроссели или
конденсаторы достаточной емкости.
Другим способом, применимым лишь
Фиг. 19-8.
для переменного тока, является про-
межуточное включение специальных
трансформаторов, обладающих боль-
шим рассеянием магнитного потока.
На фиг. 19-8,а представлена схема
стабилизации газоразрядной трубки
при непосредственном ее включении в
сеть последовательно с омическим со-
противлением /?(/); емкостью С (2)
или самоиндукцией L(3).
На фиг. 19-8,6 приведена схема
стабилизации разрядов в сети перемен-
ного тока с промежуточным включе-
нием трансформатора Т и стабилизую-
щих сопротивлений R\ или Ц в пер-
вичной цепи трансформатора или соот-
ветственно /?2 или Ь2 — во вторичной
цепи; для улучшения коэффициента
мощности cos ср в первичной цепи
включается емкость
На фиг. 19-8,в представлена схема
включения трансформатора с рассея-
нием Т—R, имеющим воздушный за-
зор В—3 и с параллельным включе-
нием емкости С2.
а)	Реостаты. Омические сопро-
тивления конструктивно выполняются
174
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл. 19
в виде реостатов, обладающих необхо-
димым сопротивлением и с сечением
проводника, соответствующим данной
нагрузке.
Основным недостатком омических
.сопротивлений являются сопутствую-
щие их применению большие потери
мощности в цепи лампы, снижающие
общую световую отдачу источника све-
та газового разряда.
Конструктивное оформление реоста-
тов, применяемых для стабилизации
газового разряда в источниках света,
весьма разнообразно. Для этих целей
используются как обычные отдельные
проволочные реостаты, применяемые в
электротехнике, так и специальные ти-
пы, приспособленные к совместному
монтированию с данным источником
света.
Для стабилизации малых токов в
тлеющих лампах и зажигающих уст-
ройствах применяются компактные про-
волочные или полупроводниковые (си-
лит, графитовые смеси) сопротивле-
ния, монтируемые в колбе самой лам-
пы или в ее ножке. .В некоторых слу-
чаях в комбинированных источниках
света в качестве стабилизирующего
сопротивления применяются обычные
нити ламп накаливания, вмонтирован-
ные в одну колбу с газоразрядной
трубкой, включенной последовательно.
В этом случае наряду с лампой га-
зового разряда в излучении света уча-
ствует и нить накала, одновременно
служащая балластным сопротивле-
нием.
б)	Дроссели. При работе ламп
газового разряда на переменном токе
в качестве приспособлений, стабили-
зирующих разряд, применяются ин-
дуктивные сопротивления — дроссели.
Дроссель состоит из обмотки, навитой
на незамкнутый железный сердечник,
воздушный зазор которого в зависи-
мости от конструкции может быть по
величине неизменным или регулируе-
мым. Достоинство индуктивных сопро-
тивлений заключается в малой потере
энергии, слагающейся из омических по-
терь в обмотке и потерь на гистерезис
в стали дросселя. Обычно эти потери
в сумме не превышают 10—12%. Кро-
ме этого сдвиг фаз напряжения и тока
способствует зажиганию разряда при
периодических изменениях напряжения
сети. К недостаткам дросселей нужно
отнести их относительно большой вес и
объем, а также неблагоприятное влия-
ние на коэффициент мощности сети
cos ф вследствие сдвига фаз между
напряжением .и током. Последний не-
достаток, однако, можно компенсиро-
вать параллельным включением емко-
сти (фиг. 19-8,6 и в).
в)	Конденсаторы. Другим
средством для стабилизации разряда
при работе газоразрядных ламп на пе-
ременном токе могут служить емкост-
ные сопротивления или конденсаторы.
Благодаря наличию сдвига фаз между
напряжением и током конденсаторы
обладают такими же достоинствами и
недостатками, как и дроссели, однако
вместо улучшения повторных зажига-
ний разряда присутствие конденсатора
в цепи вызывает возможность появле-
ния толчков тока при разряде конден-
сатора через лампу. Благодаря боль-
шому объему конденсаторов они нахо-
дят применение главным образом при
стабилизации малых токов в тлеющих
лампах и устройствах для зажигания
разряда.
г)	Трансформаторы с рас-
сеянием. Все перечисленные выше
стабилизирующие приспособления при-
меняются в электрических схемах
.включения последовательно с лампой
газового разряда. -В некоторых слу-
чаях, однако, в особенности там, где
рабочее напряжение на лампе сильно
разнится от напряжения сети, выгод-
нее пользоваться особыми трансформа-
торами с большим рассеянием действу-
ющего магнитного потока. Такие транс-
форматоры обладают свойством изме-
нения коэффициента трансформации в
зависимости от изменения нагрузки во
вторичной цепи, в которую в данном
случае включается лампа.
Магнитное рассеяние осуществляет-
ся с помощью магнитного шунта, кото-
рый в простейшем случае может быть
получен путем соединения двух точек
магнитного ярма, находящихся между
обмотками, мостиками из пакетов тон-
кого железа. В специальных конструк-
циях магнитный шунт осуществляется
путем придания железному сердечнику
особой конфигурации. Обладая элек-
§ 19-6]
СРОК СЛУЖБЫ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
175
трическими достоинствами и недостат-
ками дросселя, трансформаторы с рас-
сеянием выгодно отличаются от него
своей компактностью, в особенности
при большой разнице напряжений
лампы и сети. В некоторых случаях
свойства трансформаторов с рассея-
нием выгодно используются также и
для других функций, например для за-
жигания разряда.
-Применение нормальных трансфор-
маторов с неизменяющимся коэффи-
циентом трансформации без добавоч-
ных стабилизирующих устройств воз-
можно лишь в случае возрастающей
характеристики разряда, при наличии
напряжения зажигания, укладываю-
щегося в амплитудное значение дей-
ствующего напряжения на электродах.
Возрастающая вольтамперная ха-
рактеристика в некоторых случаях мо-
жет возникнуть уже в процессе дей-
ствия самого разряда. Такой случай,
например, имеет место в работе ртут-
ных ламп высокого давления, когда
вследствие повышения давления ртут-
ных паров падающая характеристика
ртутного разряда низкого давления по
мере повышения температуры трубки
превращается благодаря увеличению
градиента в положительном столбе в
возрастающую. Возможность исключе-
ния стабилизирующих устройств в этом
случае зависит от скорости возникно-
вения возрастающей ветви характери-
стики, так как при медленном повыше-
нии давления паров в трубке и отсут-
ствии стабилизирующего устройства в
ее цепи трубка при включении может
быть разрушена вследствие мгновен-
ного возрастания тока. В этих случаях
при пуске в цепь трубки должно быть
включено стабилизирующее устрой-
ство.
19-6. Срок службы источников света
газового разряда
Сроком службы источника света на-
зывается максимально возможное вре-
мя его эксплуатации при нормальных
условиях режима электрической сети.
По отношению к источникам света га-
зового разряда эти нормальные усло-
вия определяются номинальным напря-
жением сети и параметрами прибора
включения, предназначенного для дан-
ного источника. Так же как и в случае
ламп накаливания, здесь можно разли-
чать полный и полезный сроки
службы.
а)	Полный срок службы.
Полным сроком службы источника све-
та газового разряда называется время
непрерывной работы, протекшее с мо-
мента первого включения его в работу
до момента изъятия его из эксплуата-
ции вследствие непригодности источ-
ника для дальнейшей нормальной
эксплуатации. Основным признаком не-
пригодности источника для нормаль-
ной эксплуатации в данном случае
служит невозможность зажигания га-
зового разряда при вышеуказанных
нормальных условиях.
Физическими причинами, вызываю-
щими невозможность зажигания при
нормальных условиях, могут служить
грубые нарушения целости лампы: об-
рыв ее вводов и растрескивание стек-
лянного баллона или ножки, измене-
ния эмиссионных свойств электродов,
а также изменение состава и давления
газообразной среды, в которой проис-
ходит разряд.
Причиной растрескивания стеклян-
ных частей лампы, кроме механических
и термических повреждений, может
служить химическое воздействие на
них самой газообразной среды (напри-
мер, паров натрия) или атмосферные
влияния (выветривание специальных
борных стекол), а также явления элек-
тролиза стекла при повышенных тем-
пературах (растрескивание ножек).
В последнем случае растрескивание
объясняется неравномерным измене-
нием состава стекла и его свойств
(коэффициент термического расшире-
ния) в различных точках стеклянной
детали. Созданию такой неравномер-
ности в некоторых случаях (натриевые
лампы) способствует также и глубокое
внедрение внутрь стенок колбы иони-
зированных частиц газообразной сре-
ды. Во всех этих случаях растрескива-
ние стекла влечет за собой проникно-
вение воздуха в баллон, нарушающее
состав и плотность газовой среды,
вследствие чего разряд погасает и лам-
па перестает зажигаться. В частном
случае раскаленного катода повыше-
ние потенциала зажигания, непосред-
176
СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА
[гл. 19
ственно связанное с изменением само-
го катода, объясняется ухудшением
эмиссионных свойств его поверхности
вследствие бомбардировки ее положи-
тельными ионами.
Уменьшение термоэлектронной
эмиссии раскаленного катода может
быть также следствием испарения
эмигрирующего слоя под влиянием
слишком высокой температуры катода.
Это имеет место в особенности при
тонких самокалящихся катодах. Таким
образом, при выборе размеров катода,
с одной стороны, нужно избегать кон-
струкций, обладающих большой тепло-
вой инерцией, способствующей распы-
лению катода при включении, с другой
стороны, нужно избегать перегрева ка-
тода при стационарной работе.
Интенсивная бомбардировка катода
положительными ионами, сопровождае-
мая распылением вещества катода в
некоторых случаях (холодный катод,
неблагородные газы), вызывает также
и уменьшение плотности газовой среды,
которое может стать причиной невоз-
можности зажигания разряда при нор-
мальном режиме сети.
Так как процесс распыления веще-
ства электродов под влиянием бомбар-
дировки их поверхности положитель-
ными ионами наблюдается в большей
мере при зажигании, то при испытании
на срок службы полный период време-
ни стационарной работы источника
должен включать также определенно
установленное количество зажиганий.
Это количество в различных случаях
зависит от рода и назначения лампы.
б)	Полезный срок службы.
В некоторых типах газосветных ламп
прекращению нормального зажигания
разряда предшествует значительное
снижение светового потока. В этих
случаях является целесообразным уста-
новление «полезного срока службы»,
под которым разумеется длительность
работы источника света, в течение ко-
торого его световой поток не снижает-
ся ниже определенной установленной
величины.
, Предельное минимальное значение
светового потока и соответствующей
ему световой отдачи устанавливается
в этих случаях из соображений общей
выгодности эксплуатации лампы:
Обычно это предельное значение уста-
навливается в процентах от первона-
чального светового потока и прини-
мается для большинства источников
света равным около 80% первоначаль-
ного его значения. Физическими причи-
нами уменьшения светового потока ис-
точников света газового разряда во
времени являются: а) изменения
свойств самой газообразной среды, в
которой происходит разряд, и б) из-
менение пропускания светового потока
внешней оболочки лампы.
Изменения свойств газообразной
среды, вызывающие уменьшение свето-
вого потока в процессе работы лампы,
обычно являются следствием уменьше-
ния или увеличения ее плотности и из-
менения состава. В простейшем случае
как то, так и другое наблюдается при
натекании в газоразрядный объем воз-
духа благодаря неплотности вводов или
трещин в стекле. При отсутствии таких
дефектов уменьшение плотности газа
может иметь место вследствие его по-
глощения внутри колбы главным обра-'
зом продуктами распыления электро-
дов. Такое явление делается особенно
заметным в случае неблагородных га-
зов в разряде с холодным катодом. По-
глощение при этом может иметь сорб-
ционный или химический характер.
В трубках и лампах с парами ме-
таллов изменение плотности и состава
среды может, кроме того, происходить
благодаря изменению температурного
режима лампы в процессе работы,
а также благодаря изменению терми-
ческих свойств (испарение) самого ме-
талла. Такие изменения наблюдаются,
например, в натриевых лампах при
растворении натрием некоторых состав-
ных частей стекла трубки.
В отдельных случаях при непра-
вильной конструкции ламп с парами
металлов уменьшение плотности паров
металла в газоразрядном объеме мо-
жет происходить благодаря постепен-
ной перегонке и конденсации металла
на некоторых особенно холодных ча-
стях трубки или лампы. Такой пере-
гонке способствует также и катафорез
или nepertoc вещества с положительны-
ми ионами, наблюдаемый при работе
некоторых типов ламп на постоянном
токе. Изменения светового потока, за-
§20-1]
ОБЗОР РАЗВИТИЯ И ОБЩИЕ СВОЙСТВА ТЛЕЮЩИХ ЛАМП
177
висящие от изменения плотности пара,
обычно отражаются на спектральном
составе светового потока; это заметно
в особенности в тех случаях, когда на-
ряду с парами металла в газоразряд-
ном пространстве находится также дру-
гой газ с составом спектра, резко от-
личающимся от спектра паров.
Изменение пропускания светового
потока внешней оболочкой лампы в те-
чение срока ее службы происходит
под влиянием различных причин и мо-
жет иметь нейтральный или избира-
тельный характер. В основном эти из-
менения объясняются образованием на
внутренней поверхности лампы или в
толще ее стеклянных стенок поглощаю-
щих свет слоев. Наиболее часто эти
слои образуются вследствие осаждения
на внутренней поверхности колбы или
трубки частиц вещества электродов,
отделяющихся с их поверхности под
влиянием катодного и термического
распыления. В толще стекла, вблизи
внутренней поверхности колбы, погло-
щающий световой поток слой образует-
ся или благодаря химическим измене-
ниям стекла под влиянием некоторых
металлов, например натрия, или вслед-
ствие внедрения в толщу стекла ча-
стиц из газоразрядной среды в виде
ионов, обладающих большими скоро-
стями. В отдельных случаях избира-
тельное изменение пропускания стек-
ла, главным образом для ультрафио-
летовых лучей, происходит также и под
влиянием действия коротковолновых
излучений (соляризация увиолевых
стекол в ртутных лампах).
Влияние слоев, уменьшающих проз-
рачность стенок ламп газового разря-
да, помимо непосредственного погло-
щения части светового потока, испу-
скаемого лампой, сказывается также и
на изменении ее теплового режима, вы-
зывающего в некоторых случаях доба-
вочные изменения светового потока.
ГЛАВА ДВАДЦАТАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
20-1. Обзор развития и общие свойства
тлеющих ламп
Свечение газового разряда распа-
дается на две самостоятельные части:
отрицательную и положительную, раз-
деленные темным пространством (фа-
радеево темное пространство).
Цветность и общая интенсивность
свечения этих частей зависят от рода
газа, его давления, формы разряда,
а также от электрических и геометри-
ческих параметров разрядной трубки.
Наиболее интенсивной частью свече-
ния является положительный столб,
однако при известных условиях путем
уменьшения расстояния между элек-
тродами трубки можно полностью
исключить свечение положительного
столба разряда и использовать только
его отрицательную часть; применитель-
но к этому при классификации газо-
светных источников света тлеющего
разряда можно различать:
А. Газосветные лампы с отрица-
тельным свечением (тлеющие лампы).
12 А. П. Иванов.
Б. Газосветные трубки с положи-
тельным столбом.
Первое’ использование отрицатель-
ной части тлеющего разряда в каче-
стве самостоятельного источника света
можно отнести к 1900 г.
Эта дата может служить также да-
той первых опытов с лампой отрица-
тельного свечения, которая впослед- .
ствии получила наименование «тлею-
щей лампы». Первые исследования
тлеющего отрицательного свечения об-
наружили, что оно обладает незначи-
. тельным световым эффектом и весьма
малой световой отдачей. Это не дава-
ло достаточных стимулов для приме-
нения его в технике освещения, поэто-
му разработка практических образцов
стала целесообразной только после
того, как были найдены новые области
применения лампы, основанной на этом
принципе.
Самое явление отрицательного тле-
ющего свечения заключается в том, что
на постоянном токе при достаточно
178
ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 20
малом расстоянии между электродами
(около 2 мм) светится только катод,
свечение имеет вид более или менее
тонкого слоя, прилегающего к катоду, и
сопровождается в некоторых случаях
ореолом в окружающем электроды про-
странстве.
Цвет свечения, толщина светящего-
ся слоя и присутствие ореола зависят
от природы газа, его давления и неко-
торых других факторов6. Среди других
газов, применяющихся для наполнения
тлеющих ламп, наиболее широкое рас-
пространение получил благородный газ
неон благодаря резко различаемому
оранжево-красному цвету свечения.
Для получения свечений другой цвет-
ности могут быть применены также и
другие газы.
Характерной особенностью тлеюще-
го свечения является то, что при уже
достаточной его яркости ток лампы,
зависящий от размеров площади като-
да, может иметь очень малую величи-
ну, равную всего нескольким миллиам-
перам. Эта особенность, дополняющая-
ся полярностью свечения и наличием
невысокого рабочего напряжения (в
первых лампах около 220 в), давала
возможность использовать лампу для
различных индикаторных, сигнализа-
ционных и других специальных целей.
Конструктивное оформление тлею-
щая лампа получила в период от 1910
до 1918 г.
По своей конструкции тлеющая
лампа очень проста. Она состоит из
стеклянной колбы, наполненной разре-
женным инертным газом, в 'большин-
стве случаев — неоном или его смесью
с гелием (75% Ne-j-25% Не). Внутри
колбы на небольшом расстоянии один
от другого укрепляются два электрода,
выполненных из железа, алюминия или
никеля. Форма и размеры электродов,
зависят от назначения лампы, ее мощ-
ности и рода применяемого тока. Для
стабилизации разряда последовательно
с лампой всегда включается добавоч-
ное сопротивление.
Производство неоновых тлеющих
ламп в СССР было организовано на
Московском электроламповом заводе
в 1927 г.
В настоящее время тлеющие лампы
изготовляются для мощностей от 0,01
до 10 вг при рабочем напряжении сети
от 50 до 220 в и выше. Тлеющие лампы
обладают очень большим сроком служ-
бы, достигающим 4 000—6 000 час.
20-2. Типы современных тлеющих ламп
и их электрические и световые
характеристики
а) Типысовременныхтлею-
щ и х ламп. Соответственно наме-
тившимся областям применения тлею-
щих ламп с отрицательным свечением
их можно разделить на следующие
группы.
Фиг. 20-1.
Фиг. 20-2.
1.	Сигнальные лампы, ис-
пользуемые в качестве индикаторов на-
пряжения и тока в различных элек-
трических схемах и для сигнализации
в железнодорожной и пожарной тех-
нике, а также в технике связи (лампы
для волномеров и телефонных панелей).
Лампы различаются по форме и раз-
мерам электродов и для одного типа —
величиной мощности, напряжения и то-
ка. В зависимости от конструкции и
размеров лампы снабжаются тем или
иным видом цоколя. Включение ламп
в сеть производится последовательно с
добавочным сопротивлением от 1500
до 5 000 ом и более, вмонтированным
в ножку лампы под цоколем, а для ма-
лых ламп включаемым отдельно. В но-
менклатуре Московского электролампо-
вого завода лампы этой группы имеют
следующие обозначения: СН-1, СН-2
(сигнальные неоновые, фиг. 20-1); ПН-1
(панельные неоновые, фиг. 20-2); ФН-2
(фазовые неоновые, фиг. 20-3); ВМН-1
(волномерные неоновые, фиг. 20-4) и др.
§ 20-2 J
ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЛЕЮЩИХ ЛАМП
179
2.	Лампы для декоратив-
ного, иллюминационного и
рекламного освещения с
проволочными и фигурными плоскими
электродами в виде букв и различных
знаков (фиг. 20-5). Такие лампы отли-
чаются большими размерами и боль-
шей мощностью, зависящей от величи-
ны поверхности электродов. Обычно
лампы этого’типа выполняются с нор-
мальными цоколями и с сопротивле-
Фиг. 20-3.
нием, вмонтированным в ножку под
цоколем. Лампы могут быть выполне-
ны с наполнением неоном (красное
свечение), с аргоно-ртутным наполне-
нием (синее свечение) или с другими
наполнителями.
3.	Лампы для специальных
целей, характеризующиеся особой
конструкцией электродов и наполне-
нием, необходимыми для получения
требуемых электрических, световых и
частотных параметров.
К числу специальных ламп отно-
сится точечная модуляторная лампа
ТМН-2, применяемая для фотозаписи
в аппаратах для фототелеграфа, пока-
занная на фиг. 20-6.
Основной особенностью такой лам-
пы является повышенная яркость ее
свечения в осевом направлении, дости-
гаемая применением полого катода.
Кроме этих специальных типов,
можно отметить лампы УВН-1 с пря-
мым проволочным катодом, служащие
в качестве индикаторов напряжения;
лампы с металлическим вводом ВН-1
или без него — ВН-2, применяемые в
вольтоскопах для проверки работы маг-
нето, лампы для определения полярно-
сти электродов, различные виды газо-
вых разрядников и другие лампы.
12*
Электрические и световые характе-
ристики наиболее применимых типов
ламп вместе с их размерами приведе-
ны в табл. 20-1.
а)‘ Электрические харак-
теристики. Электрические характе-
ристики тлеющей лампы выражаются
номинальными значениями ее тока и
напряжения, а также кривыми взаим-
ной зависимости этих величин при их
изменении.
‘ Фиг. 20-5.
Фиг. 20-6.
Номинальное значение тока лампы
Ц определяется ее режимом и геомет-
рическими параметрами. Рабочий ре-
жим лампы при номинальном напряже-
нии выражается величиной плотности
тока на поверхности катода /, а геомет-
рические параметры — величиной и
формой поверхности электродов, а так-
же взаимным их расположением. Вы-
бор нормального для данного типа лам-
пы режима, так же как и геометриче-
ских параметров, зависит от ее назна-
чения.
Увеличение плотности тока на по-
верхности электродов наряду с возра-
станием общего светового потока лам-
пы влечет за собой также и уменьше-
ние ее срока 'службы. Соответственно
этому оптимальный режим лампы уста-
навливается, исходя из степени значи-
мости отдельных факторов ее эксплуа-
тации. Зависимость тока лампы It от
принятого режима и геометрических
параметров для плоских электродов мо-
жет быть выражена уравнением
Л = *А0Р2^,	(20-1)
180
ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ’ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 20
Таблица 20-1
УВН-1	• о	550 Оранжево- красный 10+0,2 70+2	Цилиндри- ческий спе- циальный
ТМН-2 1	со	о*	X	2	СЧ о ®	3 о О к Ю	Я ю 1 1 1 1 сч с СО 2 CJ — - Г| г 1 Ь-	н	£ S	О 00 2	О	S-S*	10 С О *	Специаль- ный
ФН-2	|		140 Переменный 1 Оранжево- красный 100 8+0,25 24+2	Цилиндри- ческий спе- циальный
ВМН-1	<О	160 Переменный 2 Оранжево- красный 8,5+0,25 9 49+1,5	Цилиндри- ческий спе- ! циальный
МН-5 I	ю	i Ио“’л S	1 cu ex +	05 £3 C °	Резьбовой РЮ
МН-3 |	м*	65 Постоянный 1 Оранжево- красный 300 15+0,5 35+2	Штифтовой специаль- ный
С	СО	sJS	• ® о	©Я	2 co m СЧ	О £ —<	я О II II gn сч о	я 2 co + « 1 О	сх +	— ю с °	Резьбовой Р14
СН-2	сч	127 82 Переменный 30 Оранжево- красный 1 000 55+1 90+4	
- сн-‘	1	—	2	°	~ ®	СО	сД		-м о	о	я	3	©	.ill сч	ю	о	Я	©	+| +1 СЧ	—'	2	СЧ	к	и	о	ю о g.	5 <V	гл С . °	Резьбовой Р27
		Номинальное напряжение в	1 Напряжение зажигания 7/	я ^гмакс' °	 Род тока	 Ток ^ако ма	 Цвет излучения ... Срок службы, часы .... Диаметр колбы Z), мм Полная длина L, мм . . .	Тип цоколя 	
где j — плотность тока на катоде, со-
ответствующая нормальному
катодному падению UKn при
давлении наполняющего газа,
равном 1 мм рт. ст. и темпе-
ратуре его 20° С;
р — давление газа в лампе мм рт.
ст.;
S„— площадь катода, см2,
л.
Коэффициент k определяет собой
режим работы по отношению к режиму,
соответствующему нормальному катод-
ному падению. Величина этого коэф-
фициента выбирается из условия
Значения у^ в мка/см2 были приве-
дены ранее в табл. 18-2. При опреде-
лении jno для смесей газов в первом
приближении можно пользоваться фор-
МУЛ°Й Д = ™4+ <4 в которой
т7л0 и m”JnQ — соответственно произ-
ведения относительного содержания
и плотности тока для одной и другой
компоненты смеси.
Выбор давления газа при конструи-
ровании лампы производится в зависи-
мости от его «природы, обыкновенно из
соображений получения наименьшего
значения потенциала зажигания. Кри-
вая изменения потенциала зажигания
тлеющей лампы с плоскими никелевы-
ми электродами (при расстоянии меж-
ду ними I = 3 мм) в смеси из 80% Ne
и 20% Не при различных давлениях
смеси приведена на фиг. 20-7.
Из рассмотрения кривой видно, что
наименьшее значение потенциала за-
жигания разряда имеет место в пре-
делах давлений от 10 до 20 мм рт. ст.
Оптимальные значения давления на-
полняющего газа для тлеющих ламп
приведены в табл. 20-2.
Таблица 20-2
Назначение лампы	Наполнение	Давле- ние газа Р> мм рт. ст.
Нормальные тлею-		
щие лампы . .	75% Ne + 25% Не с примесью 2% Аг или Н2	15
Миниатюрные	Ne с примесью Аг или Н2	
тлеющие лампы		20
§ 20-2]
ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ТЛЕЮЩИХ ЛАМП
181
Величина другого электрического
' параметра лампы — ее рабочего на-
пряжения Ul определяется катодным
падением UK, зависящим, как уже из-
вестно, от рода и состояния газо-
образной среды, свойств поверхности
катода, расстояния между электрода-
ми и от плотности тока на катоде
(нормальное и аномальное падение).
Значения нормальных катодных паде-
ний для различных газов и материа-
лов катода были приведены ранее
в табл. 3-1.
Наименьшие значения нормального
катодного падения имеют место для
Ne и Не в случае электродов из ще-
лочных и щелочно-земельных метал-
лов (Na, Ва).
Для тлеющих ламп, используемых
в качестве различного рода индикато-
ров, весьма важное значение имеет
величина напряжения зажигания раз-
ряда, которое обыкновенно на 50—
60% выше по сравнению с соответ-
ствующим нормальным катодным па-
дением. Помимо отмеченного выше
подбора газа и его давления для сни-
жения напряжения зажигания тлею-
щей лампы играют роль также и при-
меси к основному газу.
Снижение напряжения зажигания
тлеющих ламп на практике достигает-
ся также соответствующей обработкой
электродов и покрытием их щелоч-
ными и щелочно-земельными металла-
ми. В качестве основного материала,
применяемого для изготовления элек-
тродов тлеющих ламп, обыкновенно
служит чистое железо, покрываемое
для снижения напряжения зажигания
металлами Na, К и Ва.
Для стабилизации разряда после
его зажигания и установления нор-
мального тока последовательно с газо-
разрядным промежутком включается
добавочное сопротивление, выполняе-
мое из константановой, нихромовой
(Ni, Сг) или фехралевой (Fe, Сг, А1)
проволоки, силита или тонких слоев,
содержащих графит. Такие сопротив-
ления обычно монтируются в цоколе
тлеющей лампы.
Тлеющие лампы могут работать как
на постоянном, так и на переменном
токе; в первом случае свечением по-
крывается только катод, во втором —
оба электрода. При работе на постоян-
ном токе напряжение зажигания ламп
увеличивается на 40%
Wмакс = Uдеист
б) Световые характери-
стики. Величина общего J светового
потока тлеющей лампы зависит от
площади электродов, покрытой свече-
нием. При увеличении тока в преде-
лах области нормального катодного
падения световой поток возрастает
пропорционально току при сохранении
постоянного значения яркости. Даль-
нейшее увеличение тока, связанное с
увеличением его плотности, влечет за
собой изменение величины светового
потока, подчиняющегося другой зако-
номерности. В отношении влияния
давления газа (и величины катодного
падения) можно заметить, что даже
при широких пределах их изменений
интенсивность свечения изменяется
очень мало.
Цветность света тлеющей лампы
зависит от рода наполняющего газа.
При наполнении лампы чистым
неоном, кроме t свойственного этому
газу оранжево-красного свечения по-
верхности катода, наблюдается также
синий ореол, заполняющий всю колбу.
Появление ореола объясняется здесь
явлением резонанса, при котором ме-
тастабильные уровни неона играют
роль основных уровней. В этом свече-
нии особенно большой интенсивностью
обладает линия с длиной волны X =
о
6 402-А. Для устранения ореола
вместо чистого неона принимают его
смесь с гелием (75% Ne + 25% Не)
при давлении около 15 мм рт. ст.
182
ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 20
Таблица 20-3
Тип лампы	Род тока*	Световой поток, лм	Яркость, сб	Плотность тока, а[см*	Световая отдача, лм!вт	Срок службы, часы
Тлеющая лампа с неоном	Постоянный и пе- ременный 50 гц	0,02—5,0	0,01—1,0	0,001—0,002	0,2—1,0	100—2 000
Общая интенсивность отрицательного
свечения неона зависит от плотности
возбужденных атомов.
Примесь к неону паров ртути в
тлеющих лампах не вытесняет свече-
ния основного газа, а лишь ведет к
появлению голубоватого ореола по
краям светящейся .пленки. Такое же
явление имеет место и у тлеющих
ламп, наполненных аргоном.
Общий световой поток тлеющих
ламп очень незначителен и составляет
величину, не превышающую 1 лм. По-
этому лампа не находит применения
для освещения и используется для ря-
да специальных целей: в рекламном
освещении, для спектроскопических и
стробоскопических исследований, для
сигнализации и для других целей.
Благодаря малому световому эф-
фекту и относительно большому по-
треблению (для данного светового по-
тока) мощности световая отдача лам-
пы в целом незначительна.
Пределы изменения электрических
и световых параметров в различных
типах тлеющих ламп, наполненных
неоном, приведены в табл. 20-3.
20-3. Применение тлеющих ламп
Тлеющая лампа находит ряд при-
менений для специальных целей, в
которых используются следующие ее
характерные свойства:
1.	Малая потребляемая мощность
при хорошо заметном световом эффек-
те, допускающем визуальную реги-
страцию прохождения электрического
тока через отдельные участки цепи.
2.	Резко выраженная полярность
свечения (светящийся катод), допу-
скающая простым способом опреде-
лить род тока и при постоянном токе
также и полярность отдельных уча-
стков сети. Это свойство позволяет
применить также лампы для синхро-
низации вращающихся систем.
3.	Резко выраженное и постоянное
по величине напряжение зажигания
разряда, дающее возможность визу-
альной регистрации возникновения в
цепи определенной разности потенциа-
лов.
4.	Прямолинейная зависимость меж-
ду величиной площади катода, по-
крытой свечением, и током, проходя-
щим через лампу, позволяющая при-
менить это свойство для измерения
тока в цепи с известным сопротивле-
нием, а также и для измерения напря-
жения (тлеющий вольтметр, тлеющий
осциллограф).
5.	Почти полная безинерционность
разряда, допускающая использование
тлеющих ламп для визуальных и фото-
регистрационных исследований быстро-
переменных (до 22 000 гц/сек) процес-
сов, например в бильдтелеграфах и
других случаях.
Приведенными примерами не ис-
черпываются разнообразные области
применения тлеющей лампы, которая
по мере развития техники проникает в
ряд новых областей.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ПЕРВАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ТРУБКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
21-1. Обзор развития и общие свойства
газосветных трубок тлеющего разряда
Практическое применение светящих-
ся трубок для целей освещения было
введено Муром в 1893 г. Первая тех-
ническая установка была осуществлена
им в 1904 г. В этой установке была
применена трубка диаметром около
45 мм и длиной около 60 м, работаю-
§ 21-1 J	ОБЗОР РАЗВИТИЯ И ОБЩИЕ СВОЙСТВА ГАЗОСВЕТНЫХ ТРУБОК	183
щая от высоковольтного трансформа-
тора с вторичным напряжением
в 10000—12 000 в. Наполнение пер-
вых трубок производилось углекисло-
той, дающей белый свет, и азотом, об-
ладающим золотисто-розовым цветом
свечения.
Вследствие химических реакций га-
зов с веществом электродов, состоящих
из графита, и процесса поглощения
газа продуктами электрического их
распыления происходило постепенное
исчезновение газа в разрядной трубке.
Для автоматического пополнения газа
был изобретен специальный вентиль,
являющийся отличительной особенно-
стью этих трубок.
В 1910 г. такие лампы получили
некоторое распространение для осве-
щения больших помещений, аудито-
рий, зал, ресторанов и контор. В это
же время одна из таких установок
была смонтирована в большой* ауди-
тории Петербургского электротехниче-
ского института. С 1912 г. трубки с
углекислотой начали применяться для
освещения предприятий, работа кото-
рых связана с необходимостью пра-
вильного . различения и сравнения
цветов.
Наряду с азотом и углекислотой
для наполнения применялся также
воздух и в некоторых случаях водо-
род.
Развитие освещения газосветными
трубками стало особенно успешный
при введении для наполнения трубок
благородных газов: неона,’ аргона и
гелия. Этому в первую очередь спо-
собствовала возможность промышлен-
ного получения благородных газов,
ставшая реальной к 1910 г.
Ввиду того что эти газы погло-
щаются продуктами распыления элек-
тродов в газовом разряде в незначи-
тельной степени, применение их 'в га-
зосветных трубках исключило необхо-
димость вентиля, что• значительно
упростило конструкцию трубки и уде-
шевило всю установку. ,
Техническое применение неона для
наполнения газосветных трубок и
практическая разработка' их конструк-
ции были произведены в 1910 г. При
добавлении к неону ртутных паров
вместо оранжево-красного свечения
неона удалось получить голубое све-
чение, которому путем применения
трубок из окрашенного стекла можно
придать любой оттенок, до зеленого
цвета включительно. При разработке
конструкции трубок оказалось, что
уменьшения давления газа в трубке
практически не происходит, если плот-
ность на электродах незначительна
(не более 1 а на квадратный деци-
метр площади электрода). Вместе с
этим было найдено, что световая
отдача трубки возрастает с увеличе-
нием ее длины. Оба эти обстоятель-
ства объясняются большим катодным
падением, имеющим место при тлею-
щем разряде. В связи с этим опреде-
лились и наивыгоднейшие условия
работы трубок тлеющего разряда, ха-
рактеризующиеся малым током (от 25
до 100 ма) и соответственно большой
длиной трубок при высоком рабочем
напряжении, измеряемом тысячами
вольт.
Питающее устройство трубок тлею-
щего разряда обыкновенно состоит из
высоковольтного трансформатора с
вторичным напряжением 1—10 кв с по-
следовательно включенным в цепь
трубки дросселем или из специального
трансформатора с рассеянием.
Производство газосветных трубок
тлеющего разряда в СССР было впер-
вые организовано на Московском
электроламповом заводе в 1928 г.
Дальнейшее усовершенствование
газосветных трубок тлеющего разряда
с положительным столбом, произве-
денное в последнее время, состояло
в применении фотолюминесцирующих
веществ, что дало возможность не
только расширить ассортимент цвет-
ности света трубок, но также и зна-
чительно увеличить их световую от-
дачу.
Газосветные трубки высокого на-
пряжения получили широкое распро-
странение для рекламного и сигнали-
зационного освещения, чему способ-
ствовала и значительная длина раз-
рядной трубки, позволявшая выпол-
нять из них светящиеся буквы, фигуры
и знаки.
184
ТРУБКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 21
21-2. Электрические и световые
свойства газосветных трубок тлеющего
разряда с положительным свечением
Электрические и световые харак-
теристики трубок выбираются в зави-
симости от эксплуатационных требова-
ний. Такими требованиями могут
быть:
а)	общий световой поток трубки;
б)	допускаемая яркость на поверх-
ности трубки;
в)	световая отдача трубки;
г)	цветность испускаемого трубкой
света;
д)	возможность зажигания и ра-
боты в нормальных осветительных се-
тях;
е)	электрические требования.
Для газосветных трубок тлеющего
разряда с положительным столбом
электрические их параметры — сила
тока и напряжение — определяются
плотностью тока (от 0,02 до
0,05 а/сл*2), падением потенциала на
катоде (от 130 до 390 <?), градиентом
потенциала в положительном столбе
G и геометрическими параметрами
диаметром D и длиной L трубки.
а)	Ток, проходящий через
трубку /р может быть определен по
формуле
= 0,785Zfyj,	(21-1)
где Di — внутренний диаметр разряд-
ной трубки;
ц—Плотность тока, проходящего
через трубку.
При увеличении плотности тока,
проходящего через трубку, увеличи-
ваются яркость ее свечения В, и об-
щий световой поток Fz. Возрастание
световой отдачи трубки вместе с уве-
личением плотности тока наблюдается
лишь в определенных интервалах плот-
ности тока, различной для разных
давлений газа. Нормальный рабочий
режим трубки при ее конструирова-
нии выбирается обыкновенно вблизи
оптимального значения плотности
тока, зависящего от рода газа, его
давления и рода тока.
В зависимости от величины диа-
метра ток газосветных трубок тлею-
щего разряда 1г составляет от 0,02
до 0,1 а.
б)	Напряжение на трубке
f7z может быть подсчитано по фор-
муле
^=С/л+1/лс+[7л=С/х+(7£+[7л, (21-2)
в которой UK — катодное падение, за-
висящее от рода газа, материала
электрода и режима разряда (нормаль-
ное или аномальное катодное падение);
Uпс ~GL — падение в положитель-
ном столбе, зависящее от градиента
потенциала в положительном стол-
бе и длины столба (расстояние меж-
ду электродами) L; UA— падение на-
пряжения на аноде. При практиче-
ских подсчетах, ввиду того что в
тлеющем разряде доминирующее зна-
чение имеют величины UK и Unc вели-
чиной* UА, изменяющейся в пределах
30—50 в, обычно пренебрегают, пола-
гая UA = 0. Минимальное значение UK
для данного газа и материала катода
соответствует нормальному катодному
падению Величины нормальных
катодных падений для различных ком-
бинаций газов и материалов электро-
дов приведены были в табл. 18-1.
Подобно тлеющим лампам режим
нормального катодного падения газо-
светных трубок с положительным
столбом определяется нормальной
плотностью тока на катоде /д:
in=jn^- С21-3)
Значения плотности тока на катоде
при 20° С и давлении газа в 1 мм рт. ст.
у для различных газов и материалов
катода были приведены в табл. 18-2.
Из соображений уменьшения раз-
меров электродов плотность тока на
рабочей поверхности катода берется
большей, чем это получается из урав-
нения (21-3):
/« = У. =‘Л Л	<21-4>
*
где k = J-r--коэффициент, больший
Jn
единицы (k = 1,1—2,0).
§21-2]
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И СВЕТОВЫЕ СВОЙСТВА ГАЗОСВЕТНЫХ ТРУБОК
185
Таблица 21-1
Тип лампы	Наполнение	Давление, мм рт, ст.
Газосветные трубки с азотом и со2	 Трубки тлеющего разряда с бла- городными газами		N2 или СО2 Ne или Не (возможно приба- вление Hg)	0,01—0,6 1,0—10,0
Такой выбор рабочей плотности
тока на катоде ведет к переходу ка-
тодного падения в стадию аномаль-
ного катодного падения, что связано
с его увеличением и возникновением
при больших значениях нежелатель-
ных явлений (распыление катода, по-
глощение газа). В таких случаях с
точки зрения нормальной работы ка-
тода нецелесообразно увеличивать ра-
бочее нормальное давление газа в
трубке. Оптимальные значения давле-
ния для неона находятся в пределах
1 —10 мм рт. ст., причем по мере уве-
личения давления в этом интервале
представляется выгодным уменьшать
также и плотность тока в трубке
Практические значения давления
газа в газосветных трубках с положи-
тельным столбом приведены в табл.
21-1.
На основании изложенного выше
рабочая площадь катода может быть
определена из уравнения
Соответственно увеличению плот-
ности тока на катоде JK за пределы
нормального значения jn при переходе
в область аномального катодного па-
дения должна получить соответствую-
щее значение и величина UK в урав-
нении (21-2). Относительное увеличе-
ние UK по сравнению с UKn зависит
при этом от величины коэффициента
k, рода газа, его давления и от ма-
териала электродов. Кривая зависи-
U к	Jk
мости Гт—от величины-у- для же-
U Кп	Jn
лезных катодов в неоне приведена
на фиг. 21-1.
В некоторых случаях при выборе
режима газосветных трубок с положи-
тельным свечением представляется це-
лесообразным использовать свойства
переходной области между аномаль-
В этой стадии разряд имеет ток,
достаточный для поддержания темпе-
ратуры активированного (например,
оксидного) самокалящегося катода на
таком уровне, при котором он обла-
дает , достаточной термоэлектронной
эмиссией с его поверхности, вызываю-
щей уменьшение падения потенциала
в катодной части разряда. Это паде-
ние при достаточной термоэлектрон-
ной активности материала катода и
рациональной его конструкции может
быть в несколько раз меньше, чем ка-
тодное падение нормального тлеющего
разряда, что при всех прочих равных
условиях дает значительное увеличе-
• ние общей световой отдачи разряда.
Кроме того, при этом уменьшается
распыление материала катода вслед-
ствие бомбардировки его ’ поверхности
положительными ионами, а также по-
глощение газа продуктами распыле-
ния, что, как известно, ведет к увели-
чению срока службы лампы. Конструк-
ция трубок в этом случае не отли-
чается от конструкции обычных тру-
бок за исключением катода, который
186
ТРУБКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
(гл. 21
выполняется в виде самокалящегося
оксидного катода.
Величина градиента потенциала в
положительном столбе тлеющего раз-
ряда О, входящая в уравнение (21-2),
зависит от рода газа, его давления,
диаметра разрядной трубки и от ве-
личины плотности тока в трубке.
Кривые изменения градиента G в
зависимости от диаметра трубки для
неона и гелия при различных давле-
ниях р наполняющего газа и различ-
ном токе приведены ниже на
фиг. 21-2 и 21-3.
Кривые фиг. 21-2 и 21-3 дают воз-
можность при заданных величинах
силы тока и диаметра трубки D[
для выбранного значения давления
газа р определить градиент в поло-
жительном столбе О.
При заданном напряжении на труб-
ке 1)1 после определения на основа-
нии приведенных выше соображений
величины катодного падения UK, при-
нимая (/д = 0, из уравнения (21-2)
можно определить и длину светя-
щейся части трубки L.
Световой поток. Общий све-
товой поток, излучаемый трубкой,
зависит от ее геометрических пара-
метров Dx и L, давления газа в трубке
р и от режима разряда, определяемого
при данной величине Dx значением
тока Iv Кривые зависимости свето-
вого потока F', приходящегося на
1 см длины трубки при различных
значениях /z, L и р, для неона при-
ведены, ниже на фиг. 21-4 и 21-5.
Пользуясь этими кривыми при данных
значениях /z, Dlt L и р, можно опре-
делить и общий световой поток трубки
Fz = F'L. Средняя яркость трубки мо-
жет быть получена из уравнения
В, = ^ = 1Й-	(2Ь6)
Световая отдача. Основными
величинами, определяющими свето-
§21-3]
ТРУБКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С БЛАГОРОДНЫМИ ГАЗАМИ
187
вую отдачу трубки Нр являются ве-
личина световой отдачи положитель-
F'
ного столба H^zz-j— и отношение
1ju
^ПС	__о
+	“Ряс-
(2Ь7)
Величина 0ЛС может служить ме-
рой использования светового эффекта
положительного столба в данной
трубке.
Легко видеть, что световая отдача
лампы Hz может быть получена с по-
мощью световой отдачи положитель-
ного столба Нлс:
Н/ = ₽пс Н/7с =	gl нпс • (21 ’8)
21-3. Газосветные трубки тлеющего
разряда с благородными газами
Газосветные трубки тлеющего раз-
ряда с благородными газами — нео-
ном, гелием и аргоном или смесью
неона и аргона с парами ртути, рабо-
тающие на принципе использования
свечения положительного столба, со-
вершенно вытеснили аналогичные
трубки, наполненные азотом с угле-
кислотой. Ввиду малой поглощаемо-
сти благородных газов продуктами
распыления электродов конструкция
газосветной трубки с таким наполне-
нием значительно проще конструкции
трубок с азотом и углекислотой. Она
состоит из прямой или изогнутой в
любую фо[5му цилиндрической трубки
с двумя электродными камерами на
концах, в которых помещаются два
холодных электрода. Типичная кон-
струкция трубки тлеющего разряда с
благородными газами представлена
на фиг. 21-6.
Отдельные виды конструкций элек-
тродов, применяемых в трубках тлею-
щего разряда, представлены на фиг.
21-7,а, б, в.
а)	Трубки с наполнением
неоном (оранжево-красный цвет).
Свечение положительного столба в
неоне обладает оранжево-красной
цветностью.'
В зависимости от назначения и
требований эксплуатации диаметр
трубок, применяемых на практике,
изменяется в пределах 10—30 мм при
длине их от 2,0 до 6,0 м.
Теория и экспериментальные иссле-
дования показывают, что световая
отдача положительного столба в нео-
не зависит от величины диаметра
трубки, ’ плотности тока и давления
газа.
Фиг. 21-6.
При этом заметна тенденция уве-
личения световой отдачи вместе с воз-
растанием давления и уменьшением
рабочего тока. В связи с этим на
практике выбирают рабочее ^давление
неона в пределах от 2 до 5, макси-
мум — до 10 мм рт. ст. при малых
плотностях тока: от 0,02 до 0,05 а/см2.
Зависимость светового потока Fz лм
на 1 м длины от силы тока про-
ходящего через трубку при различных
ее диаметрах и давлениях неона, мо-
жет быть выражена ранее приведен-
ными кривыми (фиг. 21-4 и 21-5).
Фиг. 21-7.
Как было показано выше [уравне-
ние (21-2)], величина градиента в по-
ложительном столбе вместе с вели-
чиной катодного падения определяет
для данной длины трубки L ее рабо-
чее напряжение, а также и световую
отдачу трубки в целом Нг С помощью
уравнения (21-7) можно подсчитать,
что для неоновых трубок длиной от
188
ТРУБКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 21
2,00 до 6,0 м при UK — 180 в и 0 =
= 5,5 efcM можно получить коэффи-
циент использования светового эф-
фекта положительного столба равным
рлс =0,85—0,95. Соответственно этому
средние значения световой, отдачи
неоновой трубки будут равняться
9,5—10,5 лм1вт.
Величина градиента G в положи-
тельном столбе, как известно, зави-
сит от давления газа р, внутреннего
диаметра трубки D1 и тока 1Ь про-
ходящего через лампу. Кривые этой
зависимости для неоновых трубок были
приведены на фиг. 21-2.
б)	Трубки с наполнением
гелием (розовато-желтый или жел-
тый цвет). Свечение положительного
столба в трубках из неокрашенного
стекла с наполнением гелия имеет ро-
зовато-желтый цвет. Для получения
чистого желтого свечения (положи-
тельного) столба газосветные трубки
тлеющего разряда с гелием выпол-
няются из стекла, окрашенного в жел-
тый цвет, пропускающего в основном
желтую часть спектра гелия.
При одних и тех же условиях (диа-
метр трубки, давление газа и плот-
ность тока) градиент в положительном
столбе для гелия (фиг. 21-3) выше, чем
для неона.
Световая отдача в положительном
столбе трубки с гелием приблизитель-
но в 10 раз меньше световой отдачи
неоновой трубки при таких же усло-
виях. Яркость положительного столба
разряда соответственно равна Впс =
= 0,045 — 0,05 сб.
в)	Трубки с неоном, арго-
ном и ртутью (синий и зеленый
цвет). Синий цвет. При введении
в трубку, наполненную неоном или арго-
ном, небольшого количества жидкой
ртути газообразная среда будет со-
стоять из смеси этих газов с ртут-
ными парами, парциальное давление
и плотность которых зависят от тем-
пературы наиболее холодной части
трубки.
При температуре около 15° С это
давление равно р = 0,001 мм рт/ст.
Свечение положительного столба для
этой смеси обладает синей цветностью,
тон которой зависит от рабочей тем-
пературы трубки и давления напол-
няющего газа. Сине-голубое свечение
ртути в среде неона или аргона обу-
словливается здесь уменьшением ин-
тенсивности спектральных линий этих
газов за счет усиления характерных
линий ртути.
Присутствие в трубке неона или
аргона, с другой стороны, способ-
ствует более легкому зажиганию раз-
ряда в первый момент включения ее
в сеть, когда давление паров ртути
благодаря низкой температуре трубки
незначительно.
Электрические и световые характе-
ристики трубок с парами ртути отли-
чаются от таковых для неона, это на-
ходит свое выражение в уменьшении
градиента потенциала в положитель-
ном столбе и в уменьшении световой
отдачи.
Зеленый цвет. Спектр паров
ртути, как известно, содержит в ви-
димой части фиолотовую (X =
= 4 047 А),, синюю ( X = 4 358 А), зе-
леную (X = 5 461 А) и желтые ( X —
= 5791, 5770 и 5790 А) линии, отно-
сительная интенсивность которых
изменяется с изменением давления па-
ров ртути. При низких давлениях па-
ров интенсивность фиолетовой и си-
ней линий относительно больше, чем-
зеленой и желтых линий, поэтому све-
чение положительного столба при
этих условиях им;еет ярко выраженную
синюю цветность.
г) Фотолюминесцирую-
щ и е трубки тлеющего раз-
ряда с положительным стол-
бом. Большее разнообразие в цвет-
ности свечения и более высокие зна-
чения световой отдачи трубок тлею-
щего разряда с положительным стол-
бом можно получить, используя явле-
ние фотолюминесценции.
Явление фотолюминесценции со-
стоит в возбуждении твердых ве-
ществ — «люминофоров» — за счет
энергии коротковолновых излучений,
получаемых в процессе разряда.
Из рассмотренных выше газов и
паров для применения их в фотолю-
минесцирующих трубках наиболее
подходящими являются: для теплых —
§21-4]
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОСВЕТНЫХ ТРУБОК ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
189
оранжево-красного, розового и золо-
тистого тонов — неон и для белого
цвета, а также для холодных — зеле-
ных и синих тонов — смесь неона или
аргона с парами ртути.
Изменение цветности свечения раз-
ряда в этих лампах и увеличение све-
товой отдачи являются следствием ис-
пользования энергии невидимых —
ультрафиолетовых — излучений неона
и ртути при возбуждении различных
люминофоров, которые наносятся в х
виде тонкого слоя на поверхность раз-
рядной трубки. В некоторых случаях,
например для получения зеленоватого
свечения, сама трубка может быть
изготовлена из уранового стекла,
флуоресцирующего зеленоватым све-
чением, под влиянием ультрафиолето-
вых лучей.
Сравнительная сводная таблица
(табл. 21-2) с основными электриче-
скими и световыми параметрами раз-
личных трубок тлеющего разряда с
благородными газами и парами ртути
позволяет оценить эффективность при-
менения люминофоров в этих типах
газосветных трубок.
Из рассмотрения данных, приве-
денных в табл. 21-i2, можно видеть,
что использование люминофоров в
трубках тлеющего разряда приводит
к значительному повышению световой
отдачи трубок, в особенности для хо-
лодных тонов и белого света.* Послед-*
нее обстоятельство особенно важно,
так как получение белого света, близ-
кого по составу спектра к дневному,
при достаточной экономичности источ-
ника света является одной из актуаль-
ных задач.
21-4. Применение газосветных трубок
тлеющего разряда и включение их
в электрическую сеть
а)	Применение газосвет-
ных трубок тлеющего раз-
ряда. Большое разнообразие в цвет-
ности света трубок тлеющего разряда
и возможность придания им формы
различных букв, знаков и рисунков
открывает перед ними ряд областей
применения в декоративном, реклам-
ном и сигнальном освещении.
Цветное освещение внутренних и
наружных пространств, получение ис-
кусственного дневного света, световая
с
S
190	ТРУБКИ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ	[ ГЛ. 25
реклама, контурное световое оформле-
ние в архитектурном освещении опре-
деляют главнейшие области примене-
ния газосветных трубок, в которых
преследуются эстетические цели.
Одной из важнейших областей в
которых используются специфические
особенности газосветных трубок тлею-
щего разряда, является сигнальное
освещение на воздушном и морском
транспорте. При осуществлении сиг-
нального освещения на транспорте и
в особенности на воздушных трассах
важнейшим фактором является наи-
большая и независимая от состояния
погоды дальность различения свето-
вых сигналов. Таким свойством в
большей степени обладает свет газо-
светных трубок с наполнением неоном.
Благодаря своему резко отличному от
других источников красному цвету
свечения свет неона дает возможность
безошибочно распознавать отдельные
световые сигналы и отличать один от
другого.
Дальность действия неоновых све-
товых сигналов значительно больше,
чем для световых сигналов такой же
силы света, но другой цветности. Это
объясняется меньшей преломляемо-
стью и рассеянием длинноволновых
красных излучений при прохождении
их через атмосферу. Это делается за-
метным в особенности при дождливой
и туманной погоде, когда воздух на-
сыщен мельчайшими частицами влаги.
Применению неоновых газосветных
трубок в световой сигнализации для
воздушного и морского транспорта
способствует также высокая световая
отдача неоновых трубок, незначитель-
ный расход энергии и большой срок
службы. Благодаря этим особенностям
представляется возможность исполь-
зования световых сигналов непрерыв-
но в течение ночного и дневного вре-
мени и тем самым обеспечивается сни-
жение расходов на обслуживание
установки. Последнее обстоятельство
особенно важно при длинных воздуш-
ных трассах, проходящих вблизи вы-
соковольтных линий.
Возможность выполнения из светя-
щихся трубок различных условных
знаков и надписей позволяет также
создать четкое обслуживание аэродро-
мов и посадочных площадок путем
применения условных посадочных>
ограничительных и других световых
сигналов.
Слабым местом газосветных тру-
бок в этой области применения яв-
ляется затруднение с приспособлением
трубок к светосигнальной аппаратуре
и оптике.
В отдельных случаях для создания
направленного действия излучаемого
трубкой светового потока можно ис-
пользовать также и специальную
оптику.
б)	Включение газосвет-
ных трубок тлеющего разря-
да в сеть. Подобно другим источни-
кам света газового разряда включе-
ние трубок тлеющего разряда в сеть
производится с помощью специальных
приборов включения. Роль этих при-
боров, кроме процесса стабилизации,
заключается, в данном случае также
в создании напряжения на электродах
трубки, достаточного для стационар-
ной работы и зажигания разряда при
включении трубки в сеть. Величина на-
пряжения при стационарной работе
газосветных трубок тлеющего разряда
определяется уравнением (21-2). По
сравнению с йапряжением стационар-
ного режима напряжение зажигания
трубки выше на 50—75%.
Рабочее напряжение газосветных
трубок тлеющего разряда (в зависи-
мости от их длины) имеет величину от
1 000 до 10 000 в.
Благодаря удобствам, связанным с
получением высокого напряжения пу-
тем трансформации переменного тока,
а также возможности снижения поте-
ри при стабилизации разряда экс-
плуатация газосветных трубок тлею-
щего разряда производится преимуще-
ственно на переменном токе.
Наиболее удобным является при-
менение специальных высоковольтные
трансформаторов с большим магнит-
ным рассеиванием, вторичное напря-
жение которых при хоЛостом ходе на
75—100% выше по сравнению с нор-
мальным рабочим напряжением труб-
ки. Применение таких трансформато-
ров устраняет необходимость последо-
вательного включения в цепь трубки
специальных сопротивлений или дрос-
§ 22-1 ]
ОБЗОР РАЗВИТИЯ И ОБЩИЕ СВОЙСТВА
191
5	10	15	20	25	30 35ма
| Рабочая точка трубки и & транарорм-ра
5	10	15	20	25	30 35МО
| Рабочая точка короткого замыка^ния
Фиг. 21-8.
селей при относительно небольших по-
терях мощности в трансформаторе: от
10 до 25% по отношению к полной
мощности, потребляемой трубкой и
прибором включения.
Схематическое изображение рас-
пределения магнитных потоков в сер-
дечнике такого трансформатора с рас-
сеянием при трех характерных режи-
мах его работы (режим холостого хо-
да, нормальная работа и короткое за-
мыкание), а также соответствующие
этим случаям вольтамперные харак-
теристики приведены на фиг. 21-8.
К недостаткам подобных трансфор-
маторов необходимо отнести их низ-
кий коэффициент мощности, достигаю-
щий значения cos <р =0,3. Для осуще-
ствления большого магнитного рас-
сеяния можно пользоваться также
магнитными шунтами в виде пакетов
трансформаторной стали, прикреплен-
ных к обычному магнитопроводу меж-
ду обмотками.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ВТОРАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ТРУБКИ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
22-1. Обзор развития и общие свойства
дуговых газосветных трубок
с перманентными газами
Недостатки газосветных трубок
тлеющего разряда, связанные с высо-
ким рабочим напряжением и явле-
ниями распыления катода, заставили
обратиться к попыткам снижения ка-
тодного падения, являющегося глав-
ной причиной этих недостатков.
192
ГАЗОСВЕТНЫЕ ТРУБКИ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
(гл. 22
Одним из известных способов сни-
жения катодного падения, нашедшим
широкое применение в технике изго-
товления ртутных ламп, было исполь-
зование в качестве материала для ка-
тода легко испаряющихся металлов.
Однако в том случае, когда в качестве
основной среды газового разряда слу-
жит инертный газ, необходимо приме-
нять дополнительные меры против про-
никновения паров металла катода в
объем разрядной трубки, занимаемый
положительным столбом. Это удалось
сделать путем соответствующего под-
бора материала катода и конструктив-
ного усовершенствования самой
лампы.
Первая успешная попытка в этом
направлении была произведена в
1912—1915	когда была построена
лампа с дуговым разрядом в неоне с
использованием в качестве материала
для катода сплава щелочных металлов
с тяжелыми металлами. Проникнове-
ние распыленного металла в разряд-
ную трубку было предотвращено с по- •
мощью экрана, поставленного на пути
разряда.
Практическое осуществление лампа
получила । в 1917—1918 гг., когда для
устранения проникновения распылен-
ного металла в разрядную трубку
катод был помещен в отдельную
камеру, соединенную с разрядной •
трубкой узким отверстием. На этом
принципе построили дуговую лампу
с неоном, в которой в качестве катода
был применен сплав кадмия и тал-
лия.
Последним усовершенствованием в
области газосветных трубок с перма-
нентными газами было введение рас-
каленного катода, позволившего пони-
зить рабочее напряжение трубки и
еще более увеличить ее световую мощ-
ность и световую отдачу. Уменьшение
рабочего напряжения трубки и увели-
чение тока, проходящего через трубку,
в свою очередь, сказалось на умень- .
шении длины трубки и увеличении ее
диаметра.
Сокращение размеров трубки наря-
ду с увеличением ее световой мощно-
сти очень сильно увеличило также яр,-
кость трубок, что открыло им ряд но-
вых областей применения. Такие
интенсивные неоновые трубки получи-
ли свое распространение в\1928 г.
Этому способствовало в значитель-
ной мере также и то обстоятельство^
что к этому времени были разработа-
ны технические методы изготовления
катодов, покрытых окислами щелочно-
земельных металлов: бария, стронция
и кальция. В трубках с перманентными
газами в большинстве случаев приме-
нялся оксидный катод, нагреваемый от
отдельной электрической цепи (подо-
гревный оксидный катод). Оксидная
масса наносится в таком катоде непо-
средственно на тело* накала ’или на
специальную металлическую поверх-
ность, имеющую вид полости, нагре-
ваемую подогревателем, расположен-
ным .внутри.
Для переменного тока интенсивные
трубки изготовляются с одним и с дву-
мя катодами.
При этом катод может быть выпол-
нен как с независимым подогревом,
так и самокалящимся.
Интенсивные газосветные трубки
находят большое применение в авиа-
ционном освещении в качестве маяков
и трассирующих огней.
е Величина тока применяемых низко-
вольтных трубок колеблется от 2 до
10 <2, а световой поток составляет от
500 до 2 000' лм и выше.
Опыты по сравнению видимости ин-
тенсивных неоновых трубок и ламп на-
каливания при одинаковой силе света
и затраченной мощности показали, что
во всех случаях, где не применялась
оптика, газосветные трубки имеют пре-
имущество.
Интенсивные трубки с неоном,
кроме того, получили широкое приме-
нение при искусственном взращивании
растений. Благотворное действие све-
та. неоновых трубок на растения объ-
ясняется хорошим его поглощением
хлорофиллом (до л = 7 900 А) и ма-
лым содержанием в спектре неона
энергии длинноволновых излучений с
длиной волны X от 8 000 до 30 000 А,
способствующих вытягиванию стеблей.
Из других областей применения
интенсивных газосветных трубок с
перманентными газами можно отме-
тить использование их для рекламных
§22-2]
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, СВЕТОВЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
193
и декоративных целей, а также для
эффективного цветного освещения
театральных сцен и декораций.
В последнее время использование
горячих самокалящихся электродов
нашло себе применение в трубках га-
зового разряда с перманентными га-
зами и парами металлов при неболь-
ших плотностях тока и соответственно
малых яркостях. Такие трубки с дуго-
вым разрядом малой интенсивности
по своим электрическим характеристи-
кам занимают некоторое среднее по-
ложение между трубками тлеющего и
интенсивного дугового разряда. При
использовании фотолюминесцирующих
веществ такие трубки дают возмож-
ность достигнуть очень больших значе-
ний световой отдачи и улучшения цвет-
ности света.
22-2. Электрические, световые
и эксплуатационные характеристики
газосветных трубок дугового разряда
Современные газосветные трубки
дугового разряда с наполнением нео-
ном, гелием или их смесью выпол-
няются прямолинейной или изогнутой
формы, имеют диаметр, который в за-
висимости от мощности колеблется в
пределах от 20 до 70 мм при силе тока
от 2 до 100 а. Общая длина трубки
зависит от величины применяемого
рабочего напряжения, которое выби-
рается равным 127/120/220 или 380 в.
Диаметр и длина трубки в известной
мере обусловливают уровень ее свето-
вой экономичности. В зависимости от
рода тока и принятой схемы включе-
ния трубка имеет два или три элек-
трода, из которых один (постоянный
ток и трехэлектродная трубка пере-
менного тока) или два (двухэлектрод-
яая трубка переменного тока) служат
в качестве катода. Подогрев катода
может производиться независимо от
отдельной цепи - накала или непосред-
ственно за счет тепла, выделяющегося
в процессе газового разряда. Нагрева-
ние катодов независимого подогрева
можно выполнить тремя способами:
а) непосредственным пропусканием
электрического тока через тело катода
(проволочные и ленточные катоды
фиг. 22-1,а, б и в); б) путем исполь-
13 А. П. Иванов.
зования лучистой теплоты, выделяю-
щейся специальным подогревателем,
находящимся внутри полого катода,
выполненного из жести (фиг. 22-2)
или спрессованного из специальной
массы; в) путем передачи тепла от
подогревателя активной части катода
за счет теплопроводности (фиг. 22-3).
Фиг: 22-1.
В некоторых случаях используется
принцип смешанного подогрева, т. е.
комбинации самокалящегося катода с
одним из перечисленных выше спосо-
бов независимого подогрева. Незави-
симый подогрев в этом случае обычно
применяется в полной мере при зажи-
гании разряда, в стационарном же со-
стоянии цепь независимого подогрева
или выключается или работает при
пониженном температурном режиме.
Фиг. 22-2.
Активная часть катода в зависимо-
сти от его типа выполняется: а) из
проволоки или жести, покрытой слоем
окислов щелочно-земельных металлов;
б) путем прессования ее из металли-
ческого порошка (вольфрам, молиб-
ден, никель) и порошка окислов;
в) путем прессования из смеси окис-
лов бария, стронция и кальция с ка-
ким-либо связующим веществом. Ка-
тодное падение таких катодов сни-
жается до 15—25 в, т. е. по сравнению
194
ГАЗОСВЕТНЫЕ ТРУБКИ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 22
с холодным катодом до величины,
меньшей приблизительно в 10 раз.
Снижение катодного падения, как
известно, способствует увеличению
световой отдачи трубки и уменьшает
возможность распыления катода. По-
следнее обстоятельство позволяет так-
же уменьшить давление газа в трубке
и получить дальнейшее увеличение
световой отдачи.
Зависимость световой отдачи от
давления газа в трубке представлена
на кривых фиг. 22-4.
Из рассмотрения эгих кривых вид-
но, что световая отдача трубки с нео-
ном увеличивается вместе с уменьше-
нием плотности тока и имеет макси-
мум для данного диаметра (D —
= 61 мм) в пределах давления газа
от 0,3 до 0,5 мм рт. ст., причем свето-
вая отдача достигает в этом случае
в вависимости от плотности тока 30—
40 лм]вт. При учете длительности сро-
ка службы и других факторов опти-
мальной практической величиной дав-
ления газа в неоновых трубках дуго-
вого разряда является р = 2 мм. рт. ст.
Световая отдача положительного
столба разряда зависит от величины
его. яркости и мощности, выделяющей-
ся в 1 см? объема столба, равной про-
изведению градиента потенциала в
столбе на плотность тока.
Градиент потенциала имеет мини-
мальное значение в пределах давления
р = 2—5 мм рт. ст., а при одном и
том же давлении градиент уменьшает-
ся вместе с увеличением тока, прохо-
дящего через трубку, и ее диаметром.*
Исследования показывают, что яр-
кость столба возрастает в первом при-
ближении пропорционально 2/з степе-
ни тока и световая отдача (для боль-
ших мощностей) приблизительно про-
порциональна первой степени затрачи-
ваемой мощности.
Увеличение диаметра разрядной
трубки способствует использованию
энергии метастабилей для возбужде-
ния соседних атомов и увеличению
световой отдачи. Однако практические
требования компактности трубок и ус-
ловия их производства, в особенности
для больших мощностей, ставят пре-
дел увеличению их диаметра, и соот-
ветственно этому рабочая плотность
тока неоновых трубок дугового раз-
ряда устанавливается в пределах 0,5—
3,0 а/см2. В связи с этим практические
значения световой отдачи трубок
меньше приведенных ранее величин и
в зависимости от мощности трубки
устанавливаются в пределах 12,0—
30,0 лм/вт.
Увеличение плотности тока имеет
также и непосредственное практиче-
ское значение, так как вместе с плот-
ностью тока трубки увеличивается и
ее яркость. Величина яркости для нео-
новых трубок дугового разряда колеб-
лется в широких пределах от 2,0 до
16,0 сб. Предел увеличения плотности
тока трубки и ее яркости ставится
температурными условиями работы,
требующими при больших яркостях
(выше 8 сб) применения специальных
тугоплавких стекол.
При желании дальнейшее увеличе-
ние яркости положительного столба
в неоновых трубках можно достигнуть
его контрагированием или отшнуро-
выванием разряда. В случае перма-
нентных газов это осуществляется
концентрацией разряда в центральной
осевой части трубки с помощью спе-
циальных диафрагм, расположенных
по длине трубки, а также с помощью
сетчатых металлических рукавов или
трубок с разрезом по образующей,
выполненных из вольфрама и создаю-
щих канал для разряда по оси трубки.
§22-2]
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, СВЕТОВЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
195
Величина общего светового потока
для малых и средних трубок изменяет-
ся в пределах 1 000—5 000 лм и изме-
ряется в мощных ^рубках десятками и
сотнями тысяч люменов.
Срок службы неоновых трубок ду-
гового разряда около 1 000 час. Как
общее правило, предел срока службы
ставится работой катода, на целость
которого оказывает между прочим
Фиг. 22-5.
влияние и количество включений лам-
пы в сеть.
На фиг. 22-5,а и б представлены
электрические схемы включения нео-
новых трубок дугового разряда в сеть
постоянного и переменного тока.
Для зажигания трубки на постоян-
ном токе необходимо прежде всего
замкнуть рубильник цепи накала ка-
тода и затем уже включать электри-
ческую схему в сеть. Зажигание после
этого производится автоматически за
счет импульса высокого напряжения
при размыкании прерывателем Пр це-
пи, содержащей самоиндукцию Д'. При
работе на постоянном токе вследствие
недостатка тепла, выделяющегося на
катоде за счет энергии самого разряда,
цепь независимого подогрева катода
иногда остается замкнутой во все
время работы трубки.
Зажигание трубок переменного тока
производится автоматически путем
простого включения, всей схемы в сеть.
Нагрев катодов производится в этих
случаях от специальных обмоток
трансформатора.
Более простой схемой, не требую-
щей импульсного зажигания, является
схема фиг. 22-6.
По этой схеме зажигание трубки
производится путем включения пуско-
вого рубильника В, замыкающего
цепь накала на специальную обмотку
автотрансформатора А—Г, создаю-
щего вместе с тем на электродах лам-
пы напряжение, достаточное для за-
жигания. При наличии самокалящего-
ся катода после зажигания пусковой
рубильник может быть выключен.
Обмотки автотрансформатора служат
тогда в качестве индуктивного сопро-
Фиг. 22-6.
тивления, стабилизирующего разряд.
Конденсатор К емкостью около
0,05 мкф, включенный параллельно
электродам трубки, служит для устра-
нения радиопомех и увеличения на-
дежности зажигания. Такая схема
очень компактна и обычно монтирует-
Таблица 22-1
Наименование	Световой поток, лм	Яркость, сб	Плотность тока, afCM*	Световая от- дача, лм}вт	Срок службы, часы
Трубка интенсивного дугового разряда с наполнением Ne . Трубки дугового разряда ма- лой интенсивности с напол- нением Ne		1 000—10000 400—1 300	2,0—16,0 0,25—1	0,5—3,0 0,1—0,2	12,0—30,0 7,0—16,0	1 000 2 000
13*
196
ГАЗОСВЕТНЫЕ ТРУБКИ С ПОЛОЖИТЕЛЬНЫМ СВЕЧЕНИЕМ
[гл. 22
ся вместе с трубкой в специальной
арматуре.
Сводная таблица средних значений
электрических и световых параметров
газосветных трубок дугового разряда
с неоновым наполнением приведена
ниже (табл. 22-1).
22-3. Газосветные лампы сверхвысокого
давления с криптоном и ксеноном
Лампы сверхвысокого давления с
благородными газами относятся к га-
зосветным дуговым лампам, работаю-
щим на постоянном токе. Средняя ве-
личина плотности газообразной среды
в разрядном пространстве лампы в
процессе ее работы не связана с тем-
пературой наиболее холодной части
колбы, и при изменении температуры
изменяется лишь давление газа про-
порционально абсолютной его темпе-
ратуре.
В соответствии с этим обстоя-
тельством рабочий режим газового
разряда сравнительно мало зависит от
температурных изменений и время пу-
скового периода лампы составляет ве-
личины около 1 мин. При наполнении
лампы благородными газами до высо-
ких давлений в 10—30 ат приходится
пользоваться глубоким охлаждением
газа, ниже точки кипения его жидкой
фазы, непосредственно в процессе от-
качки лампы. По отношению к тяже-
лым благородным газам: аргону,
криптону и ксенону, это не встречает
особых затруднений, так как темпера-
туры их кипения соответственно равны
86, 1'21 и 164qK, в то время как
температура кипения жидкого азота,
который может быть применен для
охлаждения, равна 77° К. Конечно, в
данном случае должно быть обращено
серьезное внимание на достаточную
механическую прочность баллона лам-
пы, который выполняется в этих лам-
пах из плавленого кварца.
Выбор аргона, криптона и ксенона
для наполнения ламп сверхвысокого
давления объясняется не только тех-
нологическими соображениями, но и
характером световых свойств данных
газов в режиме высоких давлений.
Эти световые свойства находят свое
выражение прежде всего в сплошном
характере спектра с распределением
в видимой части, близким к распреде-
лению абсолютно черного тела при
5 200—5 700° К. Kpo/ie того, для спе-
циальных применений интерес пред-
ставляет также и распределение спект-
ра в невидимых ультрафиолетовой и
инфракрасной областях. Лампа выпол-
няется сравнительно большой мощ-
Фиг. 22-7.
ности от 100 до 750 вт при большой
концентрации мощности, приходящей-
ся на 1 cju3 объема разряда. Это при-
водит к конструкции лампы с малым
расстоянием между электродами, рав-
ным от 2 до 4 мм, и большой плотно-
стью тока в разряде 220—500 а[см2.
Конструктивное выполнение лампы
представлено на фиг. 22-7.
Лампа состоит из кварцевой шаро-
образной колбы диаметром 25—36 мм
с двумя вертикально расположенными
электродами из вольфрама, из кото-
рых верхний — катод — может быть
оксидным (оксид наносится на по-
верхность вольфрамовой спирали, на-
деваемой на тело катода). Для зажи-
гания разряда лампы имеют третий
электрод, выполненный из вольфрамо-
вой проволоки, конец которой распо-
лагается вблизи междуэлектродного
§22-3]
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
197
пространства. Вводы в лампу выпол-
няются из молибденовой фольги, при-
варенной к телу вводных электродов.
Лампы наполняются криптоном
или ксеноном или их смесью в коли-
честве, соответствующем рабочему
давлению в 15—30 ат, путем конден-
сации наполняющих газов при охлаж-
дении колбы. Охлаждение произво-
дится помещением колбы в сосуд
Дьюара с кипящем азотом, удаляемым
после отпайки лампы с насосной уста-
новки.
Электрические и световые характе-
ристики криптон-ксеноновых ламп на
250 и 750 вт приведены в табл. 22-2.
Исследования криптон-ксеноновых
ламп, произведенные Д. А. Гоубергом
в лабораториях Московского электро-
лампового завода, показали, что за-
жигание ламп требует высокого на-
пряжения, измеряемого десятками ты-
сяч вольт, достигаемого применением
высокочастотного аппарата или нало-
жением на постоянное напряжение
лампы соответствующих импульсов от
другого источника, например от кон-
денсаторного контура.
Из других способов зажигания раз-
ряда можно отметить контактный спо-
соб, требующий, однако, изменения
конструкции электродов лампы. Со-
гласно этой конструкции, предложен-
ной А. М. Шемаевым в ВЭЙ, один из
электродов выполняется подвижным и
может при известном' ее положении
осуществлять короткое замыкание
электродов в цепи тока, содержащей
балластное сопротивление, и при по-
следующем размыкании электродов
получать дугу.
Дуга в инертных газах при давле-
нии 30—40 ат и токе 5—7’ а представ-
ляет собой относительно широкий
столб, размеры которого зависят от
формы и размеров электродов, рас-
стояния между ними, а также от ве-
личины давления газообразной среды.
Катодное пятно имеет тенденцию пере-
мещаться по поверхности катода, при-
чем способность разряда к стабилиза-
ции увеличивается вместе с возраста-
нием атомного веса газа.
Исследования световых свойств
криптон-ксеноновых ламп сверхвысо-
кого давления показали, что яркость и
Таблица 22-2
Показатель	Постоянный ток	
	250 вт	750 вт
Мощность лампы Ph вт . . . Напряжение на лампе Uy в . Напряжение зажигания (сети) Ub в	 Ток лампы стационарный 1у а	 Ток при включении Imt а . . Световой поток F/, лм .... Световая отдача Н/, лм[вт . . Сила света нормально к оси J/b св	 Яркость (средняя) В, сб . . .	250 30 150 8 10 4 500 22,5 495 7 200	750 25 150 30 33 1700 22,8 2 079 15 700
световая отдача разряда возрастают
вместе с атомным весом газа и для
одного газа вместе с увеличением тока
и давления. Максимальное значение
яркости соответствует центральной ча-
сти светящегося столба.
Спектр излучения дуги в аргоне,
криптоне и ксеноне при высоких дав-
лениях имеет равномерный сплошной
характер в ультрафиолетовой и види-
мой области; соответственно в инфра-
красной области наблюдается сплош-
ной характер спектра с- резко высту-
пающими линиями. Максимум излуче-
ния инфракрасной части обнаружи-
вает тенденцию перемещения в длин-
новолновую часть спектра по мере
увеличения атомного веса газа; в свя-
зи с этим максимумы длинноволновой
части для различных газов приходятся
на следующие длины волн:
Для аргона	1 = 7 600 А; 8 050 А; 8 375 А
» криптона 1 = 7 600 А; 8 200 А; 9 000 А
» ксенона 1 = 8400А; 9000А; 10000А
Спектральный состав излучения
при разряде в указанных выше газах
при сверхвысоких давлениях дает воз-
можность получения белого света
с цветовой температурой для крипто-
на и ксенона 5 200—5 700р К, обладаю-
щего цветопередачей, близкой к сол-
нечному свету, при малых размерах
излучателя и большой яркости. Это
открывает перспективы использования
криптон-ксеноновой лампы в проекции
и цветной кинематографии.
198
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ И ТРУБКИ С ПАРАМИ МЕТАЛЛОВ
[гл. 23
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ТРЕТЬЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ И ТРУБКИ С ПАРАМИ МЕТАЛЛОВ
23-1. Особенности и основные свойства
ламп с парами металлов
Газообразная среда, в которой про-
текает электрический разряд ламп с
парами металлов, образуется при
испарении введенного внутрь колбы
металла из его жидкой фазы. Это
обстоятельство налагает свои особен-
ности на условия работы самой лампы.
В отличие от газосветных ламп и
трубок с перманентными газами, в ко-
торых состояние газообразной среды
определяется постоянной средней плот-
ностью газа п = const и зависимостью
давления от температуры р = nkT, в
лампах и трубках с парами металлов
плотность паров и их давление изме-
няются в зависимости от температуры
колбы по экспоненциальному закону.
При неравномерной температуре эти
параметры зависят от температуры
наиболее холодной части колбы или
трубки.
Экспоненциальная зависимость из-
менения плотности и давления паров
от температуры сохраняется лишь до
тех пор, пока в колбе еще остается ме-
талл, не перешедший в парообразное
состояние; после перехода всего ме-
талла в парообразное состояние сред-
няя плотность паров остается постоян-
ной и их давление подобно перманент-
ным газам изменяется по приведенно-
му выше закону р = nkT.
Изменение плотности и давления
газообразной среды отражается на
распределении отдельных частей ба-
ланса энергии в разряде и соответ-
ственно на электрических и световых
параметрах лампы. Достижение и со-
хранение определенной температуры,
необходимой для данного режима, осу-
ществляются соответствующим выбо-
ром мощности, размеров и конструк-
ции лампы.
Особенности конструкции таких
ламп внешним образом выражаются,
например, в наличии специальных тер-
моизолирующих рубашек.
Лампы с парами металлов разли-
чаются в зависимости от рода приме-
няемого металла и рабочего давления
его паров. Лампы низкого давления в
некоторых случаях (ртутные лампы)
могут различаться также и по форме
разряда.
Из металлов, применяющихся на
практике, для создания газообразной
среды в газосветных лампах и трубках
с парами металлов применяются:
ртуть, натрий, кадмий, цинк, таллий,
калий, рубидий и цезий.
В зависимости от величины рабо-
чего давления паров лампы относятся
к категории низкого, высокого и сверх-
высокого давления. Это деление яв-
ляется условным и определяющим
лишь характер основных, преобладаю-
щих при данном режиме явлений газо-
вого разряда. Так, лампы низкого дав-
ления характеризуются значительным
выходом резонансных излучений и
сравнительно малым выделением теп-
ла в объеме газа. Поэтому в тех слу-
чаях, когда резонансные линии лежат
вблизи максимума чувствительности
глаза, как, например, у натрия, свето-
вая отдача ламп достигает больших
значений.
По мере повышения давления па-
ров металла начинает возрастать ве-
роятность возникновения вторичных,
ступенчатых процессов и выделения
тепла в объеме газообразной среды.
Поэтому в лампах высокого давления
вместе с увеличением яркости свече-
ния наблюдается изменение" спектраль-
ного состава излучений за счет появ-
ления сплошного фона. Вместе с этим
благодаря возникновению градиента
температуры в объеме газа от оси
трубки по направлению к ее стенкам
наблюдается также контрагирование
или отшнуровывание разряда.
Получение света в газосветных
лампах с парами металлов может быть
достигнуто различными способами:
а) путем использования непосредствен-
ного возбуждения атома при столкно-
вении его с электроном, ускоряемым
электрическим полем; б) использова-
нием термических процессов возбуж-
дения и ионизации атомов.
S 23_-2]
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ РТУТНЫХ ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
199
Применение того или иного из
этих двух принципов для получения
наивыгоднейшей световой отдачи за-
висит от свойств основного пара, опре-
деляемых структурой его атомов. Соот-
ветственно этому изменяются и усло-
вия, при которых имеет место наибо-
лее выгодное использование данного
газа.
Так, в случае разряда в парах нат-
рия наивыгоднейшую световую отдачу
можно получить при низких значениях
давления паров натрия и низких плот-
ностях тока, наоборот, в ртутных лам-
пах выгоднее использовать высокие
давления паров и большие плотности
тока.
Для того чтобы объяснить причины
расхождения в условиях работы этих
ламп, необходимо рассмотреть меха-
низм процесса получения света обои-
ми способами. Главная часть видимых
излучений натрия зависит от резонанс-
ных линий, в то время как видимые
линии ртути соответствуют высшим
уровням возбуждения. Это обстоятель-
ство определяет и йаивыгоднейшие
условия работы реальных газосветных
ламп с парами натрия и ртути.
При невысоких температурах прак-
тически атомы находятся в нейтраль-
ном невозбужденном состоянии и по-
глощение идет с обратным излуче-
нием, возвращающим атом в первона-
чальное состояние. Это обыкновенно
соответствует излучению резонансных
линий низких уровней.
При высоких температурах и боль*
ших давлениях пара выход резонанс-
ных линий наружу уменьшается за
счет самопоглощения и возбуждения
атома до более высоких уровней (сту-
пенчатое возбуждение). В таких слу-
чаях увеличивается также и количе-
ство столкновений второго рода.
Таким образом, ослабление резо-
нансных линий при высоких давлениях
идет за счет увеличения их поглощения
и за счет преобладания вторичных
процессов, которые возрастают также
и при увеличении плотности тока в
разряде.
Рассматривая свойства излучения
атомов натрия и ртути, можно видеть,
что поглощение резонансных линий не-
выгодно в случае натрия и выгодно в
случае ртути. Отсюда следует выгод-
ность низких давлений и низких плот-
ностей тока для натриевой лампы и
выгодность повышения этих факторов
для ртутных ламп.
Поэтому в натриевых лампах в ка-
честве основного процесса для полу-
чения света используется столкновение
атомов натрия с электронами при
условиях наивыгоднейшего выхода ре-
зонансных линий натрия, имеющих
длину волны, лежащую в области вы-
сокой чувствительности глаза.
В ртутных лампах с точки зрения
получения максимального эффекта в
видимой области целесообразно ис-
пользовать выгоды термического воз-
буждения и ионизации, которые возра-
стают вместе с рабочей температурой
паров.
23-2. Обзор развития и общее
описание ртутных ламп низкого
давления
Ртуть — единственный из метал-
лов, который переходит в твердое со-
стояние при температуре ниже нуля
(—39* С) и при обычной комнатной
температуре, в вакууме имеет плот-
ность паров над жидкой фазой, доста-
точную для образования газового раз-
ряда.
Первой ртутной лампой, основан-
ной на применении правильного прин-
ципа, была лампа русского изобрета-
теля И. Репьева, предложившего в
1879 г. осуществлять дуговой разряд
в замкнутом пространстве стеклянной
колбы, которая может быть откачана
до высокого вакуума.
Исследования дугового разряда в
парах ртути показали, что главную
роль в разряде играет поверхность
ртути, служащая катодом, в то время
как в качестве анода могут применять-
ся и другие материалы.
Уже при первых исследованиях бы-
ло обнаружено, что напряжение на
дуге уменьшается вместе с увеличе-
нием тока и при одном и том же токе
увеличивается вместе с увеличением
длины дуги. Падающая вольтамперная
характеристика дуги показала, что для
устойчивой работы лампы последова-
200
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ И ТРУБКИ С ПАРАМИ МЕТАЛЛОВ
[гл. 23
тельно с ней должно включаться со-
противление, величина которого зави-
сит от напряжения сети и рабочего то-
ка лампы.
Конструктивные усовершенствова-
ния, сделавшие ртутную лампу приме-
нимой на практике, были выполнены
в 1900—1901 гг.
В последующих моделях наряду с
достаточным охлаждением ламп стре-
мились также достигнуть полного уда-
Фиг. 23-1.
ления конденсированной ртути со сте-
нок трубки путем облегчения обрат-
ного стекания ее в камеру катода.
Стекание ртути в камеру катода
облегчалось вертикальным расположе-
нием лампы и наличием специальных
сточных трубок для ртути. Дальнейшие
опыты показали, что последнего можно
достигнуть и при наклонном положе-
нии лампы (7—10° по отношению к ее
горизонтальному расположению) без
каких-либо добавочных приспособле-
ний. В результате этого лампа полу-
чила вид простой трубки диаметром ст
20 до 34 мм и длиной 1 000—1 200 мм
с шаровидными расширениями на кон-
цах, в стенки которых были впаяны
вводы для электрического тока. Такая
лампа, представленная на фиг. 23-1,
могла работать как в вертикальном,
так и в наклонном положении.
Особой проблемой для дальней-
шего усовершенствования ртутных
ламп явилось зажигание разряда в
трубке.
Первым способом зажигания был
контактный способ. Контакт или замы-
кание ртути в простейшем случае
можно осуществить сотрясением или
переливанием ртути из катодйой ка-
меры к аноду при включенной лампе;
обратное перемещение ртути и связан-
ный с ним разрыв струи вызывают за-
жигание. Очевидно, что наклонное по-
ложение лампы для этого способа
зажигания имеет все преимущества по
сравнению с вертикальным, так как в
этом случае для замыкания струи
ртути достаточно сместить лампу в
вертикальной плоскости на небольшой
угол. Такое смещение может быть про-
изведено как вручную, так и автома-
тически путем применения электро-
магнита, производящего смещение
оправы лампы в момент ее включения.
Зажигание лампы при контактном
способе объясняется действием двух
факторов: повышением градиента элек-
трического поля в точке разрыва рту-
ти и следующей за этим ионизацией
ртутных паров, а также частичным
испарением ртути под влиянием теп-
лоты, выделяющейся при образовании
начального разряда.
Главным из этих двух факторов
является первый фактор — повышение
градиента электрического поля, поэто-
му совершенно естественной была по-
пытка вызвать зажигание разряда по-
вышением действующего напряжения
на трубке в момент ее включения.
Зажигание в этом случае произво-
дится путем включения и быстрого
размыкания выключателя, создающего
Схема включения
ртутной лампы
постоянного тока
Фиг. 23-2.
экстраток размыкания- от самоиндук-
ции. В позднейших конструкциях ламп»
такое размыкание стало осуществлять-
ся с помощью особых автоматически
действующих ртутных прерывателей.
Схема включения приборов при таком
методе зажигания для постоянного
тока приведена на фиг. 23-2.
Как видно из рассмотрения схемы,
размыкание цепи, вызывающее экстра-
ток самоиндукции, осуществляется ав-
томатически действующим ртутным
§23-2]
ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ РТУТНЫХ ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
201
размыкателем, включенным в отдель-
ную цепь с сопротивлением г.
Прерыватель состоит здесь из стек-
лянного цилиндра с двумя впаянными
электродами и клинообразно вдавлен-
ной стенкой. Цилиндр наполняется до
известного уровня ртутью и откачи-
вается до высокого вакуума. Вдавлен-
ная стенка образует перегородку, раз-
деляющую цилиндр на две части и
размыкающую ртуть при повороте ци-
линдра относительно его оси. Поворот
прерывателя достигается с помощью
притяжения железных частей его
оправы электромагнитом L. Положе-
ние прерывателя при замкнутой и разо-
мкнутой цепи соответствует обозначе-
ниям 1 и 2 на фиг. 23-2.
Шаровой резервуар лампы покры-
вается металлической обкладкой К,
которая соединяется с цепью зажига-
ния и служит для зажигания лампы
за счет повышенного градиента поля в
этой части лампы (значительное на-
пряжение и малое расстояние между
электродами).
Приведенные выше конструкции
ртутных ламп, устойчиво работающие
на постоянном токе, при включении их
на переменный ток не работали. Это
объясняется тем, что в момент пере-
хода значения тока через нуль разряд
прекращается и не может возобно-
виться, так как в этот же момент ме-
няется направление тока. С другой
стороны, опыты показывали, что пуль-
сирующий ток одного направления в
том случае, если минимальное значе-
ние тока не опускается до нуля, может
быть использован для работы ртутной
лампы в тех же схемах включения,
как и постоянный ток.
Это обстоятельство дало возмож-
ность создать ртутную лампу перемен-
ного тока, пользуясь небольшими кон-
структивными изменениями лампы и
включением лампы в специальную
схему.
Для работы лампы на переменном
однофазном токе применялась схема
включения и конструкция лампы, при-
веденная на фиг. 23-3.
Как видно из представленной на
фиг. 23-3 принципиальной схемы, лам-
па включается в цепь переменного то-
ка с помощью автотрансформатора
А—Т, имеющего выведенную среднюю-
«нулевую» точку. Соответственно этому
лампа выполняется с двумя анодами,
и одним катодом.
Такое включение при попеременной
работе обоих анодов обеспечивает
прохождение через лампу пульсирую-
щего тока одного и того же направле-
ния и вся схема’ в целом может слу-
жить для выпрямления переменного
тока. С целью устранения возможно-
Схема включения ртутной лампы
переменного тана
Фиг. 23-3.
сти перерыва тока в момент, соответ-
ствующий концу и началу двух сосед-
них полупериодов, в цепь лампы вклю-
чается самоиндукция L, вызывающая
перекрытие этих двух фаз, вследствие
чего мгновенное значение тока в цепи
никогда не бывает равным нулю.
В трехфазной и многофазной систе-
мах с нулевой точкой при соответ-
ствующем количестве анодных элек-
тродов ртутная лампа может приме-
няться аналогичным образом.
Усовершенствования ртутной лам-
пы, произведенные в период времени
от 1 900 до 1908 г., обогатили технику
освещения источником света, работаю-
щим на новом принципе и имеющим по-
сравнению с применявшимися в это
время угольными лампами накалива-
ния и дуговыми лампами ряд преиму-
ществ. К числу этих преимуществ к
первую очередь необходимо отнести
хорошую экономичность лампы, пре-
вышавшую экономичность угольной
лампы накаливания в 5—6 раз, боль-
шой срок службы, измерявшийся
1 500—7 000 час., и небольшую яр-
кость свечения. Ряд недостатков, к ко-
торым можно отнести большие габари-
ты лампы, наличие тяжелых приборов-
202
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ И ТРУБКИ С ПАРАМИ МЕТАЛЛОВ
[гл. 23
включения, малую делимость и харак-
терную цветность света, ограничили
применение лампы на практике за ис-
ключением специальных областей.
Проведенные работы можно счи-
тать завершающими по усовершенство-
ванию ртутной лампы низкого давле-
ния с жидким катодом. Они показали
полную возможность практического
применения света ртутных ламп в ряде
случаев и открыли для ртутной лампы
новую область применения — в качест-
ве ртутного выпрямителя переменного
тока.
В Советском Союзе ртутные лампы
низкого давления с жидким катодом
были разработаны в 1927 г. и выпус-
кались Московским электроламповым
заводом до вытеснения их более совер-
шенными ртутными лампами высокого
давления с твердым оксидным катодом.
23-3. Общие физические свойства ламп
с ртутным катодом
а)	Особенности ламп с
ртутным катодом. В противопо-
ложность трубкам тлеющего разряда
с ртутными парами и инертными газа-
ми, в которых выделение электронов
с холодного катода происходит благо-
даря бомбардировке его поверхности
положительными ионами, в ртутных
лампах с ртутным катодом необходи-
мые для поддержания разряда электро-
ны вырываются с поверхности ртути
сильным электрическим полем. Этот
вид получения электронов с катода, на-
зываемый автоэлектронной эмиссией,
становится возможным благодаря об-
разованию у поверхности ртути весьма
тонкого слоя ртутного лара, в котором
распределяется полное катодное паде-
ние, имеющее величину порядка иони-
зационного потенциала ртути от 7 до
10 а (при перемещающемся катодном
пятне 8—<10 в и при фиксированном —
7—8 в).
Таким образом, в лампах с ртут-
ным катодом мы имеем дело с дуго-
вым разрядом, отличающимся от тлею-
щего разряда меньшим катодным паде-
нием, большей плотностью тока и со-
ответственно большей яркостью све-
чения.
Ртутная лампа низкого давления с
ртутным катодом состоит из стеклян-
ной трубки диаметром 25—30 мм и
длиной от 550 до 1 500 мм с шарооб-
разными расширениями на концах, в
которые впаяны электроды: один для
контакта с ртутью, служащей в каче-
стве катода, и в зависимости от рода
тока один или два анода, выполнен-
ных из железа. В процессе изготовле-
ния лампа с ртутным катодом после
введения внутрь ее достаточного коли-
чества (около 150 г) тщательно очи-
щенной (дистиллированной) ртути под-
вергается откачке до очень высокого
вакуума.
Таким образом, в отличие от ранее
рассмотренных типов газосветных ламп
газообразная среда таких ламп состоит
исключительно из паров ртути, плот-
ность и давление которых зависят от
температуры наиболее холодной части
колбы.
При нормальном рабочем режиме
описываемых ламп температура их
стеклянных стенок достигает 120—
150° С при температуре наиболее хо-
лодного места в 80—100° С, в то время
как в центральной части трубки она
достигает 450—500° Сив катодном
пятне у поверхности ртути — до 600° С.
Аноды нагреваются обычно до
350—'400° С. Соответственно температу-
ре наиболее холодной части стеклян-
ной колбы плотность и давление ртут-
ных паров при стационарном режиме
достигают: п = от 2 • 1015 до 6*1015
атомов на 1 см3 и р = 0,1 до 0,3 мм
рт. ст., что соответствует категории
ламп низкого давления.
б)	Зажигание и развитие
разряда. При зажигании холодной
лампы в связи с наличием малой плот-
ности паров, обусловливающей высокое
значение потенциала зажигания разря-
да, возникновение последнего делается
возможным только благодаря приме-
нению специальных методов зажи-
гания.
.В контактном способе увеличение
градиента поля перед моментом зажи-
гания и первичная ионизация ртутных
паров осуществляются при разрыве
ртутной струи в трубке, включенной в
цепь тока. В импульсном способе оба
указанных фактора являются следст-
вием прохождения экстратока размы-
§23-4]
ХАРАКТЕРИСТИКИ РТУТНЫХ ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
203
кания в цепи лампы, содержащей са-
моиндукцию.
После зажигания разряда дальней-
шее его развитие связано с увеличе-
нием плотности ртутных паров под
влиянием теплоты, выделяющейся в
процессе разряда, и с образованием
катодного пятна на поверхности рту-
ти, обеспечивающего выделение доста-
точного количества электронов с като-
да за счет автоэлектронной эмиссии.
Наряду с этим в связи с изменением
распределения действующих полей у
катода и в самом разряде, а также на-
личием в цепи лампы устройств, стаби-
лизирующих разряд, наблюдается и
изменение электрических параметров
лампы — -ее тока и напряжения. Изме-
нение распределения электрических по-
лей в разряде после образования ка-
тодного пятна происходит главным
образом за счет изменения градиента
в положительном столбе при повыше-
нии плотности ртутных паров.
23-4. Электрические, световые
и эксплуатационные характеристики
ртутных ламп низкого давления
с жидким катодом
а) Электрические характе-
ристики ртутных ламп низ-
кого давления с жидким ка-
тодом. Напряжение на лампе
Ut. Как и для трубок тлеющего раз-
ряда с положительным столбом, ве-
личина напряжения на электродах
ртутной лампы может быть опреде-
лена с помощью уравнения
U^Uk + GL + Ua. (23-1)
Ввиду различия свойства тлеющего
и дугового разряда соотношение ве-
личин, входящих в это уравнение, в
данном случае будет другим. Так,
падение напряжения на катоде UK
имеет порядок ионизационного потен-
циала ртути и в зависимости от харак-
тера катодного пятна (неподвижное или
подвижное) составляет от 7 до 10 в.
'Такой же порядок будет иметь и
падение напряжения на аноде UA, Для
ламп постоянного тока с широким
зеркалом ртути (подвижное катодное
(пятно сумма UK-\-UA может быть
принята равной UK + UA^ 13 в.
Значительно меньшую величину по
сравнению с трубками тлеющего раз-
ряда имеет здесь падение напряже-
ния в положительном столбе Uпс —
= GL. Это объясняется как меньшим
значением градиента в столбе G, так
и относительно небольшой величиной
длины L последнего в ртутных лам-
пах. Величина градиента в положи-
тельном столбе ртутного дугового
разряда при определенной плотности
паров зависит от диаметра разрядной
трубки и плотности тока, проходя-
щего через лампу. В первом прибли-
жении можно считать, что эта вели-
чина обратно пропорциональна вели-
чине внутреннего диаметра трубки
Соответственно этому для определе-
ния напряжения на электродах нор-
мальной ртутной лампы постоянного
тока после подстановки числовых зна-
чений для UK + UА и G уравнение (23-1)
принимает вид
= 13 + тЩ- 	(23-2)
Действительная зависимость изме-
нения градиента G от диаметра труб-
ки и проходящего через нее тока при
постоянном давлении ртутных паров
р = 1 мм рт. ст., представлена на
фиг. 23-4.
Ток в лампе Ток, проходя-
щий через лампу /р может быть вы-
ражен уравнением
/г = 0,785-£)|/г.	(23-3i
204
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ И ТРУБКИ С ПАРАМИ МЕТАЛЛОВ
[гл. 23
Величина средней плотности тока
/р проходящего через лампу, опреде-
ляющая вместе с величиной градиента
в положительном столбе G мощность
разряда и режим давления пара, при
данных размерах и условиях охлаж-
дения лампы в случае ртутной дуго-
вой лампы значительно больше, чем
в трубках тлеющего разряда. Средняя
плотность тока обычно колеблется в
пределах 0,4—1,0 а)см2, увеличиваясь
при зажигании разряда до 0,6—
1,5 а/см2. Значения нормального рабо-
чего тока ртутных ламп низкого дав-
ления в зависимости от диаметра труб-
ки изменяются от 3,5 до 7,0 а.
Взаимная связь напряжения на
электродах и тока в лампе выражается
ее вольтамперной статической харак-
теристикой. Такая характеристика для
ртутной лампы низкого давления при-
ведена на фиг. 23-5.
Из кривой фиг. 23-5 видно, что при
изменении тока до нормального рабо-
чего значения вольтамперная харак-
теристика имеет обычный для газово-
го разряда падающий характер и лишь
при дальнейшем его возрастании в свя-
зи с увеличением давления паров па-
дающая характеристика разряда пере-
ходит в возрастающую. Скорость воз-
растания ординат кривой ВС зависит
при этом от условий охлаждения лам-
пы и степени увеличения электрической
мощности, которая возрастает соответ-
ственно величине рабочего тока и на-
пряжению на электродах лампы.
На диаграмме изображена также и
кривая стабилизации разряда А'В' при
включении последовательно с разрядом
сопротивления /?= 11 ом (tga = /?).
Номинальное значение электриче-
ской мощности для ртутных ламп низ-
кого давления с ртутным катодом ко-
леблется в пределах от 200 до 400 ет.
Потери мощности в приборах вклю-
чения для ламп постоянного тока до-,
стигают 35%, при трехэлектродном
включении переменного тока около-
41 % и при простой стабилизации с ин-
дуктивным сопротивлением до 27%.
б) Световые характеристи-
ки ртутных ламп низкого*
давления с жидким катодом.
Спектральные характери-
стики ртутного разряда пр'И
низком давлении. При возбуж-
дении ртутных паров путем ударов;
электронами, движущимися в электри-
ческом поле, возникает линейчатый
спектр ртути, состав которого зависит
от распределения скоростей электронов;
и плотности парообразной среды.
Обычно спектр ртутных ламп низ-
кого давления содержит резонансные
ультрафиолетовые линии Я. = 2537А и
О	о
2= 1 850 А, зеленую линию 2 = 5461 Аг
синюю линию 2 = 4 358А, фиолетовую* •
линию 2 = 4 047А, желтую линию 2 =
=5 790 А и ряд линий в длинновол-
новой части ультрафиолетовой об-
ласти.
Путем подсчета относительного ко-
личества энергии, излучаемой в раз-
личных областях спектра и проходящей,
через стенки кварцевой колбы,,
можно получить следующие соотноше-
ния (табл. 23-1):
Таблица 23-1
Область спектра	Интервал длин волн, А	Относитель- ное количе- ство энергии, %
Ультрафиолето-		70,6
вая 		2 537 — 3 663	
Видимая . . .	4 047 — 5 790	24,5
Инфракрасная	.	10140	4,9 *
		100,0
§23-4]
ХАРАКТЕРИСТИКИ РТУТНЫХ ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
205
Из приведенной таблицы видно, что
в ртутных лампах низкого давления
большая часть излучаемой энергии,
именно около 70%, приходится на не-
видимую ультрафиолетовую область и
лишь около 25% на видимую область.
Бели же учесть различие чувствитель-
ности глаза для отдельных излучаемых
линий, то можно получить, что свето-
вой к. л. д. излучения в этом случае
равен Vc»— '10,5%, что соответствует
световой отдаче излучения 65 лм/вт.
Ртутные лампы с жидким катодом
мри низком давлении ларов обычно из-
готовляются из стекла, не пропускаю-
щего ультрафиолетовых излучений,
вследствие чего энергия ультрафиоле-
товых лучей в этом случае превра-
щается в тепло, выделяющееся на.стен-
ках стеклянной трубки. В фотолюми-
несцирующих ртутных лампах низкого
давления, как будет показано ниже,
часть этой энергии может быть исполь-
зована для получения видимых излу-
чений.
Преобладание световой интенсив-
ности в области зеленой и желтой ли-
ний создает соответствующую харак-
терную для ртутной лампы цветность
света. Для исправления специфиче-
ской цветности света ртутной лампы
низкого давления и приближения ее к
белому дневному свету необходимо
прибавление красных лучей, которое и
может быть осуществлено, например,
путем совместного применения ртутной
лампы с лампами накаливания.
Световой поток. Световой по-
ток, зависящий от величины' потребляе-
мой данным источником света мощ-
ности, в ртутных лампах низкого дав-
ления с жидким катодом колеблется в
пределах 2 000—7 000 лм. Простран-
ственное распределение светового по-
тока для лампы без арматуры имеет
обычный для трубчатой формы харак-
тер (фиг. 23-6).
Яркость. В отличие от трубок
тлеющего разряда, характеризующих-
ся малой яркостью, ртутные лампы
низкого давления с жидким катодом
обладают яркостью, достигающей ве-
личины в 1,5—2,5 сб в зависимости от
диаметра трубки и режима разряда.
Световая отдача. Световая
отдача ртутной дуги низкого давления
с жидким катодом без учета потерь во
внешней цепи лампы достигает
27 лм/вт.
в)	Эксплуатационные ха-
рактеристики ртутных ламп
низкого давлен и я с жидким
катодом. Зависимость элек-
трических и световых харак-
теристик от изменения на-
Фиг. 23-6.
пряжения. Характер изменения
электрических и световых характерис-
тик ртутных ламп в зависимости от ра-
бочего напряжения сети определяется
для дайной лампы точкой начального
ее режима (давление и плотность па-
(ров), условиями охлаждения лампы и
параметрами внешней цепи (стабили-
зирующие устройства). Для ламп
с нормальным прибором включения
по схеме фиг. 23-2 и 23-3 зависи-
мость этих изменений при колебаниях
напряжения сети U представлена на
фиг. 23-7,а (постоянный ток) й фиг.
23-7,6 (переменный ток).
При сравнении этих кривых с со-
ответствующими кривыми, относящи-
мися к лампам накаливания, можно
видеть, что при увеличении напряже-
ния ток и мощность ртутной лампы
206
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
[гл. 24
возрастают в среднем быстрее, чем у
лампы накаливания, в то время как
световой поток возрастает значитель-
но медленнее; при уменьшении напря-
жения сети скорость убывания этих
кривых изменяется. В соответствии с
этими изменениями световая отдача
ртутной лампы при данном р е-
ж и м е увеличивается вместе с умень-
шением напряжения, достигая макси-
мума при определенной величине дав-
ления паров, соответствующей для дан-
ных ламп напряжению — 98% (по-
стоянный ток) и — 93% (переменный
ток) от номинального.
При конструировании лампы и при-
боров включения необходимо стремить-
ся, чтобы оптимальная световая отда-
ча лампы соответствовала ее номи-
нальному напряжению.
Срок службы. Длительность
срока службы ртутных ламп низкого
давления с жидким катодом очень ве-
лика. В том случае, если не имеет .мес-
та нарушение целости стеклянной труб-
ки и исключена возможность натека-
ния воздуха через неплотности вводов,
она достигает нескольких тысяч часов.
Наиболее быстрое снижение свето-
вого потока наблюдается в течение
первых 1 000 час. и к 2 000 час. лампа
теряет около 25—30% первоначально-
го светового потока.
Уменьшение светового потока ртут-
ных ламп низкого давления с жидким
катодом в течение срока их службы
является следствием двух причин:
главная из них — почернение стенок
разрядной трубки вследствие осажде-
ния на внутренней ее поверхности и
в толще стекла вблизи ее частиц рту-
ти и вторая — увеличение давления
паров ртути вследствие повышения
температуры трубки при увеличении
поглощения лучистого потока. Кроме
этих причин, при наличии некоторых
сортов стекла может иметь место так-
же и изменение его прозрачности, вы-
званное химическими изменениями
стекла под влиянием ионизированных
частиц ртути.
Световой поток, лм......... 2 000 — 7 000
Яркость, ctf...............1,5 — 2,5
Плотность тока, а/см2......0,4—1,0
Световая отдача, лм]вт .... 20,0 — 27,0
Срок службы, часы.......... 1 000—2 000
Ниже приведены данные о средних
световых и электрических параметрах
ртутных . ламп низкого давления с
жидким катодом.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
24-1. Обзор развития и общие свойства
натриевых ламп
Натриевая лампа является харак-
терной представительницей газосвет-
ных ламп с парами металлов, низкого
давления, в работе и конструкции ко-
торых наиболее ярко проявляются
свойства основных процессов газового
разряда. В связи с этим натриевые
лампы должны быть отнесены к кате-
гории новых источников света газово-
го разряда, в которых использованы и
все новые факторы, способствующие
усовершенствованию лампы (наполне-
ние инертным газом, оксидный само-
калящийся катод и теплоизолирующая
рубашка).
Резкие желтые спектральные линии
излучения натрия были давно известны
физикам и использовались в качестве
монохроматического света в спектро-
скопии и поляриметрии.
Наряду с возможной высокой све-
товой отдачей натриевые лампы, как
обладающие ярко выраженной жел-
§ 24-1]
ОБЗОР РАЗВИТИЯ И ОБЩИЕ СВОЙСТВА НАТРИЕВЫХ ЛАМП
20?
той цветностью света, не могли при-
меняться для общего освещения, и по-
этому работы по их усовершенствова-
нию получили широкий размах лишь
после того, как техника нашла им об-
ласть применения для освещения спор-
тивных площадок, автострад, шоссей-
ных дорог с интенсивным движением.
В этих случаях благодаря тому, что
монохроматический свет способствует
повышению остроты зрения, желтый
.цвет света натриевых ламп оказался
более пригодным, чем свет ламп нака-
ливания. В сочетании с высокой све-
товой отдачей натриевых ламп этот
фактор создал очень выгодные усло-
вия для их применения в этой области.
Исследование свечения паров на-
трия при газовом разряде впервые от-
мечается в 1911 г. Результаты работ
по техническому применению разряда
в парах натрия, однако, начинают по-
являться значительно позднее, в
1919—1920 гг.
Тогда же было предложено также
и стекло, не подвергающееся химиче-
скому действию паров натрия. На ос-
новании этих работ в 1923 г. были
построены первые технические образцы
газосветных ламп с парами натрия.
В 1930 г. при наполнении натрие-
вой лампы аргоном получена практи-
чески еветовая отдача в 45 лм/вт и
показано, что при специальных усло-
виях (подогрев лампы в печи) и на-
полнении криптоном можно получить
световую отдачу лампы в 300 лм/вт.
Дальнейшие исследования, произведен-
ные в 1932 г., показали, что при по-
добных условиях можно получить до
350 лм/вт, т. е. 90% максимально воз-
можной световой отдачи резонансных
линий натрия, равной 475 лм/вт.
В Советском Союзе работы по ис-
следованию электрического разряда в
парах натрия и разработке натриевых
ламп были начаты во Всесоюзном
электротехническом институте в 1934—
1935 гг. Окончательная разработка
ламп, а также их производственный
выпуск были выполнены Московским
электроламповым заводом.
а)	Газообразная среда.
Металл натрий, в парах которого про-
текает газовый разряд натриевых
ламп, при обычной комнатной темпера-
туре около 20° С находится в твердом!
состоянии: соответствующая этой тем-
пературе упругость паров натрия, на-
сыщающих пространство, составляет
около 1 • 10~п мм рт. ст. при плотности
около 4 • 105 атомов на 1 см3.
Такое малое значение начального-
давления и плотности паров натрия не-
достаточно для зажигания и развития
газового разряда, поэтому при прак-
тическом его осуществлении в натрие-
вых лампах осуществляются специаль-
ные мероприятия. Последние заклю-
чаются во введении в лампу инертно-
го газа, обладающего малым потен-
циалом зажигания разряда, а в созда-
нии при стационарной работе соответ-
ствующих условий для нагревания га-
зоразрядной трубки до определенной
температуры, обеспечивающей необхо-
димую плотность паров натрия и под-
держание ее на определенном уровне.
Натрий вводится в газоразрядную
трубку лампы путем дистилляции в вы-
соком вакууме и при комнатной тем-
пературе осаждается на стенках труб-
ки в виде твердого слоя. При нагрева-
нии трубки натрий начинает испарять-
ся, а при температуре в 97° С твердый
натрий переходит в жидкое состояние.
Изменение плотности п и давле-
ния р натриевых паров, насыщающих
пространство в зависимости от тем-
пературы паров Тд, может быть вы-
ражено уравнением
1g п = —	— 1,67941g Td+28,7134.
(24-1)
Так как р =п&Тл=1,37-10"1в-п7\, то
lgp = lg(l,37.10-«) + lg« + lgrd,
(24-2)
или после, подстановки уравнения (24-1)
и приведения
lg р = 1g 1,37. IO"1* — 0,67941g Тд —
 55^3 + 28.7134	(24-3)
Jd
Кривые, характеризующие ход из-
менения плотности п и давления р
паров натрия в зависимости от тем-
пературы fgC и 7° К, представлены
на фиг. 24-1.
208
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
[гл. 24
Нормальная рабочая температура
•стенок газоразрядной трубки натрие-
вых ламп составляет около 270° С; из
диаграммы фиг. 24-1 видно, что этой
температуре соответствуют п = 8-1013
.атомов на 1 см3 и р = 4 -10-3 мм рт. ст.
В качестве вспомогательного инерт-
ного газа обыкновенно применяются
неон с небольшой примесью аргона,
д также криптон или ксенон при дав-
лении от 1,5 до 2 мм рт. рт.
Фиг. 24-1.
б)	Зажигание и развитие
разряда. При зажигании холодной
.лампы газообразная среда вначале со-
стоит практически из вспомогательного
газа, в котором и возникает разряд. По
мере выделения тепла из разряда в
объеме газа и на электродах меняется
как самая форма разряда, так и сте-
пень относительного участия в нем .па-
ров натрия и вспомогательного газа.
Визуально это выражается в изменении
яркости и 'цветности свечения разряда.
Так, при неоновом наполнении не-
посредственно после зажигания наблю-
дается исключительно красное свече-
ние неона, вытесняемое по мере на-
гревания ‘лампы желтым свечением
•натрия; последнее делается заметным
при температуре трубки около 200° С.
При дальнейшем ее возрастании от
230° С до нормальной рабочей темпе-
ратуры в 270° С свечение натрия поч-
ти полностью вытесняет свечение нео-
на. Полной интенсивности свечения
паров натрия лампа достигает прибли-
зительно через 16—20 мин. после вклю-
чения тока в ее цепь.
в)	Условия возбуждения
атомов натрия и роль вспо-
могательного газа. Роль инерт-
ного вспомогательного газа, вводимого
в газоразрядную трубку натриевой
лампы, помимо облегчения зажигания
разряда состоит также в посредниче-
стве при передаче энергии движущихся
электронов атомам натрия. Это выра-
жается в следующем.
Вероятность возбуждения опреде-
ленного уровня какого-либо газа или
пара зависит: а) от вероятности само-
го столкновения электрона с атомом,
определяемой плотностью газа или па-
ра и размерами его атомов, и б) для
данного газа при одинаковой его плот-
ности—от соотношения величины энер-
гии (скорости) электрона и энергии
возбуждаемого уровня.
Относительная вероятность столкно-
вения электрона, движущегося в элек-
трическом поле, с атомами вспомога-
тельного газа и парами натрия 'Приб-
лизительно равна отношению давлений
газа и пара. Таким образом, при дав-
лении вспомогательного газа (неона)
1,5 мм рт. ст. и давлении паров
натрия при td — 270° С рг = 1 • 10-3 мм
рт. ст. столкновение электрона с ато-
мами неона по сравнению с атомами
натрия вероятнее приблизительно в
375 раз.
Для того чтобы использовать столк-
новения электрона с атомами вспомо-
гательного газа для увеличения выхода
излучения желаемой спектральной ли-
нии, в данном случае резонансных ли-
ний натрия, вспомогательный газ дол-
жен обладать вполне определенными
физическими свойствами. Эти свойства
заключаются: вочпервых, в возможно
большем для данной скорости электро-
нов выходе упругих их столкновений
с атомами вспомогательного газа, что
увеличивает общую длину пробега
электрона и соответственно вероят-
§24-2]
СВЕТОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
209
ность столкновения его с атомами нат-
рия и их возбуждения, и, во-вторых,
в наличии у атомов газа метастабиль-
ных уровней, обладающих энергией,
достаточной для возбуждения атомов
натрия до уровня его резонансных ли-,
ний при столкновениях второго рода.
По отношению к разряду в парах нат-
рия указанными свойствами обладают
благородные газы аргон, неон и гелий,
применение которых в качестве вспо-
могательного газа значительно увели-
чивает выход полезного излучения и
повышает световую отдачу разряда.
Процесс развития разряда в благо-
родном газе, например в неоне и па-
рах натрия, проходит следующим об-
разом.
-При включении холодной лампы
благодаря низкой концентрации атомов
натрия сначала разряд протекает в
неоне. Устанавливающееся в неоне ка-
тодное падение порядка 16,5—16,7 в
создает скорость электронов, достаточ-
ную для возбуждения неона до низ-
ких — резонансных и метастабильных
уровней. Возбуждение на более высо-
ких уровнях, дающих видимое излуче-
ние неона, а также его ионизацию, про-
текает главным образом за счет ступен-
чатого изменения уровней.
При данной плотности атомов неона
интенсивность его свечения будет опре-
деляться вероятностью возбуждения
его уровней в видимой части спектра,
зависящей от концентрации атомов
неона на метастабильных и резонанс-
ных его уровнях. Соответственно веро-
ятность возбуждения резонансных ли-
ний натрия зависит от плотности паров
натрия, определяемой температурой
стеклянных стенок лампы.
По мере повышения температуры
лампы, являющейся следствием выде-
ления тепла в объеме газа и на стен-
ках лампы, относительная вероятность
возбуждения атомов натрия по сравне-
нию с неоном возрастает и при извест-
ных, указанных выше температурных
условиях свечение натрия занимает до-
минирующее значение.
Уменьшение интенсивности свечения
неона при этом является следствием от-
носительного уменьшения количества
энергии, расходуемой на возбуждение
неона .по сравнению с натрием, благо-
14 А. П. Иванов.
даря уменьшению концентрации мета-
стабильных атомов неона, «подготов-
ленных» к излучению видимых его ли-
ний.
»
24-2. Световые и электрические
характеристики и выбор режима
работы натриевой лампы
Выше уже указывалось, что -газо-
светные лампы с парами натрия обла-
дают очень высокой световой отдачей.
Это объясняется, с одной -стороны, тем,
что наиболее легко возбуждаемые—ре-
зонансные — линии натрия лежат в об-
ласти, близкой к максимальной чув-
ствительности глаза, и, с другой сторо-
ны, относительно большим выходом
резонансных излучений по сравнению
с другими процессами газового разря-
да, не участвующими непосредственно
в излучении видимого света. Последнее
достигается благодаря низкому потен-
циалу возбуждения резонансных линий
и применению специальных мероприя-
тий, как наполнение инертным газом,
а также осуществление тепловой изо-
ляции лампы.
Световые эквиваленты мощности
для монохроматического излучения
при длине волны, соответствующей
максимуму чувствительности глаза
2 — 5 560А и для резонансных линий
натрия при длине волны Л = 5890 —
— 5 896А, составляют:
лм^вт %
Излучатель при 1 = 5 560 А . . .621	103
Линии натрия 1=5890—5 896 А . .477 76,8
Учитывая излучение резонансных
линий при Л = 5 890—5896А и трех
ультрафиолетовых линий 2 = 2 853,
2 = 3 302 и 2 = 3 427А, при искусствен-
ном подогреве лампы имеем свето-
вую* отдачу 334 лм вт, а при учете
всех тепловых потерь—55 лм!вт.
Эти значения световых отдач со-
ставляют соответственно 53,8 и 8,85%
по отношению к 621 лм/вт, или 70,4 и
11,5 % — по отношению к световому
эквиваленту резонансных линий натрия.
При наполнении лампы вместо аргона
неоном значения световых отдач не-
сколько повышаются и в современных
210
_Э--
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
[гл. 24
длинных натриевых лампах достигают
70 лм/вт.
Баланс энергии в разряде натрие-
вой лампы без искусственного ее подо-
грева графически представлен на
фиг. 24-2.
Из диаграммы баланса видно, что
наибольшая доля подведенной энергии,
около 70%, превращается в тепло
в объеме лампы при упругих столюно-
Фиг. 24-2.
вемиях электронов с атомами вспомо-
гательного газа, около 10% расходует-
ся на подогревание электродов и осталь-
ные 20% превращаются в энергию из-
лучений, из этих 20% при наполнении
аргоном в видимой части излучается
около 15% и .при наполнении неоном —
около 17%, остальная часть излучае-
мой энергии (соответственно 5 и 3%)
приходится на излучение в невидимой
части спектра.
Внешний баланс энергии натриевой
лампы слагается при этом из следую-
щих частей:
Излучение видимого света парами
натрия...............................15%
Излучение тепла	электродами........10%
Излучение тепла	стеклом.............35%
Потери на электропроводность и конвек-
цию . .•.............................40%
Всего..................100%
Из приведенного выше следует, что
световая отдача натриевой лампы,
определяемая соотношением излучае-
мого ею светового потока и мощности,
затрачиваемой при его получении, за-
висит в основном от относительного вы-
хода резонансных линий; этот выход по
исследованию различных авторов мо-
жет достигать от 78 до 95% всей мощ-
ности положительного столба разряда
и около 86% мощности, излучаемой во
всех областях спектра. Для лампы
определенных размеров и конструкции
электродов при данном выборе вспомо-
гательного газа величина этого выхода
в основном зависит от двух главных
факторов: а) от плотности тока, про-
ходящего через лампу, и б) от плотно-
сти или давления паров натрия, пред-
ставляющих активную среду, в кото-
рой развивается светящийся газовый
разряд. Действие этих факторов сказы-
вается одновременно, но в разной мере
на величину излучаемого лампой све-
тового патока и потребляемой ею мощ-
ности.
а)	Световой поток. При уве-
личении плотности тока разряда в па-
рах натрия общая интенсивность свето-
вого потока увеличивается сравнитель-
но мало и наряду с этим вследствие
роста концентрации возбужденных ато-
мов возрастает также вероятность сту-
пенчатых процессов, ведущих к излу-
чению невидимых — инфракрасных —
излучений и ионизации, поэтому для
получения максимальной световой от-
дачи разряда выбирают небольшие
плотности тока в пределах /z= 0,1 —
0,6 а/см2.
Соответственно при повышении ра-
бочей температуры разрядного объема
и происходящем вследствие этого уве-
личении плотности паров натрия веро-
ятность ступенчатых процессов возра-
стает не только благодаря увеличению
количества атомов, возбуждаемых при
столкновении их с электронами, но так-
же и благодаря поглощению резонанс-
ного излучения нейтральными атомами
с последующим возбуждением их за
счет энергии квант света. Это влечет
за собой возникновение так называе-
мой «диффузии резонансного излуче-
ния», следствием которой является ка-
жущееся увеличение времени пребыва-
ния атома в возбужденном состоянии,
повышающее соответственна и вероят-
ность возникновения вторичных ступен-
чатых процессов.
Спектр излучения натриевой лампы
содержит в видимой части линии 2 =
= 5890А, 2 = 5 896А, 2 = 5683А, 2 =
= 5 688А, 2 = 6154А, 2 = 6 161А и не-
сколько линий в инфракрасной и
ультрафиолетовой части спектра.
§ 24-2]
СВЕТОВЫЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
21 1
Необходимо заметить, что световой
поток натриевой лампы содержит обык-
новенно также и спектральные линии
вспомогательного газа. Наибольшей ин-
тенсивности они достигают в централь-
ной части лампы, в которой образует-
ся стержневой шнур разряда данного
газа—красный для неона, более тем-
ный— для аргона и мало отличаю-
щийся от цвета, соответствующего нат-
рию,— для гелия; последнее объяс-
няется наличием в спектре гелия жел-
той линии X = 5 876 А. Интенсивность
светового потока, излучаемого вспомо-
гательным газом, при установившемся
режиме в случае неона достигает 5%
всего светового потока, излучаемого
лампой.
б)	Мощность натриевого
разряда. Энергия, затрачиваемая
для поддержания разряда в натриевой
лампе, кроме части, относящейся к из-
лучению резонансных линий натрия,'
содержит также ряд других слагаю-
щих: энергию упругих столкновений
электронов с атомами натрия и вспо-
могательного газа, возбуждения их до
более высоких уровней при соударе-
ниях первого и второго рода и, нако-
нец, их ионизацию. Часть энергии этих
процессов непосредственно излучается
в пространство, и остальная часть пе-
редается электродам и станкам бал-
лона.
Путем изменения условий разряда
соотношение мощности полезного лу-
чистого потока и потерь мощности,
определяющие световую отдачу лампы,
может быть изменяемо в широких пре-
делах путем изменения электрического
режима лампы и ее конструкции. По-
следнее относится к- вариациям диа-
метра разрядной трубки и расстояниям
между ее электродами, определяющим
при данном режиме потери на стенках
и соответственно относительные потери
на электродах и в положительном
столбе разряда. Кроме этого при дан-
ной затраченной мощности режим раз-
ряда зависит также от условий охлаж-
дения лампы, определяющих плотность
паров натрия.
Соответственно наличию тех или
иных конструктивных особенностей
лампы или требований по отношению
к ее электрическим параметрам: на-
14*
пряжению Ut и току 7;, устанавли-
вается и ее оптимальный по отноше-
нию к световой отдаче режим. Этот
режим определяется ее электрической
мощностью Р;, плотностью тока Jt и
температурой стенок колбы Т.
Электрическая мощностьPj, потреб-’
ляемая лампой, в общем случае мо-
жет быть выражена уравнением
Р, = ^IlU[ = {иА + gl + ик),
(24-4)
р
где Ф = ---у--коэффициент искаже-
иГ1
ния на переменном токе, зависящий
от формы кривых напряжения и тока,
изменяющийся для различных ламп
в пределах от ф = 0,80 до ф = 0,98;
в случае постоянного тока ф= 1,0.
Величины анодного и катодного па-
дения потенциала UA и UK, как уже
указывалось, зависят от рода элек-
тродов и свойств газообразной среды,
в данном случае от свойств вспомога-
тельного газа.
Таким образом, при прочих равных
условиях мощность, потребляемая лам-
пой данной конструкции и размеров
(Р и Z), зависит от средней плотности
тока Jt и градиента потенциала в по-
ложительном столбе G.
Выбор этих величин и должен обес-
печить оптимальную величину световой
отдачи лампы.
в)	Тепловая защита л а м-
п ы. Поддержание оптимальной рабо-
чей температуры натриевой лампы свя-
зано не только с выделением достаточ-
ной тепловой мощности в разряде, но и
с рациональной конструкцией всей лам-
пы в смысле ограничения рассеяния
этой мощности в окружающее про-
странство. Последнее при конструиро-
вании лампы заставляет применять
ряд мер по тепловой ее. защите.
'Конструкция защитных теплоизо-
лирующих рубашек может быть вы-
полнена различным образом.
Наиболее простой конструкцией яв-
ляется изображенная на фиг. 24-3,а
комбинация разрядной трубки с одно-
сторонней вакуумной рубашкой, со-
ставляющей с разрядной трубкой одно
целое.
212
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
[гл. 24
Такая комбинация, однако, не обес-
печивает достаточно ‘Полной теплоизо-
ляции, так как стенка рубашки, охлаж-
даемая окружающим ее воздухом, не
отдает обратно трубке заметной части
падающего на нее лучистого потока.
Увеличения теплоизолирующих свойств
системы можно достигнуть введением
в вакуумное пространство специальных
дилиндрических коаксиальных экранов,
Фиг. 24-3.
повышающих температурный уровень
внутри трубки без увеличения затра-
ченной на это тепловой мощности. Схе-
ма такого устройства приведена на
фиг. 24-3,6. Такой экран должен быть
выполнен из стекла, пропускающего
без заметного, поглощения световые из-
лучения и возможно больше поглощаю-
щего длинноволновые излучения тепло-
вой мощности. Благодаря введению та-
кого экрана, принимающего вследствие
поглощения тепловой лучистой мощ-
ности некоторую, более высокую, чем
наружный цилиндр, температуру, уве-
личивается обратное излучение тепла
на разрядную трубку; вследствие этого
при той же выделенной мощности тем-
пература разрядной трубки может
быть увеличена.
Наиболее целесообразной конструк-
цией теплоизолирующего устройства
является комбинация, состоящая из
газоразрядной трубки и съемного дюа-
ровского сосуда, изображенная на
фиг. 24-3,в. В этой конструкции наря-
ду с хорошими теплоизолирующими
свойствами и возможностью использо-
вания одной и той же изолирующей
оболочки после выхода из строя самой
газор азрядной трубки н абл юдается
благоприятное действие промежуточ-
ной воздушной прослойки, выравни-
вающей благодаря конвекции темпе-
ратуру «в различных частях разрядной
трубки.
Средством для тепловой защиты
натриевых ламп может служить также
соответствующее изменение формы ее
газоразрядной трубки. Обычно в слу-
чае длиных трубок улучшение тепло-
изоляции лампы достигается уменьше-
нием прямого излучения за счет изги-
бания трубки в виде букв U или W,
а также выполнения ее в виде спирали.
При такой форме разрядной трубки
уменьшается эффективная величина ее
поверхности охлаждения, но наряду
с этим уменьшается также и величина
общего светового потока вследствие
экранирования некоторой части ’светя-
щегося объема противолежащими ча-
стями трубки.
24-3. Типы натриевых ламп
и основные их характеристики
Различные типы натриевых ламп,
применяющихся на практике, имеют
ряд общих характерных признаков, со-
стоящих в следующем.
1.	Газообразная среда, в которой
протекает разряд, состоит из паров
натрия и вспомогательного инертного
газа, обыкновенно неона с примесью
аргона, способствующего зажиганию
разряда.
2.	В качестве электродов приме-
няются выполненные из проволоки или
металлической ленты спирали, покры-
тые оксидом, подогреваемые извне, или
в последних конструкциях за счет теп-
ла, выделяющегося в процессе газово-
го разряда.
3.	Внутренняя стеклянная оболочка
лампы состоит из разрядной трубки
или баллона, выполненных из специ-
ального стекла, стойкого по отноше-
нию к химическому действию на него
•паров натрия, и наружная — из защит-
ной рубашки, служащей для уменьше-
ния тепловых потерь лампы, поддер-
жания нормальной рабочей темпера-
туры лампы и соответствующего дав-
ления паров натрия.
Подобно другим источникам света
натриевые лампы могут быть вредна-
§24-3]
ТИПЫ НАТРИЕВЫХ ЛАМП И ОСНОВНЫЕ ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
213
эначены для работы на постоянном и
переменном токе различного напряже-
ния. В соответствии с последним изме-
няется длина разрядного промежутка
и для получения света используются в
различной степени разные части раз-
ряда.
а)	Натриевые малые лам-
пы для постоянного и пере-
менного тока. Наиболее простую
Фиг. 24-4.
конструкцию натриевых ламп пред-
ставляет собой -малая низковольтная
лампа, свечение которой основано на
использовании катодной части разря-
да и короткого положительного столба.
Такие лампы применяются для спек-
троскопических исследований и других
специальных целей. Лампа может быть
выполнена для постоянного и перемен-
ного тока; общий вид лампы вместе
со схемой включения ее в сеть элек-
трического тока представлен на фиг.
24-4 и 24-5.
Лампа переменного тока (фиг. 24-5)
состоит из стеклянного баллона, за-
ключенного в вакуумную рубашку, и
имеет два электрода Э, покрытых
оксидом, нагреваемых током от внеш-
ней цепи. Лампа постоянного тока
(фиг. 24-4) имеет один нагретый элек-
трод— катод /С, покрытый оксидом, и
анод А, выполняемый из вольфрама.
Катодная камера для уменьшения
охлаждения и конденсации паров нат-
рия покрывается снаружи зеркальным
слоем. Лампы этой конструкции изго-
товляются для рабочих напряжений на
лампе около 20 в и тока 1,2—1,3 а.
Благодаря малому рабочему напря-
жению лампа может быть включена
последовательно с омическим или ин-
дуктивным сопротивлением JR в сеть
110—120 в непосредственно, без повы-
сительного трансформатора. Во избе-
жание распыления оксидного слоя ка-
тодов включение лампы в цепь тока
производится после разогревания като-
да путем размыкания выключателя В.
После зажигания разряда в случае са-
мокалящихся катодов стационарная
работа лампы может продолжаться
при разомкнутом выключателе.
б)	Натриевая низковольт-
ная лампа постоянного тока.
Лампа постоянного тока низкого на-
пряжения, большей мощности, предна-
значена для эксплуатации в установ-
ках уличного освещения. В этой лампе
путем уменьшения расстояния между
электродами и значительного увеличе-
ния диаметра разрядного баллона бы-
ло использовано свечение отрицатель-
ной части разряда.
Лампа состоит из стеклянного ци-
линдрического баллона, внутри которо-
го расположен двойной кольцеобраз-
ный анод и в центре — катод, покры-
тый оксидом. Такое расположение
Фиг. 24-5.
электродов предотвращает возмож-
ность электрического переноса (в ви-
де ионов) и последующей конденсации
натрия на стенках баллона. Во время
работы для поддержания необходимой
температуры колбы (/ = 300° С) и дав-
ления натриевых паров лампа заклю-
чена в специальную стеклянную арма-
214
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
[гл. 24
туру, имеющую вид колпака с двойны-
ми стенками. Откачанное пространство
между стенками при этом играет роль
вакуумной рубашки, обеспечивающей
необходимый температурный режим.
Лампа предназначена для работы
на постоянном токе при напряжении
на лампе 12—14 в и токе около 5 а.
Питание цепи накала катода происхо-
дит с помощью трансформатора на 2—
3 в от особой сети переменного тока
(см. схему соединения на фиг. 24-6).
Общая мощность лампы—около 100 вт.
Соответственно этой мощности свето-
вой поток лампы F, = 4 500—6 000 лм.
Яркость света лампы при этом В =
= 7,0 сб и световая отдача, включая
все потери, достигает 50—60 лм/вт.
Малое напряжение лампы в условиях
работы на постоянном токе и необхо-
димость отдельного питания катода
делают целесообразным использование
последовательного включения ламп
в цепь выпрямленного переменного то-
ка, получаемого с выпрямительной
подстанции, питающей от отдельной
линии и трансформаторы накала.
Принципиальная схема включения
ламп в сеть выпрямленного и перемен-
ного тока приведена на фиг. 24-6.
В указанной выше установке общее
выпрямленное напряжение достигало
U = 700 в при включении до 43 ламп
последовательно.
Для стабилизации разряда и вы-
равнивания напряжения на лампе в
цепь ее включается бареттер из желез-
ной проволоки, помещенной в водород-
ной атмосфере, в котором теряется
около 12% напряжения, поддерживаю-
щего разряд. Для обеспечения непре-
рывной работы серии последовательно
включенных ламп при выходе из строя
одной из них параллельно каждой нат-
риевой лампе (включается лампа нака-
ливания Л эквивалентной мощности
75 вт, 14 в, замещающая натриевую
Фиг. 24-7.
Фиг. 24-8.
лампу после пробоя последовательно
включенного с лампой накаливания за-
мыкателя 3.
в)	Натриевые лампы с по-
ложительным столбом. Нат-
риевые лампы, в которых использует-
ся преимущественно свечение положи-
тельного столба, в зависимости от дли-
ны могут быть построены для включе-
ния последовательно с дросселем в сеть
220 в и для более высокого напряже-
ния, около 900 в, при посредстве повы-
сительного трансформатора. По форме
разрядной трубки такие лампы могут
быть прямыми или изогнутыми.
В последнее время получили рас-
пространение натриевые лампы с само-
калящимся катодом, не требующим
отдельной цепи для подогрева. Такая
лампа состоит обыкновенно из U- или
W-образной разрядной трубки диамет-
ром 14—17 мм, заключенной в цилин-
дрическую термоизолирующую рубаш-
ку с двойными стенками. Рубашка мо-
жет составлять с разрядной трубкой
неразрывное целое (фиг. 24-7) или быть
сменной (фиг. 24-8). Ввиду отсутствия
§24-4]
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА НАТРИЕВЫХ ЛАМП
215
Таблица 24-1
Род лампы	Световой поток, лм	Яркость, сб	Плотность, тока, afсм2	Световая отдача, лм!вт	Срок служ- бы, часы
Натриевые лампы постоян- ного тока с- отрицатель- ным свечением 		4 500—5 000	6,5—7,0	0,1—0,2	50—60	-3 000
Лампы переменного тока с положительным свече- нием (широкие трубки)	2 500-6 000	4,0—7,0	0,2—0,4	45—55	^3 000
То же (узкие трубки) . . .	2 500—10 000	6,5—7,5	0,3—0,6	40—75	^3 000
необходимости в добавочных вводах
для независимого подогрева катода вся
конструкция лампы упрощается и ста-
новится более дешевой.
Такие лампы выполняются общей
мощностью от 65 до 165 вт при напря-
жении на трубке от 80 до 165 в и све-
товой отдаче, включая все потери, от
40 до 60 лм!вт.
Лампы с самокалящимися катода-
ми требуют более высокого напряже-
ния при зажигании разряда, так как
процесс зажигания происходит при хо-
лодном катоде. Соответственно этому
при включении ламп непосредственно
в сеть 220 в последовательно с дроссе-
лем необходимо пользоваться сред-
ствами для облегчения зажигания раз-
ряда, а при более длинных лампах
применять повысительные трансформа-
торы или автотрансформаторы с маг-
нитным рассеянием с вторичным на-
пряжением до 470 в.
Возможность построения натриевых
ламп с самокалящимися катодами до-
стигается известным увеличением диа-
метра разрядной трубки до 20—25 мм
и уменьшением расстояния между
электродами до 230—350 мм.
Натриевые лампы отечественного
производства типов На-1 и На-2 были
разработаны лабораториями Всесоюз-
ного электротехнического института и
Московского электролампового завода.
Лампы эти имеют самокалящиеся ка-
тоды.
Мощность лампы с учетом потерь
в приборе включения 75 вт (На-2) и
140 вт (На-1) и соответственно свето-
вая отдача лампы составляет 40 и
42 лм/вт. В качестве прибора включе-
ния используется автотр анафор матор с
магнитным рассеянием.
Сводная таблица средних значений
электрических и световых параметров
•натриевых ламп приведена в табл.
24-1.
24-4. Эксплуатационные свойства
натриевых ламп при нестационарном
и долговременном режиме
• При эксплуатации ламп в освети-
тельных установках имеет место ряд
периодов времени, в течение которых
лампа изменяет свой нормальный ре-
жим под действием тех или иных при-
чин. К таким причинам относятся из-
менение температуры разрядного бал-
лона, изменение величины рабочего
напряжения на лампе и внутренние
изменения самой лампы под влиянием
различных внутренних явлений в раз-
ряде.
а) Изменение режима ра-
боты натриевой лампы при
включении ее в цепь тока.
Среди других случаев изменения ре-
жима лампы во времени в первую
очередь нужно’ указать на процесс
включения ее в цепь электрического
тока и 'Следующий за этим период «раз-
горания» . лампы, характеризующийся
постепенным увеличением температу-
ры разрядной трубки и связанным с
этим изменением электрических и све-
товых характеристик лампы. Самый
характер и темп этих изменений для
каждого типа должен обусловливаться
рабочим напряжением сети, родом и
характеристикой приборов включения
и системой тепловой защиты лампы.
При постоянном напряжении сети,
определенных приборах включения и
теплоизоляции характер изменения
пускового режима зависит также от
начальной температуры лампы и от
216
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ НАТРИЯ
[гл. 2!
состояния окружающей лампу среды
(температура .воздуха и его движе-
ние). Для эксплуатационных условий
большое значение имеет продолжи-
тельность разогрева лампы, под кото-
рой обычно подразумевается период
времени, отсчитываемый от момента
включения холодной (20° С) лампы
в нормальной схеме в цепь тока до
момента времени достижения ею 80%
полного светового потока лампы.
Эта продолжительность изменяется
в пределах от 4 до 10 мин., увеличи-
ваясь вместе с мощностью лампы.
Влияние изменения рабо-
чего^ а пряжения сети. При из-
менении рабочего напряжения сети из-
меняется также и энергетический ре-
жим лампы.
При этом изменение основных элек-
трических характеристик лампы: на-
пряжения на ее электродах Ut и про-
ходящего через нее тока зависит
от вида вольтамперной характеристики
лампы и параметров включенного по-
следовательно с ней дросселя.
•Изменение всех основных электри-
ческих и световых характеристик
натриевой лампы в зависимости от
величины напряжения сети Ut можно
видеть из диаграммы фиг. 24-9.
г)	Срок службы натрие-
вых ламп. Полезный срок службы
натриевых ламп обыкновенно изме-
ряется продолжительностью работы, в
течение которой лампа теряет 25%
своего первоначального светового- по-
тока. Для различных типов* ламп эта
продолжительность составляет от
2 000 до 3 000 час.
-Выход натриевых ламп из строя и
понижение светового потока в течение
срока их службы вызываются главным
образом следующими явлениями.
Первое — воздействие на стеклян-
ные стенки разрядной трубки горячих
и ионизированных паров натрия, вызы-
вающие в нем совместно с высокой
температурой ряд химических и физи-
ческих изменений (увеличение элек-
трической проводимости, образование
на внутренней поверхности налетов и
слоев окрашенного стекла, поглощаю-
щих часть светового потока). Для
устранения таких воздействий разряд-
ные трубки натриевых ламп изготов-
ляются из специальных боратных или
алюмоборосиликатных стекол с не-
большим (10—25%) содержанием оки-
си кремния SiO2. Так как боратные
стекла подвержены воздействию атмо-
сферной влаги (выветривание), то в
некоторых случаях для изготовления
разрядных трубок натриевых ламп
применяются двухслойные покрывные
стекла, наружный слой которых со-
стоит из обычных, более стойких по
отношению действия влаги стекол,
а внутренний — из боратного стекла.
В других случаях защита внутренней
поверхности трубки от действия нат-
риевых паров производится созданием
на ней защитного слоя из порошкооб-
разных и затем расплавленных стой-
ких прозрачных материалов.
Наряду с образованием при воз-
действии натрия на стекло бурого, по-
глощающего свет слоя уменьшение
светового потока натриевой лампы во
времени также является следствием
изменения состава газообразной среды
разряда. Это происходит рт двух.при-
чин: во-первых, от частичного погло-
щения натрия стенками и, во-вторых,
от растворения в нем .составных частей
стекла. Оба эти явления, затрудняя ис-
парение натрия, способствуют умень-
шению плотности излучающей свет га-
зообразной среды и соответственно
§ 25^1 ]
ОПИСАНИЕ РТУТНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
217
снижению светового потока лампы.'На-
ряду с этим со временем ухудшается
также и теплоизоляция лампы вслед-
ствие выделения тазов из стекла в ва-
куумное пространство рубашки, что
приводит к тому же эффекту.
К причинам, вызывающим посте-
ленное уменьшение светового потока
лампы, относится также изменение
электрического -режима лампы вслед-
ствие ухудшения эмиссионных свойств
самокалящих-ся катодов. В некоторых
случаях это ухудшение может достиг-
нуть таких размеров, что трубка выхо-
дит из строя вследствие невозможно-
сти ее зажигания.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ПЯТАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
СПАРАМИ РТУТИ
25-1. Обзор развития и общее описание
ртутных ламп высокого давления
Ртутные дампы высокого
давления с ртутным като-
дом. Первые исследования ртутных
ламп показали, что увеличение плот-
ности тока разряда вызывает повыше-
ние температуры лампы и соответ-
ственно этому увеличение давления
ртутных паров. При построении ламп
размеры лампы, от которых .зависит ее
охлаждение, выбирались таким обра-
зом, чтобы рабочее давление ртутных
паров в лампе при нормальном режи-
ме не превосходило долей миллиметра
ртутного столба (около 0,2 мм рт. ст.).
Попытки повышения этого давления,
несмотря на применение тугоплавкого
стекла, сопровождались настолько
сильным нагреванием лампы, что стек-
ло размягчалось.
В 1904 г. Ретчинский впервые вы-
полнил ртутную лампу из плавленого
кварца, позволявшего значительно по-
высить плотность тока разряда и ра-
бочую температуру лампы. Произве-
денные вслед за этим исследования
этой лампы показали, что при повы-
шении температуры и давления ртут-
ных паров значительно увеличиваются
световая отдача лампы и напряжение
на ее электродах. При одних и тех же
значениях напряжения и мощности
лампы увеличения ее температуры и
давления паров можно достигнуть
уменьшением размеров разрядной,
трубки. При увеличении давления
ртутных паров до 1 ат можно повысить
световую отдачу лампы до И, =
= 46,5 лм!вт.
Кроме того, 'изменяется также цвет-
ность света лампы в направлении при-
ближения его к дневному и в связи
с повышенной прозрачностью кварца
по отношению к ультрафиолетовым
лучам (до Х= 1 700 А) увеличивается
актиничность лампы. Несмотря на вы-
сокую рабочую температуру, кварце-
вая лампа обладает также длитель-
ным сроком службы, доходящим до
3 000—4 000 час.
Необходимой предпосылкой по-
строения и дальнейшего усовершен-
ствования .кварцевой лампы было осу-
ществление непроницаемого для на-
ружного воздуха ввода металла
в кварц. Ввиду того что ни’один из
известных чистых металлов не обла-
дает термическим коэффициентом рас-
ширения, близким к коэффициенту
расширения кварца, для * вводов был
применен сплав железа и никеля
(64% Fe4-36% Ni), носящий назва-
ние инвара и обладающий в пределах
20—100° С приблизительно одинако-
вым коэффициентом расширения с
кварцем. Однако (ввиду сравнительно
низкой температуры плавления этого
сплава непосредственное осуществле-
ние ввода путем вплавления металла
в кварц было невозможным.
Поэтому воспользовались следую-
щим способом: металлическая часть
ввода, состоящая из инвара, выпол-
няется в виде стержня, имеющего на
конце слегка конусообразную фор!му,
которой плотно притирается в отвер-
стие электродного отростка лампы.
Для достижения большей плотности
ввода верхняя его часть заполняется
ртутью и заливается тугоплавкой ма-
218
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 25
стикой, препятствующей выливанию
ртути. Чтобы уменьшить нагревание
ввода, ртутная камера, примыкающая
к разрядной трубке, обыкновенно вы-
полняется в виде цилиндра, образую-
щего с разрядной трубкой Т-образное
соединение. Концы цилиндра, кроме
того, охлаждаются специальными
крыльчатыми радиаторами, выполнен-
ными из меди.
Одним из важнейших . факторов
дальнейшего усовершенствования
кварцевых ламп высокого давления
была разработка новых конструкций
вакуумно плотных вводов металла
в кварц. Широко применявшиеся в
кварцевых лампах вводы в виде стерж-
ней из инвара, пришлифованные к
кварцу, были дороги и могли приме-
няться без нарушения внутренней ва-
куумной плотности ввода лишь при
температурах у ввода ниже 150° С.
Это вызывало необходимость чрезмер-
ного увеличения и усложнения кон-
струкции вводных камер и тем самым
удорожание лампы.
Самым лучшим способом было бы
непосредственное вплавление металли-
ческих проволочных вводов в кварц,
так, как это делается в вакуумных
приборах, выполненных из стекла.
Однако высокая температура (1 700—
1 800°С), необходимая для ©плавления
инвара в кварц, исключала возмож-
ность применения такого способа
вследствие более низкой температуры
плавления инвара.
Первая попытка применения прово-
лочных вводов в кварц была сделана
в 1905 г. в виде так называемых «за-
клепочных вводов» из металлов плати-
ны и иридия.
Непосредственное вплавление про-
волок из тугоплавких металлов в кварц
было введено впервые в 1911 г. В ка-
честве таких металлических вводов
применялась молибденовая проволо-
ка диаметром около 0,4 мм, допускав-
шая благодаря хорошей электропро-
водности молибдена нагрузку до 3,5 а,
что в 2,5—3,5 раза больше, чем нор-
мальная нагрузка платиновой прово-
локи того же диаметра.
Такой ввод позволил в 1912—
1913 гг. построить кварцевую лампу
более простой и надежной конструк-
ции, чем лампы прежних типов.
Ртутные лампы высокого
давления с оксидным'като-
дом. Одним из важнейших факторов,
способствовавших дальнейшему раз-
витию современных газосветных ламп
и ртутных ламп, в частности, было вве-
дение оксидного катода.
В применении к ртутным лампам
оксидный катод может быть использо-
ван как для ламп низкого давления,
так и для ламп высокого давления.
В зависимости от происхождения теп-
ловой энергии, необходимой для полу-
чения термоэлектронной эмиссии с ка-
тода, можно различать ртутные лампы
с подогревным и самокалящимся като-
дом. В первом случае для подогрева-
ния катода извне служит отдельная
электрическая цепь и во втором — по-
догрев осуществляется за счет энергии
процессов самого газового разряда. .
Введение оксидных катодов для
ртутных ламп дало возможность огра-
ничить роль ртути в лампе только
функцией вещества, создающего необ-
ходимую среду для газового разряда.
В связи с этим предоставилась воз-
можность значительно упростить и об-
легчить лампу, сделать ее более транс-
портабельной и устойчивой в работе,
а также значительно снизить потерй
мощности в приборах включения.
В ртутной лампе оксидный катод
был применен впервые в период 1930—
1932 гг. в современных типах ламп вы-
сокого давления, почти полностью вы-
теснивших прежние типы ртутных ламп
с жидким катодом. Эти лампы у нас
в Советском Союзе получили название
«Игар» (интенсивная, газосветная, ар-
гонно-ртутная). Разрядная трубка со-
держит небольшое дозированное коли-
чество ртути и наполняется аргоном
при давлении в несколько миллимет-
ров ртутного столба. Совместное дей-
ствие оксидных электродов и указан-
ных дополнительных устройств в атмо-,
сфере аргона создает возможность за-
жигания разряда без каких-либо до-
бавочных вспомогательных средств в
цепи лампы при рабочем напряжении
питающей сети 220 в. Вначале разряд
зажигается-в аргоне и затем, по мере
разогревания трубки и увеличения
§25-2]
СВОЙСТВА ГАЗОВОГО РАЗРЯДА ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ
219
плотности ртутных паров в процессе
разряда, начинает доминировать ртуть.
Накал оксидных катодов также произ-
водится за счет тепла, выделяющегося
при разряде. Для уменьшения тепло-
вых потерь на охлаждение окружаю-
щим воздухом и достижения большой
устойчивости в работе разрядная труб-
ка в большинстве случаев заключается
в вакуумную рубашку. Лампа может
выполняться мощностью от 100 до
1 000 вт для напряжения сети 220 в.
Рабочее напряжение на лампе при
установившемся режиме около 130 в;
избыточное напряжение сети погло-
щается в добавочном омическом или
индуктивном сопротивлении, включен-
ном последовательно с лампой.
Введение оксидных катодов и на-
полнения инертным газом дало воз-
можность значительно усовершенство-
вать ртутную лампу. Это усовершен-
ствование выразилось в устранении не-
обходимости применения в лампе боль-
ших количеств жидкой ртути, в умень-
шении размеров лампы и в упрощении
схемы включения ее в сеть, особенно
на переменном токе. Благодаря этому
значительно удешевилось изготовление
самой лампы и ее прибора включения.
Удешевлению лампы способствовало
также и то обстоятельство, что новая
•конструкция ртутной лампы высокого
давления могла изготовляться вместо
дорогого кварца из специального туго-
плавкого стекла, имеющего одинако-
вый коэффициент теплового расшире-
ния с вольфрамом и позволяющего
благодаря этому производить непо-
средственный впай вольфрамовых элек-
тродов в стекло.
Существенным фактором, позволив-
шим повысить давление ртутных па-
ров в стеклянной лампе до 1—1,4 ат,
было увеличение диаметра разрядной
трубки до 20—30 мм вместо 15—18 мм
в прежней кварцевой лампе с ртутным
катодом при тех же давлениях ртут-
ных паров.
При таких диаметрах разрядной
трубки и давлении ртутных паров, рав-
ном 1 ат, температура в центральной
части трубки достигает 6 100° С, в то
время как вблизи стенки стеклянной
трубки она равняется около 600° С, что
дает возможность в этом случае при-
менить стекло вместо кварца. При этих
условиях делается заметным отшнуро-
вывание или контрагирование светя-
щегося ртутного столба, которое за-
ключается в том, что по мере возраста-
ния давления ртутных паров свечение
уже не заполняет всего объема труб-
ки, а располагается по ее оси в виде
шнура диаметром около 7—8 .ил.
Новая аргонно-ртутная лампа вы-
сокого давления обладает высокой све-
товой отдачей, достигающей 38—
40 лм/вт, и получила широкое распро-
странение в ряде областей специаль-
ного освещения (светокопирование,
декоративное освещение, освещение
при выполнении точных работ и др.).
Применению лампы для общего осве-
щения, так же как и в случае других
ртутных ламп, препятствует цветность
ее света, зависящая от характерного
спектра разряда в парах ртути.
В тех случаях, когда является же-
лательным использование ультрафио-
летовой части спектра, аргонно-ртут-
ная лампа с оксидными катодами мо-
жет быть выполнена из кварца.
Аргонно-ртутная кварцевая лампа
нашла широкое применение в свето-
терапии, бактериологии, для люминес-
центного анализа и стерилизации
жидкостей, а также в ряде других об-
ластей, использующих ультрафиолето-
вую .радиацию.
25-2. Общие' физические свойства
газового разряда в парах ртути
при высоких давлениях
а)	Газообразная среда и
ее состояние. Состав газообразной
среды ртутных ламп высокого (р
1 ат) и сверхвысокого (р > 1 ат)
давления изменяется в зависимости от
типа лампы. Так, в случае лампы с
жидким ртутным катодом эта среда со-
стоит из паров ртути, насыщающих
пространство, при давлении и средней
плотности их, зависящих от темпера-
туры наиболее холодной части колбы.
Соответственно в лампах высокого и
сверхвысокого давления с твердым
оксидным катодом кроме паров ртути,
давление и плотность которых ограни-
чиваются при высоких температурах
количеством введенной ртути (дозиро-
ванные лампы), в газоразрядную труб-
220
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 25
ку вводится для облегчения зажигания
разряда инертный газ, главным обра-
зом аргон, при давлении «в несколько
миллиметров ртутного столба.
Зависимость изменения давления и
плотности ртутных паров, насыщаю-
щих пространство, от температуры па-
ра Тд может быть выражена следую-
щим уравнением:
lgp = --b2,23-58’7 + 7,752, (25-1)
1д
где р — давление пара, мм рт. ст.:
Тд — температура пара, °К.
Фиг. 25-1.
Соответственно, принимая во вни-
мание, что р — nkTd, для плотности
пара имеем:
lg« = lgp — lg& — lgra =
= 7^1^587 _ j т 7 J52 _ lg
1 d
(25-2)
где n — количество атомов в 1-с,и3
объема; k _ 1,37-10~16 эрг/°К.
Кривые, изображающие ход зави-
симости р и п от температуры 7\°К
и /°C, приведены на фиг. 25-1.
При наличии ограниченного «дози-
рованного» количества ртути кривые
фиг. 25-1 сохраняют свой ход лишь до
тех пор, пока не испарилась вся нахо-
дящаяся в трубке ртуть. При дальней-
шем повышении температуры ртутные
пары из насыщенного состояния пере-
ходят в перегретое и, таким образом,
температура наиболее холодной части
разрядной трубки в этом случае долж-
на быть выше того минимума, который
необходим для испарения всей находя-
щейся в ней ртути. Изменение состоя-
ния пара выше этой температуры Tfl
характеризуется постоянным значе-
нием плотности пара (n=const) и пря-
молинейным возрастанием давления
[p = nk(T-T )].
б)	Температура разряда и
ее распределение. Исследование
температурного режима ртутных ламп
высокого давления показывает, что
температура газа в разрядной трубке
неодинакова. Это касается не только
различий в температуре для отдельных
участков трубки по ее длине, завися-
щих от величины мощности, .выделяе-
мой в данной части разряда, и усло-
вий местного охлаждения, но также и
в наличии температурного градиента
в радиальном направлении, который
приводит к очень большой разнице
температур в осевой части разряда, и
у поверхности трубки.
Так как величина давления паров
определяется температурой наиболее
холодной части трубки и во всех ча-’
стях объема это давление имеет посто-
янную величину, то при р = nkT плот-i
ность паров в осевой части трубки, об-
ладающей более высокой температу-
рой, меньше, чем у ее поверхности; ре-
зультатом этого является более интен-
сивное развитие разряда в осевой ча-
сти, ведущее к контрагированию или
отшнуровыванию разряда.
25-3. Спектральные и световые свойства
разряда в парах ртути при высоком
давлении
Температура паров в ртутных лам-
пах высокого давления является глав-
нейшим фактором, от которого зависит
не только состояние газообразной
среды разряда, но также электриче-
ские и световые его свойства.
При повышении давления ртутных
паров в спектре разряда наблюдаются
следующие изменения:
1.	Сильное расширение больший-
§25-4 J
РТУТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТЕКЛА
221
ства спектральных линий в сторону
длинноволновой части спектра.
2.	На линейчатую структуру спект-
ра накладывается сплошной фон,
распространяющийся от ультрафиоле-
товой области (2 = 2 300А) до инфра-
красной (2 = 12 000 А).
3.	У резонансных лйний 2= 2 537А
и Л = 1 850А появляются полосы погло-
щения, расширяющиеся по мере повы-
шения давления в сторону инфракрас-
ной части спектра.
В зависимости от величины давле-
ния эти изменения возникают в сле-
дующей последовательности:
а)	при низких давлениях, меньших
0,1 ат, излучения ртутной лампы имеют
линейчатый спектр, характерный для
ртути;
б)	при давлении ртутных паров
около 1 ат линейчатый спектр допол-
няется спектром, состоящим из широ-
ких полос, в результате этого линейча-
тый спектр перекрывается сплошным
фоном, а вместе с этим наблюдается
обращение резонансных линий вслед-
ствие их самопоглощения;
в)	по мере дальнейшего увеличе-
ния плотности паров при давлениях
выше 20 агп яркость сплошного фона
увеличивается и вместе с этим сгла-
живаются спектральные линии и рас-
ширяется темный промежуток в об-
ласти поглощенной резонансной линии
2 = 2 537А;
г)	при давлении порядка 120 ат
линейчатая структура спектра исче-
зает и спектр представляет сплошную
полосу, разделенную на две части
темным пространством в пределах
2 = 2 537 — 2600А, резким на границе
2 = 2537А и размытый со стороны
2 = 2600Х.
В связи с этими изменениями изме-
няется и цветность света ртутной лам-
пы от сине-зеленоватой при низких
давлениях до белой при сверхвысоких
давлениях. По мере увеличения давле-
ния в связи с расширением линий и
полос, а также в связи с увеличением
интенсивности сплошного фона излу-
чение разряда теряет свой селективный
характер. Кроме того, вследствие силь-
ного увеличения относительной интен-
сивности в видимой части спектра уве-
личивается и общий световой эффект
разряда. Последнее, помимо увеличе-
ния светового потока лампы и ее ярко-
сти, выражается также и в повышении
ее световой отдачи.
25-4. Ртутные лампы высокого
давления из стекла
а) Конструктивные осо-
бенности ламп и их включе-
ние в сеть. В зависимости от на-
значения разрядные трубки ртутных
ламп высокого давления могут изготов-
ляться из стекла и кварца; соответ-
ственно этому изменяется и конструк-
ция лампы.
Лампы из стекла (стекло с высо-
кой, до 800° С, температурой размягче-
ния) в общем имеют вид прямой ко-
роткой трубки, заключенной в некото-
рых случаях (средние и большие лам-
пы) в стеклянную рубашку для умень-
шения охлаждения трубки окружаю-
щим воздухом. Размеры трубки: ее
длина и диаметр, зависят от напряже-
ния и мощности, на которые рассчита-
на лампа. По своему внутреннему
устройству (конструкция электродов,
монтаж и крепление разрядной труб-
ки) отдельные типы ламп, незначи-
тельно разнятся друг от друга, сохра-
няя общие для всех типов признаки.
Лампа имеет два главных самока-
лящихся электрода, расположенных на
противоположных концах разрядной
трубки, покрытых окислами металлов
бария, стронция и кальция (оксидные
электроды).
В современных лампах, кроме то-
го, вводится еще один вспомогательный
электрод, служащий для облегчения
зажигания трубки. Лампа наполнена
аргоном при давлении в несколько
миллиметров ртутного столба (р =
— 1—20 мм рт. ст.) и содержит не-
большое строго дозированное количе-
ство ртути, превращающейся в пары
при работе лампы.
Количество ртути вводится в лам-
пу из расчета достижения рабочего
давления паров ртути, равного р ==
= 0,4—1,5 ат.
222
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 25
На фиг. 25-2, 25-3 и 25-4 приведе-
ны чертежи современных ртутных ламп
высокого давления с оксидными само-
калящимися электродами: фиг. 25-2 —
общий вид лампы производства Мо-
сковского электролампового завода ти-
па «Игар» (интенсивная, газосветная,
аргонно-ртутная); фиг. 25-3 — разрез
типичной лампы средней и большой
мощности, от 400 до 1 000 вт, и фиг.
25-4 — чертеж лампы без вакуумной
рубашки.
Фиг. 25-2 • Фиг. 25-3. Фиг. 25-4.
Приведенные выше типы ламп
предназначены для работы на пере-
менном токе, хотя при небольшом из-
менении конструкции (асимметричные
электроды) лампа может быть приспо-
соблена и для постоянного тока.
В сеть переменного тока 220 в лам-
па включается последовательно с дрос-
селем или через трансформатор с рас-
сеянием; между вспомогательным
электродом и главным электродом, на-
ходящимся на противоположном кон-
це трубки, включается конденсатор
или омическое сопротивление R в не-
сколько тысяч ом.
Электрическая схема такого соеди-
нения представлена на фиг. 25-5,а.
В тех случаях, когда рабочее на-
пряжение сети меньше 210—220 в, на-
пример при напряжении осветительной
сети ПО—120 в, включение лампы про-
изводится обычно с помощью транс-
форматора с рассеянием, выполняю-
щего одновременно роль повыситель-
ного трансформатора и роль устрой-
ства, стабилизирующего разряд.
Схема присоединения лампы к сети
переменного тока с напряжением ПО—
120 в представлена на фиг. 25-5,6. Ве-
личина потерь в приборах включения
для ртутных ламп высокого давления
с оксидными электродами в зависимо-
Фиг. 25-5.
сти от мощности лампы и схемы вклю-
чения колеблется в пределах от 8 до
12%.
Для улучшения коэффициента мощ-
ности такой схемы в первичную обмот-
ку трансформатора включается ем-
кость К.
В начале зажигания разряд возни-
кает в аргоне и затем по мере испа-
рения ртути пространство трубки за-
полняется ртутными парами, вслед-
ствие чего изменяются как электриче-
ские характеристики, так и характер
свечения разряда. Начальное бледное
свечение аргона и разреженных ртут-
ных паров, заполняющее всю трубку,
по мере увеличения давления ртутных
паров сменяется более ярким свече-
нием, имеющим вид шнура зеленовато-
белого цвета, расположенного в цен-
тральной части трубки. По сравнению
с электрическими величинами нормаль-
ного установившегося режима ток в
начале зажигания лампы больше при
соответственно меньшем напряжении
на электродах трубки; по мере стаби-
лизации температуры ток уменьшает-
§25-4 J
РТУТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТЕКЛА
223
Таблица 25-1
Величины
Мощность, вт а) Лампа отдельно	 б) Лампа с дросселем 	 Напряжение, в а) На лампе	 б) Зажигания	
Ток, а
а) При стационарном режиме ....
б) При включении (макс.)	
pt
Коэффициент искажения лампы j	...
Коэффициент мощности лампы и дросселя
Pt
Wt	
Нормальный конденсатор для улучшения
коэффициента мощности, мкф	
Коэффициент мощности при включении кон-
денсатора 	
Начальный ток (наиб.) в сети при включен-
ном конденсаторе, а	
Световой поток лампы, лм	
Световая отдача, лм/вт
а) Лампа отдельно	
б) Лампа с дросселем		
Время разогревания, мин	
	Игар-4	Игар-3	Игар-2
Pl	250	400	500
Pi	281	438	540
Щ	125	125	125
	180	180	180
Л	2,2	3,52	4,4
	4*0—4,25	5,6-6,2	7,5—8,2
Ф	0,91	0,91	0,91
cos ?	0,58	0,57	0,56
С	13	20	25
COS	0,8	0,8	0,8
It	3,1—3,3	4,8-5,0	5,8-6,2
. Pl	7 000	14 000	16 000
H,	28	35	32
	25	32	29,6
t 1	6-8	6—8	6—8
ся до норм ал иного рабочего значения
и напряжение одновременно повышает-
ся; процесс разжигания трубки проис-
ходит в течение 3—10 мин. Кривые из-
менения основных характеристик лам-
пы в процессе разжигания разряда
приведены ниже на фиг. 25-6.
Основные электрические
и световые характеристики
ламп. Основные электрические и све-
товые характеристики аргонно-ртутных
ламп высокого давления типа «Игар»,
разработанные Московским электро-
ламповым заводом, приведены в табл.
25-1.
Величина светового потока ртутной
лампы высокого давления находится в
непосредственной зависимости от- за-
траченной .мощности и режима лампы,
определяемого ее температурой и дав-
лением паров. Ввиду того что описан-
ные лампы высокого давления имеют
простую цилиндрическую форму и пря-
молинейное расположение светящегося
столба разряда, распределение
светового потока в про-
странстве для голой лампы мало
отличается от распределения его для
ртугной лампы низкого давления, вер-
тикальная кривая распределения свето-
вого потока которой была представле-
на на фиг. 23-6.
В связи с тем что поглощение спек-
тральных линий в различных направ-
лениях пространства неодинаково,
цветность света, излучаемого лампой,
зависит не только от режима разряда,
но в известной степени также и от на-
правления, в котором производится ис-
следование светового потока.
224
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 25
Для яаивьигоднейшегр при данном
пространственном распределении ис-
пользования светового потока в раз-
личных осветительных установках
ртутные лампы высокого давления мо-
гут применяться вместе со специаль-
ными арматурами, перераспределяю-
щими световой поток применительно к
Фиг. 25-7.
заданным условиям. Спектральная яр-
кость светящегося столба отшнурован-
ного разряда высокого давления изме-
няется по диаметру трубки в зависи-
мости от распределения температуры
разряда, соответственно этому изме-
няется и .общая яркость контрагиро-
ванного столба, возрастая вместе с
увеличением давления ртутных паров.
Среднее ее значение (по ширине стол-
ба) колеблется в пределах от 80 до
300 сб в зависимости от режима и
мощности лампы.
г)	Пусковые характери-
стики ламп. После включения лам-
пы в сеть и зажигания разряда для
установления стационарного режима
работы требуется время от 3 до
10 мин., в течение которого все элек-
трические и световые параметры лам-
пы претерпевают соответствующие из-
менения. На диаграмме фиг. 25-7 пред-
ставлена пусковая вольтамперная ха-
рактеристика лампы с нанесенными на
нее точками времени t и статическими
характеристиками при соответствую-
щих им давлениях паров ртути р
Величина нормальной длительности
пускового периода лампы высокого
давления может изменяться в извест-
ных пределах под влиянием некоторых
причин. К таким причинам относятся:
внешнее охлаждение лампы, завися-
щее от температуры и состояния окру-
жающего воздуха, изменение . во вре-
мени теплоизолирующих свойств за-
щитной рубашки и изменение Величи-
ны потребляемой мощности.
Особый случай изменения пусковых
характеристик ламп высокого давления
представляет собой случай стабилиза-
ции характеристик после повторного
зажигания ранее работавшей лампы и
не успевшей охладиться до нормаль-
ной комнатной температуры. В этом
случае зажигание лампы задерживает-
ся вследствие наличия повышенного
давления паров, вызывающего увели-
чение потенциала зажигания разряда,
до тех пор, пока лампа не охладится
до некоторой температуры и не скон-
денсируется часть испаренной ртути.
Пример такого изменения светового по-
тока для одной конструкции ламп при
различной степени ее охлаждения при-
веден на фиг. 25-8.
Кривая а характеризует нормаль-
ное возрастание светового потока при
зажигании холодной (20° С) лампы.
Повторное зажигание выключенной на
один момент и вновь включенной лам-
пы наступает в данном случае при
естественных условиях охлаждения че-
рез 9 мин.; ход изменения светового
потока для этого случая изображен на
фиг. 25-8 кривой Ь, Соответственно
промежуточная характеристика для
случая 14-минутного естественного
охлаждения этой лампы и повторного
зажигания изображена на фиг. 25-8
кривой с.
д)	Влияние изменяющего-
ся напряжения сети. Работа
ртутных ‘ламп высокого давления в
§25-4]
РТУТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ СТЕКЛА
225
электрических сетях с изменяющимся
напряжением сопряжена с изменения-
ми электрического и светового режима
лампы, характер которого зависит от
рода вызывающих их изменений на-
пряжения. Вид этой зависимости опре-
деляётся степенью изменения темпера-
турного режима лампы и связанного с
ним состояния газообразной среды
(плотность и давление ртутных паров).
Можно различать медленные измене-
ния напряжения, сопровождаемые
установлением соответствующего ново-
го теплового режима лампы (вместе с
соответствующими ему плотностью и
давлением паров), и быстрые колеба-
ния, при которых благодаря тепловой
инерции газообразной среды и заклю-
чающей ее стеклянной оболочки изме-
нение плотности и давления -паров в
лампе практически не следует за из-
менением напряжения сети.
Наибольшей устойчивостью элек-
трического и светового режима обла-
дают лампы высокого давления с пе-
регретыми парами, в которых при из-
менении температурного режима в из-
вестных пределах плотность паров
остается постоянной и изменяется лишь
их давление.
Изменение относительных величин:
мощности потребляемой лампой,
мощности Рр заимствуемой от сети
светового потока Fp тока свето-
вых отдач Hz и Нр а также напряже-
ния на лампе Ul в зависимости от
напряжения сети 17, выраженного
в процентах, приведено на диаграмме
фиг. 25-9.
Из диаграммы видно, что за исклю-
чением величин Ut все остальные
характеристики лампы изменяются
в прямолинейной зависимости от на-
пряжения, причем наибольшая чув-
ствительность к изменению напряже-
ния наблюдается у величин F, и Pt,
Сравнение приведенных кривых
с соответствующими кривыми для лам-
пы накаливания показывает, что ртут-
ные лампы высокого давления при
изменяющемся напряжении сети обла-
дают более устойчивым световым ре-
жимом.
Кривые фиг. 25-9 характеризуют
влияние достаточно медленных изме-
15 Л. П. Иванов.
нений напряжения сети, при которых
тепловой режим лампы успевает до-
стигнуть стабильного состояния.
е)	Срок службы. Срок служ-
бы ртутных ламп высокого давления,
выполненных из стёкла, может быть
ограничен действием следующих при-
чин: а) резким' изменением состава
газообразной среды в разрядной труб-
ке; б) ухудшением эмиссионных
свойств электродов; в) уменьшением
прозрачности стенок трубки.
Появление первой из указанных
причин в большинстве случаев являет-
ся следствием нарушений целости
стеклянного баллона при его растре-
скивании или натекания наружного
воздуха в разрядную трубку через не-
достаточно плотные впаи металличе-
ских вводов в стекло. Разрушению
стекла 6 процессе работы лампы силь-
но способствуют тяжелые температур-
ные условия работы ламп высокого
давления, требующие применения спе-
циальных тугоплавких алюмобороси-
ликатных стекол с металлическими
вводами из вольфрама и молибдена;
такие стекла обладают высокой тем-
пературой размягчения, достигающей
480—500° С.
Вторая причина — ухудшение
эмиссионных свойств электродов в те-
чение срока службы — объясняется
высокими значениями плотности тока
226
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 25
в отдельных точках катода (катодное
пятно), вызывающими его распыле-
ние. Действие распыления катода
имеет своим следствием увеличение
катодного падения и изменение усло-
вий зажигания разряда, а также спо-
собствует действию третьей причины—
уменьшению прозрачности стенок раз-
рядной трубки.
Следствием последней причины яв-
ляется постепенное снижение свето-
вого потока лампы, ведущее к умень-
шению ее полезного срока службы.
Наряду с другими факторами, способ-
ствующими уменьшению прозрачности
стекла (действие ионизированных ато-
мов ртути . на внутреннюю поверх-
ность трубки), снижение светового по-
тока лампы за время ее работы может
также являться следствием ухудшения
теплоизолирующих свойств вакуумной
рубашки благодаря выделению ее
внутренними стенками газов, сорбиро-
ванных стеклом.
25-5. Ртутные лампы высокого
давления из кварца
Ртутная лампа высокого давления
находит в настоящее время ряд при-
менений как для общего освещения,
так и для специальных целей.
Имея повышенную по сравнению с
лампой накаливания световую отдачу,
достигающую 40 лм1вт\ и срок служ-
бы около 2 000 час., она может с вы-
годой применяться вр всех случаях,
где цветность ее света, богатого сини-
ми и зелеными лучами, не препят-
ствует ее использованию. Лампа мо-
жет применяться для освещения улиц,
площадей, рабочих помещений, а так-
же в ряде специальных областей бла-
годаря богатству ее ультрафиолетовы-
ми излучениями, которые обладают
сильным химическим действием, вы-
зывающим и ускоряющим ряд химиче-
ских реакций и биологических процес-
сов.
Обыкновенные ртутные лампы в
цилиндрическом баллоне из нормаль-
ного стекла благодаря высокой акти-
ничности света широко применяются
в фотографии, для светокопирования
и для кинематографических съемок.
Узкая область ультрафиолетовых
лучей в пределах длин волн 2 800—
3 100 А (эритемальная область) ши-
роко применяется в светотерапии в ка-
честве лечебного средства.' Получение
такого спектра возможно путем при-
менения в качестве оболочки ртутной
лампы специального «увиолевого»
стекла, пропускающего практически
все лучи с длиной волны, большей
2 800 А.
Ультрафиолетовые излучения бо-
лее короткой длины волны, которые
поглощаются стеклом и свободно про-
ходят через кварц, используются в на-
стоящее время для ряда технических
применений, например для выцветания
тканей и люминесцентного анализа.
В последнем случае, пользуясь квар-
цевой ртутной лампой и специальным
фильтром, пропускающим ультрафио-
летовые лучи и сильно поглощающим
видимый свет, можно обнаружить ряд
изменений поверхности предметов, при
обыкновенном свете незаметных, на-
пример неравномерное строение по-
верхности электротехнических мате-
риалов, болезненные поражения и
изменения кожи и др.
Кроме этого дальний ультрафиолет
обладает также биологическим дей-
ствием, заключающимся в бактери-
цидных его свойствах (бактерицид-
ная область), используемых при облу-
чении пораженных некоторыми болез-
нями (волчанка) кожных покровов и
для стерилизации жидкостей.
Интервалы длин волн ультрафио-
летовых лучей, выделенные по при-
знаку их специального применения,
приведены в табл. 25-2.
Таблица 25-2
Интервал длин волн	Свойства или область применения
4 000 — 7 600	Видимая область
3100 — 4 200	Общая флюоресценция
3 300 — 4 000	Наибольший эффект флюо- ресценции
2 800—3 100	Эритемальная область
2 200 — 3 300	Терапевтическая область
2 200 — 2 800	Бактерицидные- лучи
Выделение <	соответствующих об л а -
стеи спектра возможно путем приме-	
нения специальных фильтров, обла:	
дающих избирательным или предель-	
ным пропусканием.
§25-5]
РТУТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ИЗ КВАРЦА
227
Наиболее пригодным в смысле
прозрачности по отношению к ультра-
фиолетовым лучам является плавле-
ный кварц. Кроме того, кварц обла-
дает также и другими ценными свой-
ствами, ' делающими его пригодным
для изготовления разрядных трубок в
ртутных лампах высокого давления.
Фиг. 25-10.
К числу этих ценных свойств в пер-
вую очередь должны быть отнесены
большая тугоплавкость кварца и высо-
кая термическая стойкость, объясняе-
мая очень малым коэффициентом его
термического расширения.
Со времени построения первой
кварцевой лампы было разработано
несколько видов кварцевых ламй высо-
кого давления. Из этих ламп в на-
стоящее время наибольшее распростра-
нение получила кварцевая лампа с
оксидными электродами и аргонно-
ртутным наполнением; кроме этого на
практике главным образом для целей
светотерапии еще применяются лампы
более старых конструкций с ртутным
жидким катодом. Общий вид такой
лампы, выпускавшейся Московским
электроламповым заводом, изображен
на фиг. 25-10, а на фиг. 25-11 пока-
зана схема включения таких ламп для
работы на постоянном и переменном
токе.
Общий вид ртутной кварцевой лам-
пы высокого давления с оксидными
электродами и аргонно-ртутным на-
полнением представлен на фиг. 25-12.
Последнее время Московский элек-
троламповый завод стал выпускать
кварцевые лампы прямолинейно труб-
чатой формы (лампы ПРК) с оксид-
ными электродами на концах (фиг.
25-13). Металлические вводы выпол-
няются из вольфрамовой или молиб-
деновой проволоки, непосредственно
вплавляемой в кварц.
От конструкции стеклянной ртут-
ной лампы высокого давления кварце-
вая лампа отличается отсутствием
вспомогательного электрода для зажи-
гания, который заменен зажигатель-
ной металлической пластинкой Н,.
включенной по схеме фиг. 25-14,а.
Ввиду высоких термических свойств
кварца температура стенок разрядной
трубки может быть более высокой.
Это дает возможность уменьшить диа-
метр разрядной трубки.
Благодаря тому что по мере повы-
шения температуры разрядной трубки
отвод тепла с ее поверхности за счет
излучения делается доминирующим,
влияние охлаждения окружающим
воздухом через теплопроводность и
конвекцию перестает играт^ значи-
тельную роль, и разрядная трубка мо-
жет быть лишена тепловой защиты
в виде вакуумной рубашки.
Фиг. 25-11.
Так же как и стеклянные лампы
высокого давления, кварцевые лампы
описанного выше типа наполняются
аргоном и содержат дозированное ко-
личество ртути. Работа ламп возмож-
на как на переменном, так и на по-
стоянном токе при рабочем напряже-
нии сети в зависимости от типа лампы
и схемы включения от 127 до 220 в.
В случае переменного тока может
быть применена схема с трансформа-
цией первичного напряжения сети.
15*
228
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 25
Таблица 25-3
Тип лампы	Род тока	Напряже- ние сети, в			Пусковой режим			Стационарный режим					
					Время разгора- ния наи- большее, мин.		Пусковой ток наи- больший, а	Мощность лампы, вт	Напряже- ние на лампе, в		Ток лам- пы, а		Срок службы, часы
ПРК-4 ПРК-8 ПРК-5 ПРК-2 ПРК-7	Перемен- ный То же »	W »	W 9	»	127(120) 220 220 220 220			10 15 15 15 10		5,0 6 4,2 6,0 14,0	220 230 ’ 240 375 1000	70 72 120 120 135		3,75 3,75 2,3 3,75 8,05 Таб^		800 800 800 800 800 гица 25-4
				Лампа ПРК-2				Лампа ПРК-4				Лампа ПРК-7	
				Новые лампы		После 1 000 час.		Новые лампы		После 800 час.		После 1 000 час.	
Ультрафюле > = 2378- Видимая обл > = 4047- Инфракраснг >=10140-	товая область -3 984 А .... . асть -6907,5 А. . . . 1я область — 17 110 А ...			46,7 40,7 . 12,6		48,4 37,6 14,0		50,0 38,4 11,6		47,0 40,4 12,6		48,2 36,6 15,2	
	Всего. . .			100,0		100,0		100,0 -		100,0 '1		1	100,0 Таблица 25-5	
Род лампы			Световой ПОТОК, ЛМ			Яркость, сб		Плотность тока, а{см*		Световая отдача, лм[вт		Срок службы, часы	
Ртутная лампа высокого давления в стеклянной колбе 	 То же, в кварцевой .... * Значения относятся к с			2 000—50000 13 000—22 000 вредней яркости и			80—300* 120—400 ПЛОТНОСТИ ТОК!		0,3—0,7* 1,4—3,0 1 отшнурованнс		30—50 24—32 )го разряда.		500—2 000 500—1 000,	
Стабилизация разряда в этом случае
может быть осуществлена с помощью
Фиг. 25-12.
Фиг. 25.13.
дросселя и специального трансформа-
тора с рассеянием. Зажигание лампы
на переменном токе достигается не-
посредственным замыканием рубиль-
ника сети или при включенном ру-
бильнике путем замыкания и размыка-
ния цепи конденсатора С2 выключа-
телем В.
На постоянном токе зажигание до-
стигается с помощью импульсной
схемы также путем замыкания и раз-
мыкания выключателя В в цепи им-
пульсного трансформатора (фиг.
25-14,6).
Электрические и эксплуатационные
характеристики ртутных кварцевых
ламп с оксидными электродами типа
ПРК Московского электролампового
завода 'приведены в табл. 25-3.
§26-1]
ОПИСАНИЕ РТУТНЫХ ЛАМП СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
229
Величины относительного количе.-
ства энергии для трех участков спек-
тра: ультрафиолетового, видимого и
инфракрасного, для различных ламп и
случаев измерения приведены в
табл. 25-4.
кварцевой лампы, а также изменение
ее электрических характеристик мож-
но видеть на фиг. 25-15.
В зависимости от типа лампы и па-
раметров ее схемы включения в сеть
длительность периода разогревания
л
а)
Сг L
Фиг. 25-14.
Фиг. 25-15.
Из таблицы видно, что распреде-
ление энергии по различным участкам
спектра не остается постоянным. Та-
кое же явление наблюдается в периЪд
разогревания лампы, когда давление
паров изменяется по мере повышения
температуры лампы и соответственно
этому изменяется относительная интен-
сивность различных линий спектра.
Общее изменение ультрафиолетовой
интенсивности за период разогревания
лампы колеблется в пределах от 5 до
15 мин. Повторное зажигание горячей
лампы при нормальных условиях
охлаждения и схемы наступает по
истечении 4—5 мин.
Средние данные, характеризующие
электрический и световой режимы ртут-
ных ламп высокого давления в стек-
лянной и кварцевой колбе, приведены
в табл. 25-5.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ШЕСТАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
С ПАРАМИ РТУТИ
26-1. Общее описание ртутных ламп
сверхвысокого давления
Исследования влияния давления
ртутных паров на энергетические и
световые свойства ртутных ламп по-
казали, что вместе с • увеличением
давления (ртутных паров) увеличи-
ваются яркость лампы и ее световая
отдача, а также улучшается цветность
света ртутного разряда в смысле при-
ближения ее к цветности дневного
света.
Это объясняется тем обстоятель-
ством, что по мере повышения давле-
ния наряду с линейчатым спектром
ртути в большей мере возрастает
также интенсивность сплошного фона
в длинноволновой (желтой и красной)
части спектра.
В 1935 г. появились первые образ-
цы ртутных ламп сверхвысокого дав-
ления, в которых давление паров до-
стигало нескольких десятков и даже
сотен атмосфер. Ввиду того что ра-
бота лампы при таких высоких дав-
лениях связана с очень высокими тем-
пературами разряда, единственным
материалом для изготовления таких
ламп мог служить только кварц. Это
потребовало также дополнительной
работы над вводами и разработки но-
вых переходных стекол. Лампы сверх-
230
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 26
высокого давления от 4 до 50 ат мощ-
ностью от 75 до 250 вт и в широких
колбах до 500 вт удалось выполнить
с воздушным охлаждением. Для осу-
ществления ламп с более высоким
давлением паров до 300 ат и боль-
шими мощностями (до 10 кет) потре-
бовалось ввести специальное водяное
охлаждение.
Фиг. 26-1.
Конструкция ртутной лампы сверх-
высокого давления мощностью 75—
125 вт при давлении ртутных паров от
10 до 20 ат представлена на фиг. 26-1
и 26-2.
Лампа состоит из кварцевой раз-
рядной трубки внутреннего диаметра
6>5—7,5 мм, содержащей каплю ртути
и наполненной аргоном с вольфрамо-
выми оксидными электродами, отстоя-
щими на расстоянии 22—23 мм один
от другого. Трубка помещается внутри
стеклянной колбы, наполненной для
лучшего охлаждения кварцевой труб-
ки газом аргоном. Рабочее напряже-
ние на лампе 115 в; лампа включает-
ся последовательно с дросселем в сеть
220 в. Светящийся столб лампы имеет
вид тонкого шнура диаметром 1,5—
2,0 А с яркостью около 1 000—
1 300 сб. Световая отдача лампы со-
ставляет 40—42 лм/вт и, включая по-
тери в дросселе, 36—39 лм/вт. Срок
службы лампы около 2000 час. Лам-
па представляет собой очень удобный
источник света для общего освещения.
При последовательном соединении с
нитью накала, играющей роль доба-
ртутных па-
Фиг. 26-3.
отдача лам-
вочного сопротивления и расположен-
ной в матированной колбе, она может
служить хорошим и экономичным
источником дневного света.
Конструкция лампы с воздушным
охлаждением более высокой мощно-
сти, от 250 до 500 вт, работающей от
сети 220 в. при давлении
ров от 30 до 50 ат,
представлена на фиг.
26-3.
Лампа отличается
от предыдущей формой
и размерами кварцевой
внутренней колбы, по-
зволяющими рассеивать
соответственно потреб-
ляемой мощности и
большее количество
тепла. Внутренний диа-
метр шаровой кварце-
вой колбы около 30 мм
и длина дуги 4—6 мм
при рабочем напряже-
нии на электродах 70—
90 в. Лампа обладает
большой яркостью око-
ло 20 000 сб и пред-
назначена для проек-
ционных целей. Световая
пы 40—45 лм/вт и полезный ('80%
первоначального светового потока)
срок службы около 500 час.
В последнее время мощные лампы
сверхвысокого давления в шаровой
колбе выполняются также и с водя-
ным охлаждением мощностью до
15 кет-
Такая лампа работает на постоян-
ном токе с напряжением источника пи-
тания ПО в и напряжением на лампе
около 70 в. Средняя яркость лампы
достигает 70 000 сб и световая отдача
60 лм/вт.
Дальнейшее повышение рабочего
давления ртутных паров в лампах
сверхвысокого давления можно осу-
ществить лишь в колбах трубчатой
формы, применяя водяное охлаждение
наружной поверхности разрядной
трубки. В этом случае разрядная труб-
ка в общей сохраняет форму,' пред-
ставленную на фиг. 26-4, изменяя
лишь в зависимости от применяемой
мощности и давления свои раз-
меры.
§26-2]
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ РТУТНЫХ ЛАМП СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
231
Разрядная трубка помещается в
металлическую камеру со стеклянными
окнами, через полость которой пропу-
скается охлаждающая вода. Вид та-
кой камеры вместе с разрядной труб-
кой представлен на фиг. 26-5.
Указанные выше лампы имеют ра-
бочее напряжение на разрядной труб-'
Фиг. 26-4.
ке, составляющее 420 и 600 в, и рабо-
тают от трансформаторов с рассея-
нием, у которых напряжение холо-
стого хода составляет 600 и 900 в.
Лампы имеют яркость 33 000 и
91 000 сб и световую отдачу лампы
60 и 62,5 лм/вт (вместе с трансформа-
тором соответственно 53 и 55,5 лм/вт).
Срок службы ламп 500 и 25 час. Бла-
годаря высоким значениям яркости
Фиг. 26-5.
лампы выгодно применять для проек-
ционных целей, для чего внутри ко-
жуха может быть помещено специаль-
ное зеркало.
Дальнейшее повышение давления
ртутных паров до 240—300 ат дало
возможность получить в лабораторных
условиях еще большее увеличение
яркости и световой отдачи.
Световая отдача такой лампы дости-
гает 70—75 лм/вт. Однако конструкция
промышленных образцов такой лампы
встречает ряд препятствий, зависящих
от тяжелых температурных и механи-
ческих условий работы. Вместе с этим*
возрастают также и эксплуатационные
трудности, связанные с повышением
рабочего напряжения лампы и необхо?
димостью специальных устройств для
ее охлаждения..
26-2. Основные (виды ртутных ламп
сверхвысокого давления
Теоретические и эксперименталь-
ные данные показывают, что при по-
вышении плотности и давления ртут-
ных паров световые свойства разряда
претерпевают следующие изменения:
а) увеличивается световая отдача
в положительном столбе разряда;
б) увеличивается яркость;
в) улучшается цветность света,
приближаясь к цветности дневного
света.
При одной и той же величине плот-
ности и давления паров и постоянном
диаметре разрядной трубкц эти (изме-
нения протекают вместе с увеличением
мощности, приходящейся на 1 см дли-
ны столба.
В зависимости от давления паров
можно условно выделить следующие
области работы ламп.
I.	.Область работы лампы при дав-
лении паров 1 <р < 10 ат, характери-
зуемая малыми яркостями (В<
<5 000 сб) и средним током (длядан-
ного случая It — 1—8а и О< 113 в/см).
II.	Область работы при давлении
40<р<75шп со средними яркостями
(В = 25 000 — 50 000 с б) и большим то-
ком (для данного случая Ц = до 10 а
и G- 115— 170 в/см).
III.	Область при давлении р>75ат,
характеризуемая высокими яркостями
(В = 25 000— 180 000 сб) и малым то-
ком (в данном случае /;<1,5а).
Соответственно этому можно вы-
делить следующие группы ртутных
ламп сверхвысокого давления:
А. Лампы малой мощности, от 75
до 150 вт, с цилиндрической разряд-
ной трубкой и конвекционным охлаж-
дением ее окружающей средой для
рабочего напряжения сети U — 220 в
и напряжения на лампе Z7z = ПО —
190 в.
Давление ртутных паров от 20 до
35 ат.
Б. Лампы средней и большой мощ-
ности, от 250 до 5 000 вт, с шаровой
колбой и конвекционным охлаждением
ее окружающей средой для рабочего
232
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 26
напряжения сети U = 120 — 220 в и
напряжения на лампе U{ =70 — 90 в.
Давление ртутны'х паров от 35 до
50 ат.
В. Лампы средней и большой мощ-
ности, от 500 до 1 000 вт, с цилин-
дрической разрядной трубкой малого
диаметра и водяным ее охлаждением
для рабочего напряжения сети U =
= 120 —220 в и напряжения на лампе
и( = 400 — 800 в. Давление ртутных
паров от 75 до 120 ат.
Кроме этого для специальных це-
лей также изготовляются лампы, по
некоторым своим признакам выходя-
щие за пределы указанных выше вели-
чин, характеризующих данный тип.
26-3. Лампад сверхвысокого давления
малой мощности с естественным
охлаждением (трубчатой формы)
При конструировании ртутных
ламп малой мощности для получения
достаточно большой световой отдачи
необходимо пользоваться высокими
значениями градиента мощности й по-
тенциала, достигаемыми путем повы-
шения давления ртутных паров и
уменьшения диаметра разрядной
трубки. Последнее, кроме экономиче-
ских причин, оправдывается также и
с механической точки зрения, так как
трубки малого диаметра при одной и
той же величине внутреннего давле-
ния можно выполнять с более тон-
кими стенками.
Температурный режим лампы дол-
жен быть таковым, чтобы при макси-
мальной рабочей температуре по оси
трубки температура у ее стенок имела
бы такое значение, при котором не
снижались бы значительно механиче-
ские свойства, материала трубки и
внутренняя поверхность не подверга-
лись бы сильному воздействию нагре-
тых и ионизированных паров ртути.
Обычно нижним пределом температу-
ры у внутренней поверхности стенки
служит температура паров, насыщаю-
щих пространство при данном их дав-
лении.
Для, создания таких температурных
условий при данной величине удель-
ной мощности необходимо, чтобы рас-
сеяние тепла с внешней поверхности
трубки совершалось бы не только че-
рез излучение, но также и другими
возможными- способами. В лампах
малой мощности из этих способов ис-
пользуются обыкновенно теплопровод-
ность и свободная конвекция окру-
Конструкции ртутных ламп сверх-
высокого давления малой мощности
представлены на фиг. 26-1 и 26-2 и
были описаны ранее.
Кривые изменения электрических
и световых величин лампы в зависи-
мости от медленных изменений напря-
жения сети Ut приведены oia фиг. 26-6.
Малые лампы сверхвысокого дав-
ления могут выполняться в комбина-
ции с лампой накаливания. Такую
комбинацию можно осуществить пу-
тем заключения в общую колбу (обыч-
но матированную) разрядной трубки
ртутной лампы сверхвысокого давле-
ния и вольфрамовой нити накала W
так, как это показано на фиг. 26-7.
В этом случае вольфрамовая спи-
раль, включенная последовательно с
разрядной трубкой, выполняет роль
омического балластного сопротивле-
ния для газового разряда и одновре-
менно служит излучателем, дающим
дополнительное излучение в длинно-
волновой .части спектра. При исполь-
зовании колбы из увиолевого стекла
§ 26-4 ] ЛАМПЫ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ЕСТЕСТВЕННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
233-
свет такой лампы может быть приме-
нен для ряда биологических процессов.
Кроме улучшенной цветности света
комбинированная лампа имеет ряд
других эксплуатационных преиму-
ществ, к числу которых относятся:
возможность непосредственного (без
Фиг. 26-7.
добавочного сопротивления) включе-
ния в осветительную сеть, малая про-
должительность пускового периода
(3—4 мин.) и незначительное (от 1 до
2 мин.) время, необходимое для по-
вторного зажигания горячей лампы
после ее потухания.
26-4. Лампы сверхвысокого давления
средней и большой мощности
с естественным охлаждением
(шарообразной формы)
Увеличение мощности и светового
потока ртутных ламп сверхвысокого
давления с естественным — конвек-
ционным охлаждением возможно осу-
ществить путем увеличения тока лам-
пы при сохранении достаточно высо-
кого давления паров. Связанное с этим
увеличение удельной мощности, выде-
ляющейся в разряде, требует для уста-
новления правильного температурного
режима Соответствующего повышен-
ного охлаждения лампы, что и дости-
гается увеличением поверхности колбы
путем изменения ее формы с трубча-
той на шарообразную. Конструкция
такой лампы приведена на фиг. 26-3.
Светящийся разряд имеет здесь вид
короткого контр агиров а иного столба,
формирование которого в сильной сте-
пени зависит от конвекционного
охлаждения окружающей столб газо-
образной среды. Яркость такого столба
достигает в больших лампах 70 000 сб.
Согласно опытам по исследованию»
влияния конвекции на условия кон-
трагирования разряда, произведенным
Г. Н. Рохлиным, высокое значение
яркости разряда при наличии широкой
колбы объясняется здесь благоприят-
ными условиями развития конвекции,
ведущей к сильному контрагированию
разряда.
Благодаря тому что напряжение
на лампе Ut во время нормальной ра-
боты не превосходит 70—90 в, а на-
пряжение зажигания Uz равно 120 —
150 в, лампу можно включать в сеть
220 в последовательно с омическим
или индуктивным сопротивлением, ко-
торое желательно выполнять регули-
руемым. Последнее дает возможность
сократить длительность пускового
периода, который при постоянной нор-
мальной величине сопротивления про-
должается около 10 мин. Для облег-
чения зажигания разряда иногда при-
Таблица 26-1
Типы ламп	Лампа	Лампа	Лампа
	СВДШ-250	СВДШ-500	СВДШ-1000
Мощность лампы	вт		250	500	500
Напряжение на лампе	в		72	75	90
Напряжения сети	в		220	220	220
Ток при включении /,	„ , а	 г	1(наиб) Световой поток Fz, лм		10	13	20
	10 000	22 500	50 000
Яркость Bz, сб		15 000	16 000	16 000
Время разогревания	мин		15 ‘	10	15
Срок службы, часы		100	100	100
234
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С ПАРАМИ РТУТИ
[гл. 26
меняются также индукционные аппа-
раты или в конструкцию лампы вводят
третий — зажигательный электрод.
Повторное зажигание нагретой
лампы в нормальной схеме наступает
после достаточного . ее охлаждения,
продолжающегося около 10—15 мин.
Электрические и световые харак-
теристики, а также срок службы шаро-
образных ламп сверхвысокого давле-
ния производства Московского элек-
тролампового завода (СВДШ-250,
СВДШ-500, СВДШ-1000) приведены в
табл. 26-1.
26-5. Лампы сверхвысокого давления
средней и большой мощности
с водяным охлаждением
(трубчатой формы)
Повышение яркости источника све-
та, как уже указывалось, может быть
достигнуто увеличением его световой
мощности и уменьшением размеров
излучателя. В ртутных лампах сверх-
высокого давления это может быть
осуществлено наиболее эффективно за
счет повышения величины удельной
мощности и температуры разряда при
одновременном уменьшении диаметра
разрядной трубки. Так как указанные
изменения основных параметров раз-
ряда и лампы связаны с сильным уве-
личением выделения тепла в разряде
и на поверхности трубки, то есте-
ственного ее охлаждения путем излу-
чения, теплопроводности и конвекции
будет уже недостаточно и необходимо
добавочное охлаждение, которое осу-
ществляется наиболее целесообразно
помещением разрядной трубки в среду
проточной воды. Такой способ охлаж-
дения, естественно, налагает свои
условия как на конструкцию лампы,’
так и на режим ее работы.
Современные ртутные лампы сверх-
высокого давления с водяным охлаж-
дением, применяемые главным обра-
зом для прожекторных, проекционных
и фотохимических целей, изготовляют-
ся мощностью от 500 до 1 000 вт при
рабочем напряжении на лампе от 400
до 800 в. Лампы могут быть предна-
значены для работы в сетях постоян-
ного и переменного тока; соответствен-
но этому изменяются схема включе-
ния лампы в сеть и способ зажигания
разряда.
Лампа сверхвысокого давления с
водяным охлаждением состоит из
кварцевой разрядной трубки, заклю-
ченной в металлический или стеклян-
ных кожух, служащий камерой, через
которую протекает охлаждающая
трубку вода; общий вид одной из та-
ких ламп был приведен на фиг. 26-5.
Разрядная трубка лампы с водя-
ным охлаждением выполняется из
кварца и имеет форму, представлен-
ную на фиг. 26-4. При расчете охлаж-
дения вопрос обычно разрешается
соответствующим подбором количе-
ства протекающей в единицу времени
воды, ее температуры и скорости про-
текания у стенок разрядной трубки;
скорость эта должна быть достаточной,
чтобы предотвратить образование па-
ра. Выбор системы изоляции должен
быть произведен из соображений пре-
дохранения вводов от действия элек-
тролиза и соблюдения мер безопасно-
сти по отношению к высокому напря-
жению.
Наиболее простой и удовлетворяю-
щей обоим требованиям схемой яв-
ляется схема с изоляцией одного вво-
да трубки от охлаждающей воды и
соединением другого электрода с за-
земленной камерой лампы и ' зазем-
ленным полюсом трансформатора.
Высокое рабочее напряжение ламп
сверхвысокого давления с водяным
охлаждением при работе их на пере-
менном токе вызывает необходимость
его трансформации до величины, необ-
ходимой для зажигания разряда и
дальнейшей стабилизации на уровне
нормального напряжения лампы. Для
достижения этого наиболее рациональ-
ной является схема включения лампы
в сеть с помощью’ трансформатора
с рассеянием.
Схемы включения ртутных ламп
сверхвысокого давления с водяным
охлаждением в сеть постоянного тока
отличаются большой сложностью, так
как в этих случаях, кроме необходи-
мых стабилизирующих омических со'1
противлений, они должны содержать
приспособления для зажигания раз-
ряда (импульсный контур), а также
регулирующие устройства, позволяю-
$ 26-5]
ЛАМПЫ СРЕДНЕЙ И БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ С ВОДЯНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
235
щие от руки изменять общее сопро-
тивление в цепи лампы в момент ее
разгорания.
Спектр ртутных ламп сверхвысо-
кого давления с водяным охлаждением
характеризуется наличием уширенных
линий, свойственных ртути, перекры-
ваемых интенсивным сплошным фо-
ном.
Наряду с возрастанием интенсив-
ности сплошного фона относительная
интенсивность спектральных линий
изменяется; вместе с этим изменяется
и цветность света, приближаясь
к цветности дневного белого.
Лучистый поток ртутных ламп
сверхвысокого давления с водяным
охлаждением ориентировочно распре-
деляется по различным областям
спектра следующим образом:
в ультрафиолетовой области из-
лучается .................	около 46%
в видимой области.............’	„	27%
б инфракрасной................ „	27%
Всего........... 100%
Необходимо указать, что состав
излучаемого лампой потока может
изменяться в зависимости от величины
поглощения различных излучений стек-
лом охлаждающей камеры и водой.
По отношению к ультрафиолету глав-
ное значение имеет поглощение его
•стеклом, в то время как присутствие
воды оказывает влияние главным
образом на поглощение инфракрасных
излучений с длиной волны X >
Z> 15 000 А. Поэтому при желании
использовать ближний и дальний
ультрафиолет окно охладительной ка-
меры должно выполняться из увиоле-
вого стекла или кварца.
Среди процессов нестационарного,
характера,- встречающихся в эксплуа-
тации ртутных ламп сверхвысокого
давления с водяным охлаждением,
наиболее важное значение имеет про-
цесс зажигания, развития и стабили-
зации разряда. По сравнению с ра-
нее рассмотренными типами ламп
в данном случае этот процесс сопря-
жен с известными трудностями, яв-
ляющимися следствием интенсивного
режима лампы и высокого рабочего
давления ртутных паров при малом
объеме разрядного пространства. Так
как разряд ламп с водяным охлажде-
нием протекает в атмосфере насыщен-
ных ртутных паров и возрастание их
давления не ограничивается здесь до-
зировкой ртути, то параметры элек-
трической цепи лампы, определяющие
величину подводимой к ней мощности
и условия охлаждения лампы, должны
быть строго подобраны.
В случае подведения при зажига-
нии лампы излишне большой мощно-
сти (большое напряжение холостого
хода, малая величина стабилизирую-
щего сопротивления) или недостаточ-
ном охлаждении давление паров в
лампе может возрасти до очень высо-
ких пределов, следствием чего может
быть разрушение разрядной трубки.
Наоборот, при малой величине подво-
димой мощности (малое напряжение
холостого хода, большое стабилизи-
рующее сопротивление) или интенсив-
ном охлаждении лампа может не раз-
гореться.
Характерной особенностью выше-
описанного процесса является также
весьма короткое время разогревания
лампы — около 1 сек. (против 2—
5 мин. в случае ламп с воздушным
охлаждением), затрудняющее регули-
ровку режима в процессе быстрого
ее разогревания. Поэтому при за-
жигании лампы целесообразно поль-
зоваться ступенчатым выключением
ряда добавочных сопротивлений, по-
следовательно включенных в цепь
лампы.
Процесс изменения электрических
и световых характеристик ртутной
лампы сверхвысокого давления с во-
дяным охлаждением, работающей на
переменном токе, в зависимости от
изменения напряжения сети представ-
лен кривыми фиг. 26н8.
При сравнении кривых фиг. 26-8
с кривыми для ламп сверхвысокого
давления малой мощности, изобра-
женными на фиг. 26-6, можно отме-
тить различный ход кривых напряже-
ния на лампе Ul и тока //, в том и
другом случае это объясняется более
интенсивным изменением давления
у ламп с водяным охлаждением, рабо-
тающих при всех режимах с насыщен-
ным состоянием ртутных паров.
236
ЛАМПЫ С АМАЛЬГАМАМИ И ПАРАМИ ДРУГИХ МЕТАЛЛОВ
[гл. 27
Таблица 26-£
Род лампы	Световой по- ток. 4JH	Яркость, сб	Плотность тока, afсм*	Световая от- дача, лм!вт	Срок службы, часы
Ртутная лампа сверхвысо- кого давления с естественным охлаждением трубчатой фор- мы 		3 ООСЦ-5 ООО	1 0004-1 300	2,0-3,0	.40,04-42,0	2 000
Ртутная лампа сверхвысо- кого давления с естественным охлаждением шарообразной формы			12 500—27 500	25 0004-65 000	265—550	45,04-55,0	100-500
Ртутная лампа сверхвысо- кого давления с водяным охлаждением		30 0004-50 000	30 000 ч-100 000	40,04-200,0	60,04-65,0	25—500
Области применения ртутных ламп
сверхвысокого давления с водяным
охлаждением определяются тремя
Фиг. 26-8.
главными их характерными особенно-
стями: высоким значением яркости,
большой актиничностью и малым ко-
личеством тепла, выделяемого лампой.
Высокое значение яркости лампы
делает ее пригодной для применения
в прожекторных установках как в оди-
ночном, так и в групповом использо-
вании. В последнем случае применя-
ются две-три лампы, расположенные
параллельно в одном прожекторе. Для
уменьшения взаимного нагревания
между отдельными лампами поме-
щаются экраны из стекла, поглощаю-,
щего ультрафиолетовые излучения.
Богатство света ламп голубыми
излучениями и длинноволновым
ультрафиолетом открыло им примене-
ние для фотохимических целей, как,,
например, для фотосъемок и свето-
копирования. Кроме уменьшения экс-'
позиции при применении этих ламп,,
уменьшается нагрев освещаемых по-
верхностей. Причиной последнего яв-
ляется то обстоятельство, что за выче-
том около 35% энергии, излучаемой
в видимой части спектра и ближнем
ультрафиолете, остальная часть энер-
гии отводится охлаждающей водой.
Средние величины электрических и*
световых характеристик ртутных ламгг
сверхвысокого давления различных:
типов приведены в табл. 26-2.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ СЕДЬМАЯ
ЛАМПЫ С АМАЛЬГАМАМИ И ПАРАМИ ДРУГИХ МЕТАЛЛОВ
27-1. Обзор развития ламп
с амальгамами и другими металлами
а)	Газосветные лампы с
амальгамами различных
металлов. Ртутные лампы .сверх-
высокого давления являются наибо-
лее экономичными из источников све-
та с цветностью света, близкой к цвет-
ности дневного света. Попытки исправ-
ления цветности света ртутных лампг
однако, производились и ранее приме-
нения сверхвысоких давлений. Первым
§ 27-1 ]
ОБЗОР РАЗВИТИЯ ЛАМП С АМАЛЬГАМАМИ И ДРУГИМИ МЕТАЛЛАМИ
237
путем в этом направлении было ис-
пользование в качестве катода ртут-
ной лампы не чистой ртути, а соеди-
нений ее с другими металлами и в
первую очередь, ртутных амальгам.
Применение амальгам в жидком виде
имело то преимущество, что в этом
случае сохранялись все удобства наи-
более распространенного в первых
ртутных лампах контактного способа
зажигания разряда.
. Для исправления цветности света
ртутного разряда могли применяться
металлы, спектр которых содержит
интенсивные оранжево-красные и крас-
ные линии. Кроме того, для получения
в разрядной трубке при нормальной
рабочей температуре лампы достаточ-
ной плотности паров металла было
необходимо, чтобы этот металл обла-
дал соответствующей температурой
плавления и упругостью паров.
Из других свойств металла очень
важным является его малая химиче-
ская активность по отношению к мате-
риалу разрядной трубки — стеклу или
кварцу.
Первые попытки применения
амальгам для улучшения цветности
стеклянных ртутных ламп низкого дав-
ления были сделаны в период 1896—
1904 гг. Они относились к амальгамам
из щелочных металлов натрия и калия,
кадмия, серебра, олова и легкоплав-
кого сплава Вуда. Однако малая тер-
мическая, а в некоторых случаях и
химическая стойкость стекла, приме-
нявшихся данными исследователями,
послужила препятствием для успеш-
ного разрешения поставленной ими
задачи.
С введением в технику изготовле-
ния ртутных ламп из кварца предста-
вилась возможность устранить эти
трудности. В 1905 г. началось при-
менение в кварцевых лампах амаль-
гам, содержащих металл с высокой
точкой испарения и ртуть (например,
98% Hg и 2% Cd). Металл, в данном
случае кадмий, мог применяться так-
же и в виде сплава его с другими, ме-
нее летучими металлами, например
с оловом.
Вслед за этим в 1906 г. стали
применять амальгаму из 77% Zn и
23%' Hg с добавлением около 10%
общего веса Na и Bi. Добавление этих
металлов имело своей целью компен-
сировать интенсивную красную линию
цинка 6 364 А для получения бо-
лее белого света. Висмут, кроме того,
давал возможность избежать растре-
скивания кварцевой колбы при затвер-
девании амальгамы.
В 1912 г. появилась кварцевая
лампа с кадмиевой амальгамой, со-
держащей в зависимости от формы и
величины лампы от 97 до 90% Cd.
В различных конструкциях ламп с ка-
тодом, состоявшим из амальгам, анод
выполнялся или из амальгамы, или из
графита. При исправленной цветности
света лампа имела световую отдачу,
приблизительно равную световой отда-
че ртутной лампы низкого давления.
В процессе усовершенствования
ламп с парами ртути и прочих метал-
лов делались также попытки приме-
нения других их соединений, напри-
мер смесь хлористых соединений таких
металлов, как цинк, кальций, таллий,
литий и цезий.
б)	Газосветные лампы с
парами металлов. Попытки
применения в чистом виде металлов,
обладающих более высокими темпера-
турами кипения, чем ртуть, как Cd,
Zn, К, Rb и Cs, находящихся при нор-
мальной комнатной температуре в
твердом состоянии, могли увенчаться
успехом лишь после введения в тех-
нику изготовления ламп плавленого
кварца и специальных тугоплавких
стекол.
В зависимости от рода применяв-
шегося материала во время работы
вводы и электродные камеры охлажда-
лись водой или обычным способом,
принятым для кварцевых ламп с ртут-
ным катодом. Ввиду малой упругости
паров исследуемых материалов для
зажигания лампы и развития дугового
разряда при включении в сеть по-
стоянного тока трубка и электроды
сильно прогревались газовой горелкой
п . разряд возбуждался с помощью
индукторов.
Из перечисленных выше металлов,
подвергнутых исследованию, практи-
ческое применение пока получили два
металла: кадмий и цинк. Кроме этих
металлов, в дальнейшем были исследо-
238
ЛАМПЫ С АМАЛЬГАМАМИ И ПАРАМИ ДРУГИХ МЕТАЛЛОВ
[гл. 27
ваны и другие металлы, из которых
наилучшие результаты и более широ-
кое применение получил натрий.
27-2. Лампы с парами кадмия,
цинка и таллия
Первое применение кадмия и цин-
ка в газосветных лампах было связано
с улучшением цветности света ртутных
ламп путем использования названных
металлов в виде амальгам. Однако эти
металлы по своим спектральным и тер-
мическим свойствам могут иметь в га-
зосветных лампах и самостоятельное
значение.
При низком давлении паров цвет-
ность света, испускаемого кадмием,
характеризуется преобладанием излу-
чаемой энергии в сине-зеленой части
спектра. Соответственно при высоких
давлениях у кадмия наблюдается по-
вышение излучения в зеленой и крас-
ной части за счет понижения в синей.
В случае цинка при повышении давле-
ния наблюдается резкое увеличение
излучения в желтой и зеленой части
за счет красной и синей. Как общее
правило, для обоих металлов при по-
вышении давления паров световая
отдача увеличивается.
Современное конструктивное вы-
полнение ламп с парами кадмия и цин-
ка при низком давлении аналогично
конструкции малых натриевых ламп
подобно указанной на фиг. 24-4 и
24-5. Такие лампы выполняются из
обыкновенного или увиолевого стекла.
Малые лампы низкого давления, пред-
назначенные, например, для спектраль-
ных работ, состоят из разрядной труб-
ки диаметром Dt = 15—18 мм и дли-
ной около 60 мм с расстоянием между
электродами I = 35—40 мм, помещен-
ной в вакуумную рубашку. Лампа
включается в цепь переменного тока
последовательно с сопротивлением и
работает при токе 2,0 а. Зажиганйе
производится путем замыкания цепи
электродов специальным рубильником
и последующего его размыкания по
истечении времени в 0,5—1,0 мин.,
необходимого для разогревания оксид-
ных катодов.
Лампы низкого давления большей
мощности питаются от специального
трансформатора, имеющего отдельную
обмотку для питания катодов; для;
этих ламп ток достигает 8,0 а при на-
пряжении на лампе около 22 в? В за-
висимости от мощности световая отда-
ча при низком давлении составляет
для кадмиевых ламп от 2,5 до 3,6 лм/вт
и соответственно для ламп с парами
цинка — от 1,5 до 3,0 лм/вт. Свето-
вая отдача кадмиевых и цинковых
ламп низкого давления достигает свое-
го максимума при мощности лампы
около 140—150s вт.
Лампы с парами кадмия и цинка
высокого давления (р — 200—800 мм
рт. ст.) могут быть изготовлены из
специального тугоплавкого стекла или
кварца. По своему внешнему виду и
конструкции лампы эти напоминают
кварцевые ртутные лампы.
Трубка наполняется инертным га-
зом при давлении в несколько милли-
метров ртутного столба и в нее вво-
дится некоторое, дозированное, коли-
чество кадмия или цинка с таким рас-
четом, чтобы при нормальном рабочем
режиме давление в лампе было равно»
около 1 ат.
Так как рабочее напряжение на
лампах обычно составляет около 120 е9
то лампа может быть включена в сеть
переменного тока 220 в последова-
тельно с дросселем? Для зажигания
лампы подобно ртутным кварцевым
лампам типа ПРК схема включения
должна содержать конденсаторный
контур.
В связи с высокими температура-
ми плавления и возгонкой кадмия и
цинка длительность пускового перио-
да ламп с парами этих металлов зна-
чительно превышает таковую для ртут-
ных ламп. Так, для кадмиевой лампы
в 460 вт она достигает 20—30 мин., и
повторное зажигание горячей лампы
при нормальном ее охлаждении де-
лается возможным лишь по истечении
15—20 мин.
Основные электрические и световые
характеристики лампы с парами кад-
мия КК-1, разработанной Московским
электроламповым заводом, приведены
в табл. 27-1.
Спектральный состав излучения
лампы с парами кадмия очень богат
линиями в видимой, ультрафиолетовой
и инфракрасной частях спектра, при-
§ 28-1 ]
ОБЗОР ПРИМЕНЕНИЙ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ
239
Таблица 27-1
Тип лампы	КК-1
	460
Мощность лампы вт ....	
Напряжение, в:	
а) лампы Ut		120
б) зажигания разряда, Uz . .	600—1 200
Ток, а:	
а) при установившемся ре-	
жиме, 		4,55
б) при пуске 1наиб		8,75
Коэффициент искажения	0,84
Световой поток Fj, лм		6 000
Световая отдача Н;, лм/вт . . .	13,0
Время разгорания t(HaU6p мин. .	20
Давление паров р, мм рт. ст. . .	200—800
чем относительное распределение энер-
гии в различных участках спектра в
сильной степени зависит от рабочего
давления паров кадмия. Кроме того,
подобно ртутному разряду по мере
увеличения давления спектр перекры-
вается сплошным фоном.
Соответственно изменению давле-
ния паров металла изменяются также
цветность света разряда и световая
отдача лампы. Величина световой
отдачи в лампах высокого давления
достигает 20,0 лм/вт для’ кадмия и
около 10,0 лм/вт для цинка. Такой же
высокой световой отдачей, достигаю-
щей 10,0 лм/вт, обладает и излуче-
ние таллия. Лампа с парами таллия
имеет зеленый цвет свечения.
В светотехнике лампы с парами
кадмия и цинка могут применяться
для улучшения цветности света ртут-
ных ламп как в виде амальгам, так и
путем использования комбинирован-
ных источников света.
27-3. Лампы с парами калия,
рубидия и цезия
Из других металлов щелочной груп-
пы, кроме натрия, нашедших примене-
ние для изготовления газосветных
ламп, можно указать на калий, даю-
щий темносинее, рубидий — фиолето-
вое и цезий — синее свечение.
Характерной особенностью этих
металлов, в особенности двух послед-
них, является наличие богатого ре-
комбинационного спектра, позволяю- <
щего при некоторых условиях разряда
(температура, давление газа) полу-
чать свет, по своему составу близкий
к дневному свету.
Есть данные, указывающие на то,
что цезий при высоком давлении паров
может дать световую отдачу до
180 лм/вт при цветовой температуре
около 5 000° К. Однако реальное осу-
ществление этой задачи затрудняется
способностью паров цезия воздейство-
вать на стенки колбы при высоких
температурах разряда.
Цезиевые лампы могут быть вы-
полнены мощностью от 50 до 500 вт.
Лампы в 100 вт работают при напоя-
жении на лампе 17,5 в и токе 5,0—
5,5 А. Длина дуги такой лампы 8 см
и внутренний диаметр трубки 35 мм.
Рабочая температура трубки около
300° С, что соответствует давлению па-
ров цезия около 2 мм рт. ст. Режим
лампы в 500 вт соответственно 50 в
при токе в 8—10 а; длина дуги 40 см
и внутренний диаметр трубки 50 мм.
Лампа имеет вольфрамовые оксидные
электроды, и внутренняя поверхность
разрядной трубки покрывается во из-
бежание взаимодействия паров цезия
со стеклом защитным слоем из спе-
циального стекла.
Срок службы лампы составляет
100—200 час.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ВОСЬМАЯ
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
28-1. Обзор применений
фотолюминесценции
для усовершенствования источников
света
Годом открытия явления фотолю-
минесценции твердых тел считается
1602-й, когда в окрестностях Болоньи
был найден минерал, содержащий
сульфид кальция и бария, который
после прокаливания с угольным по-
рошком и пребывания на дневном
свету” сам светится в темноте.
Свойства «болонского камня» ста-
ли вскоре широко известными, и к
240
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[ гл. 28
161.2 г. относится первое письменное
сообщение о нем, в котором указы-
валось, что такие светящиеся болон-
.ские камни показывал Галилей.
До конца XVIII столетия, однако,
открытие явления фотолюминесценции
не вызывало планомерного изучения,
хотя за этот период были открыты
другие вещества, обладающие подоб-
ными свойствами, а также разрабо-
таны способы синтетического получе-
. ния люминофоров.
В 1669 г. был открыт элемент фос-
фор и явления его свечения. Как
известно, это явление также принад-
лежит к категории люминесценции, но
имеет другую причину свечения, за-
ключающуюся в медленном окислении
фосфора на воздухе. Внешее сходство
явлений свечения «болонского камня»
и фосфора дало повод первым иссле-
дователям отнести фосфор к разряду
«светящихся камней», и в связи с
этим слово фосфор (сршосроро^ —све-
тоносный) получило распространение
как термин, определяющий понятие
твердого люминофора.
К концу XVIII в. были начаты ра-
боты по установлению самой природы
свечения люминесценции. Срёди этих
работ в первую очередь необходимо
отметить ряд исследований В. В. Пет-
рова, опубликованных им в 1801 г.
Исследования В. В. Петрова отно-
сятся к фосфорам органического и не-
органического происхождения и содер-
жат результаты его наблюдений о
влиянии температуры на свечение фос-
фора в среде атмосферного воздуха- и
его выводы о природе свечения раз-
личных веществ.
В течение XIX в. введением в
науку систематических исследований и
точных количественных опытов была
подготовлена почва для дальнейшей
разработки вопроса о природе и зако-
номерностях различных видов люми-
несценции.
Позднейшие успехи в изучении лю-
минофоров являются результатами ис-
следований, произведенных в течение
последних десятилетий.
В процессе этих исследований бы-
ли открыты многочисленные явления
холодного свечения вещества под воз-
действием различных факторов и в
связи с этим наука и техника обога-
тились новыми представителями орга-
нических и неорганических люминофо-
ров в различных агрегатных состоя-
ниях.
Среди работ последнего периода
необходимо отметить работы, посвя-
щенные твердым люминофорам, акти-
вированным редким землям. В обла-
сти исследования люминесценции рас-
творов главные работы последнего
времени принадлежат в Советском
Союзе академику С. И. Вавилову и
В. Л. Левшину.
Наряду с экспериментальными ис-
следованиями люминофоров в послед-
нее время выполнены также работы,
посвященные общим вопросам люми-
несценции и увязке экспериментальных
данных с современными физическими
теориями.
К числу таких работ принадлежат
работы академика С. И. Вавилова по
выяснению основных явлений люми-
несценции. До использования явления
фотолюминесценции в области усовер-
шенствования источников света при-
менение люминофоров ограничивалось
изготовлением светящихся цифербла-
тов, лимбов и шкал для часов, компа-
сов и различных приборов. Кроме то-
го, со времени открытия явлений .ра-
диоактивности, а также катодных и
рентгеновых* лучей люминофоры на-
шли свое применение при изготовле-
нии светящихся экранов, служащих
для обнаружения и визуальной реги-
страции этих явлений в многочислен-
ных типах специальных приборов.
Первое применение люминесцирую-
щих веществ совместно с газосветной
лампой на практике было осуще-
ствлено в 1902 г. для улучшения цвет-
ности света ртутных ламп. В качестве
люминофора был использован рода-
мин, дающий под влиянием коротко-
волновых ультрафиолетовых излуче-
ний красное флюоресцирующее свече-
ние, дополняющее нормальный «свето-
вой поток ртутного разряда.
Исследования по применению лю-
минофоров в газосветных трубках во-
зобновились в 1932—1937 гг. в связи
с повышением интереса к источникам
света газового разряда и разработкой
новых типов газосветных ламп и тру-
§28-2]
ЛЮМИНОФОРЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
241
бок с благородными — перманентными
газами и парами металлов.
Работы этого периода характери-
зуются изучением свойств газового
разряда и параллельными исследова-
ниями в области люминофоров, позво-
лившими создать ряд комбинаций
люминесцентных ламп с неоном и па-
рами ртути, в которых наряду с полу-
чением желаемой цветности света уда-
лось значительно повысить световую
отдачу ламп.
У нас в Советском Союзе работы по
применению люминофоров для улуч-
шения цветности и световой отдачи
ртутных ламп проводились в лабора-
ториях Московского электролампового
завода с 1935 г. при консультации по
люминофорам Физического института
Академии наук (ФИАН).
Часть работы, связанная с испыта-
нием сернистых фосфоров, изготовлен-
ных в Институте редких металлов, про-
водилась в электровакуумной лабора-
тории Московского энергетического
института имени В. М. Молотова. В ре-
зультате этих работ был выполнен
образец фотолюминесцентной лампы
с аргонно-ртутным наполнением при
низком давлении паров и холодным
катодом.
С 1938 г. работы по фотолюминес-
центным лампам в более широком
масштабе были поставлены во Все-
союзном электротехническом институ-
те (ВЭИ) в сотрудничестве с ФИАН.
Работы ВЭИ закончились разработкой
первых лабораторных образцов совре-
менных ламп.
В течение Великой Отечественной
войны сотрудниками Московского
электролампового завода непрерывно
продолжалась большая работа по
разработке методов массового изготов-
ления фотолюминесцентных ламп, по-
ложившая начало их промышленного
выпуска в СССР.
28-2. Люминофоры и их характеристики
Термин фотолюминесценция вы-
ражает собой понятие, объединяющее
все явления излучения света веще-
ством за счет энергии падающих на
него электромагнитных излучений.
Эти явления условно делятся на
две категории: флюоресценцию и фос-
16 АП. Иванов.
форесценцию, различающиеся между
собой соответственно отсутствием или
наличием заметного остаточного све-
чения после устранения первичной
причины, вызвавшей данный акт фото-
люминесценции. Такое деление, одна-
ко, нельзя считать достаточно строгим,
так как в действительности нельзя
провести границы между обоими эти-
ми явлениями. Условно принимается,
что к категории флюоресценции при-
надлежат явления с длительностью
остаточного свечения т 10-6—10-9
сек. и к категории фосфоресценции —
с длительностью свечения 0,1 сек.
Во всех случаях фотолюминесцен-
ции имеет место правило, согласно
которому длина волны люминесценции
всегда больше, чем длина волны элек-
тромагнитных излучений, вызвавших
процесс люминесценции.
Явление фотолюминесценции на-
блюдается у ряда газов, жидкостей и
твердых тел, носящих общее название
люминофоров.
Твердые, кристаллические люмино-
форы имеют наибольшее применение
в технике изготовления фотолюминес-
центных газосветных трубок и исполь-
зуются для увеличения световой отда-
чи и улучшения цветности света газо-
светных трубок.
Во всех этих случаях люмино-
фор должен обладать следующими
свойствами:
1.	Люминофор должен обладать
полосами возбуждения в области
спектра интенсивного излучения пер-
вичного источника. При этом особен-
но выгодным является использование
невидимых ультрафиолетовых излуче-
ний источника.
2.	Спектральные характеристики
самого люминофора, определяемые
распределением полос люминесценции,
должны соответствовать поставленным
требованиям в смысле получения
нужного спектрального состава источ-
ника света в целом.
3.	Поглощение видимого света
‘люминофором должно быть минималь-
ным или обладать селективным харак-
тером, способствующим получению
нужной цветности света.
4.	Люминофор должен обладать
достаточной стабильностью действия
242
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 28
при данных рабочих условиях облуче-
ния: стойкостью против действия вы-
сокой температуры и электрических
процессов бомбардировки заряженны-
ми частицами, а также обладать, по
возможности, малым выцветанием под
действием падающих на его поверх-
ность излучений.
Из люминофоров, применяемых
Для улучшения световой отдачи и цвет-
ности газосветных ламп, в настоящее
время наиболее часто используются
порошкообразные кристаллические лю-
минофоры. Частица такого люмино-
фора, представляющая собой центр,
фотолюминесценции, состоит из трех
компонент: а) основного вещества,
определяющего спектр поглощения
люминофора; б) , активатора, добав-
ляемого в весьма малых количествах
(до 1%) к основному и необходимого
для возбуждения свечения; в) плавня,
способствующего образованию слож-
ных кристаллов люминофора и обеспе-
чивающего тесное взаимодействие
первых двух составных его частей.
Порошкообразные кристаллические
люминофоры получаются искусственно
путем сплавления указанных выше
трех составных частей и прокаливания
их при высоких температурах от 900
до 1 500° С. Для достижения макси-
мального выхода фотолюминесценции
соответственно рецепту изготовляемо-
го люминофора температура, а также
время прокаливания должны быть
точно установлены.
В качестве основного вещества при-
меняются: окисли металлов СаО,
MgO, SrO; соли кислот (силикаты)
ZnSi2Os (мезодисиликат цинка),
ZnSiO3 (метасиликат цинка), Zn2SiO4
(ортосиликат цинка, или виллемит),
Cd2SiC>4 (силикат кадмия); вольфра-
маты CaWO4 (вольфрамат кальция),
MgWO4 (вольфрамат магния) и др.;
сернистые соединения (сульфиды)
ZnS, CaS, SrS, BaS, MgS и селени-
стые соединения (селениды) CaSe
SrSe и MgSe, а также смеси указан-
ных веществ.
Активаторами служат обычно тя-
желые металлы: Си, Ag, Мп, Bi или
редкие земли Sm (самарий) и Рг (пра-
зеодим). Для обеспечения равномер-
ного распределения незначительных
количеств активатора в массе состава
его вводят в состав в виде раствора
какой-либо соли перед прокаливанием
люминофора.
В качестве плавня обычно служат
легкоплавкие соли: NaCI, CaF2,
Na2B4O7 и др. Так как от природы
плавня зависит интенсивность отдель-
ных полос фотолюминесценции, то род
применяемого плавня наряду с основ-
ным веществом и активатором оказы-
вает влияние на цветность свечения
люминофора.
Сокращенное обозначение люмино-
форов, применяемое на практике,
обычно содержит указание на род
основного вещества и активатора, а
иногда также и плавня: на первом
месте пишется химическая формула
основного вещества и на втором —
активатора. Так, формула виллемито-
вого люминофора Zn2SiO4(Mn) обо-
значает, что основным веществом его
‘служит ортосиликат цинка, или вилле-
мит, Zn2SiO4 и активатором — марга-
нец Мп.
Люминофоры, применяемые в со-
временных фотолюминесцирующих
лампах с парами ртути, имеют состав,
цветность и расположение полос по-
глощения и излучения, указанные в
табл. 28-1.
Путем соответствующего комбини-
рования различных люминофоров мож-
но получить самые разнообразные цве-
та свечения до белого и дневного света
включительно.
Влияние температуры на интенсив-
ность свечения люминофоров в пре-
делах 0—100° С невелико, хотя при
дальнейшем повышении температуры
наблюдается быстрое падение интен-
сивности свечения.
В тех случаях, когда применение
люминофоров ограничивается тяжелы-
ми . температурными условиями, в ко-
торых работает ртутная лампа (напри-
мер, в лампах высокого давления),
люминофоры должны наноситься на
стенки внешней рубашки, температура
которой может быть понижена соответ-
ствующим выбором размеров и фор-
мы наружной колбы.
Нанесение люминесцирующих по-
рошков на стенки трубки может про-
изводиться тремя способами:
§28-3] ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ СВЕТОВОЙ ОТДАЧИ
243
Таблица 28-1
Состав люминофора	Основной цвет свечения	Полосы поглощения		Полосы излучения	
		Пределы длин волн, А	Длина волны о макс., А	Пределы длин волн, А	Длина волны о макс., А
Са WO4 (Мп)	Синий	2 200—3 000	2 720	3800—7 0С0	4 400
Mg WO4	Сине-белый	2 200—3 200	2 850	3800—7 200	4 800
Zn SiO2 (Мп)	Зеленый	2 200—2 960	2 537	4 500—6 200	5 250
(Zn—Be) SiO3 (Mn)	Желто-белый	2 200—3 000	2 537	4 500—7 200	5 900
Cd SiO3 (Mn)	Желто-розовый	2 200—3 200	2400	4 300—7 200	5 950
Cd B2O5 (Mn)	Розовый	2 200—3 600	2 500	4 000—7 200	6 150
Zn S (Cu)	Зеленый	2 400—4 400	3 600—4 300	4 700—6 200	5 400
Zn Cd S (Cu)	Желто-зеленый	2 400—4 400	3 600-4 300	5 100—6 700	6 800—5 900
а)	из суспензии в спирту с клея-
щим веществом;
б)	путем продувания порошка че-
рез трубку, стенки которой смочены
клеящим составом;
в)	путем встряхивания трубки с
такими же стенками, наполненной по-
рошком.
Применение разрядных трубок из
фотолюминесцирующего стекла пред-
ставляет собой одно из удачных реше-
ний вопроса, в особенности в тех слу-
чаях, где использование порошко-
образных люминофоров почему-либо
встречает затруднения (узкие трубки,
неблагоприятные температурные усло-
вия). Однако в связи с рядом техни-
ческих трудностей при изготовлении
такого стекла, меньшим разнообра-
зием в цветности получаемой фотолю-
минесценции и большой дороговизной
производства специальных стекол этот
способ пока не получил такого широ-
кого применения, как способ исполь-
зования порошкообразных люминофо-
ров.
28-3. Применение фотолюминесценции
для увеличения световой отдачи
и улучшения цветности ртутных ламп
а) Эффективность исполь-
зования фотолюминесцен-
ции в ртутных лампах. При
оценке световых свойств излучения
ртутного разряда при низком давле-
нии паров можно видеть, что световая
отдача излучения достигает значения
Низ = 65 лм/вт, в то время как в прак-
тических образцах ртутных ламп дан-
ного типа световая отдача лампы не
превышает 25 лм/вт. Вместе с этим
16*
ртутный разряд при низком давлении
обладает резко выраженной сине-зеле-
ной цветностью свечения, делающей
его непригодным для применения в
осветительных установках.
Для разрешения задачи улучшения
цветности ртутного разряда вместе с
увеличением световой отдачи лампы $
сохранением умеренной яркости в
лампах малых мощностей необходимо
обратиться к анализу спектрального
состава излучения ртутной лампы низ-
кого давления.
Из такого анализа можно опреде-
лить, что в ртутном разряде нйзкого
давления около 70% от всей излучае-
мой положительным столбом мощ-
ности приходится на невидимую об-
ласть ультрафиолетовых лучей от 2=
= 2 537 до 2 — 3 663А, из них около
60% на долю одной резонансной ее
линии с длиной волны 2г=2 537А.
Вместе с этим известно, что при ис-
пользовании явления фотолюминесцен-
ции можно превратить энергию корот-
коволновых, в данном случае невиди-
мых—ультрафиолетовых лучей, в энер-
гию, излучаемую в более длинновол-
новой — видимой части спектра.
В зависимости от выбора люминес-
цирующего вещества и метода его ис-
пользования это превращение может
совершаться с той или иной эффектив-
ностью в смысле увеличения световой
отдачи и изменения цветовых харак-
теристик. конечного светового потока.
В свою очередь в зависимости от по-
следних двух факторов находится и
третий, подлежащий корректирова-
нию, — яркость светового потока, из-
лучаемого лампой.
244
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 28
Таблица 28-2
Род газа, наполняю- щего трубку	Люминофор		Цвет излучения	Световая отдача, AMjem
Пары ртути с ар-	Без люминофора		Светлый синий	5,0
гоном	Ортосиликат цинка	Zn2SiO4	Яркий зеленый Желтовато-белый	50,0—60,0
	Мезодисиликат цинка	ZnSi2O6		25,0
	Силикат цинка-берил-	(ZnBe) SiO3	Розовато-кремо-	30,0—40,0
	ЛИЯ	у - Вольфрамат кальция	CaWO4	вый Глубокий синий	15,0
	Вольфрамат магния	MgWO4	Светлый синий	30,0
Неон с 1% гелия	Без люминофора		Оранжево-крас-	15,0
	Ортосиликат цинка	Zn2SiO4	ный Желтый	22,0
	Вольфрамат кальция	CaWO4	Розовый	15,0
Для получения различной цветно-
сти излучения фотолюминесцентных
ламп в настоящее время пользуются
люминофорами, приведенными в
табл. 28-2. В этой же таблице указа-
ны величины средних световых отдач,
соответствующих данному люминофо-
ру. Спектральные характеристики лю-
минофоров были приведены в
табл. 28-1.
Сравнение величины световых от-
дач, относящихся к трубкам без лю-
минофора и к люминесцентным труб-
кам, приведенным в табл. 28-2, пока-
зывает, что эффективность использова-
ния фотолюминесценции для увеличе-
ния световой отдачи газосветных ламп
и изменения цветности их светового
потока очень велика.
Сравнивая величины мощности, из-
лучаемой в видимой части спектра не-
посредственно парами ртути и люмино-
фором, можно видеть, что для лампы
40 вт около 94,5% световой мощности
излучается люминофором и лишь око-
ло 5,5% —парами ртути.
В излучении ртутного разряда при
низком давлении паров наиболее важ-
ное значение, как уже указывалось ра-
нее, имеет резонансная линия спектра
с длиной волны X = 2 537 А. Физи-
ческое объяснение этого явления свя-
зано с большим значением роли мета-
стабильных состояний возбуждения
ртути при некоторых условиях, способ-
ствующих • выходу ее резонансных
линий.
Исследования К- И. Паневкина по-
казали, что в условиях ртутного раз-
ряда в присутствии аргона, суще-
ствующих в люминесцентных лампах,
продолжительность жизни метаста-
билыных атомов измеряется временем
порядка 10-5 сек., в течение которого
значительное количество их вследствие
соударений второго рода с электрона-
ми и атомами аргона переходит на
близлежащий резонансный уровень с
последующим излучением линии X =
= 2 537 А.
Роль вспомогательного газа —арго-
на в данном случае заключается в уве-
личении вероятности ликвидации ме-
тастабильных атомов в самом объеме
лампы, а не на ее стенках. Это ведет
к увеличению концентрации электро-
нов в объеме разряда и соответствен-
но к увеличению столкновений второго
рода. Результатом этого является вы-
шеописанный процесс, заканчивающий-
ся излучением линий 2=2 537 А.
Есть основание предполагать, что
в действительности в возбуждении лю-
минофоров, находящихся внутри труб-
ки, принимают также участие резо-
нансные излучения дальнего ультра-
фиолета с длиной волны Х= 1 850 А.
Эти излучения вследствие поглощения
их большинством прозрачных твердых
сред (кроме кварца) и воздухом
являются трудным объектом для ис-
следования, требующим применения
вакуумного спектрографа. Поэтому в
литературе нет достаточно надежных
данных, дающих возможность количе-
ственно оденить их роль в люмине-
сцентных лампах. Однако исследова-
ния показывают,»что область возбуж-
дения некоторых люминофоров, как,
§28-4]
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ТРУБКИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
245
например силиката цинка и вольфра-
мата кальция, простирается за преде-
лы длины волны 1 850 А, и есть осно-
вание предполагать участие этих излу-
чений в возбуждении люминофоров.
Отдача резонансного излучения
ртутных паров при низком давлении
и соответственно интенсивность свече-
ния фотолюминесценции люминофора
зависят также от давления паров, оп-
ределяемого температурой стенок труб-
ки. Наибольшая отдача для линии
X — 2 537 А имеет место при 40° С.
б) Применение люминофо-
ров в газосветных трубках
с неоном. Широкое применение нео-
на в технике газосветных трубок дало
основание для исследований в направ-
лении совместного использования его с
люминофорами как с целью изменения
цветности свечения, так и для повыше-
ния световой отдачи неоновых трубок.
В спектре излучения неона имеются
ультрафиолетовые линии Я = 2 400А и
Л = 3 800 А, что позволяет использо-
вать их для возбуждения соответ-
ствующим образом подобранных люми-
нофоров. “Кроме этого, в дальней
ультрафиолетовой области лежат ре-
зонансные линии неона Л = 736 А и
Я = 744 А, которые, как показали опы-
ты, вызывают фотолюминесценцию
у ряда люминофоров. Так, сульфиды
цинка возбуждаются как ближними
ультрафиолетовыми излучениями, так
и излучениями в дальней ультрафио-
летовой области спектра. Некоторые
специально приготовленные силикаты
цинка также могут быть эффективно
использованы в неоновом разряде.
Эффективность таких люминофоров
значительно больше, чем у сернистого
цинка, и выражается в неоновых труб-
ках в увеличении на 60—150% свето-
вого потока за счет люминесценции.
Подобно ртутному разряду, признаком
давления паров разряд в люминес-
центных трубках с неоном применяется
при малых плотностях тока, около
0,05 ajcM2-, при увеличении плотности
тока эффективность фотолюминесцен-
ции снижается; так, при 0,4 а/с^? при-
ращение светового потока составляет
всего 20%.
28-4. Фотолюминесцентные трубки
высокого напряжения (тлеющего
разряда)
Общее описание. Фотолюми-
несцентные трубки высокого напряже-
ния по своей конструкции ничем не от-
личаются от описанных ранее обычных
трубок тлеющего разряда. В зависи-
мости от цветности, определяемой в
основном составом применяемого лю-
минофора, выбирается и соответствую-
щее наполнение трубки. Обычно за
исключением трубок красного цвета,
в которых применяется главным обра-
зом, неон, в трубках остальных цве-
тов применяется неоново-ртутное, гелие-
во-ртутное или аргонно-ртутное напол-
нение. При одном и том же наполне-
нии (род газа, парциальное и полное
давление), одинаковых геометрических
параметрах (диаметр и длина трубки)
и одинаковых электродах электриче-
ские характеристики прозрачных тру-
бок и трубок с люминофорами также
одинаковы.
Световые характеристики (общий
световой поток, яркость и световая от-
дача) для тек и других трубок различ-
ны, и величины этих параметров зави-
сят от цветности света и рода люми-
нофора.
В качестве люминофоров в высоко-
вольтных трубках применяются как
люминесцирующие стекла, так и по-
рошкообразные кристаллические лю-
минофоры различного состава, кото-
рыми покрывается внутренняя поверх-
ность трубки.
Трубки высокого напряжения с
различными люминофорами приме-
няются в настоящее время как для
внешнего (световая реклама, архитек-
турное и сигнализационное освеще-
ние) , так и для.внутреннего освещения
(декоративное, освещение театров, ки-
но и т. п.).
Соответственно назначению трубок
изменяются их конфигурация и разме-
ры, а также световые и цветовые ха-
рактеристики. Так, трубки для реклам-
ного и архитектурного освещения мо-
гут выполняться изогнутыми в виде
различных знаков и фигур с общей
длиной в 50, 75, 100 и 250 см и диа-
метром трубок от 10 до 22 мм при ра-
бочем токе от 0,015 до 0,120 а.
24G
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 28
В трубках, {применяющихся для
внутреннего освещения для получения
необходимой величины светового пото-
ка при малой яркости, потребовалась
бы значительная общая длина трубки,
а потому в этом случае целесообразно
применять более широкие трубки огра-
ниченной длины. Обычно для внутрен-
него освещения применяются трубки
диаметром от 25 до 35 мм и длиной
от 2,0 до 2,5 м при рабочем токе от
Фиг. 28-1.
Для удобства монтажа и замены
трубок в случае выхода их из строя
трубки выполняются стандартной дли-
ны в виде отдельных прямолинейных
секций, включаемых последовательно
с помощью специальных пружинных
патронов. Общий вид такой трубки
приведен на фиг. 28-1.
В отношении цветности света тру-
бок, применяемых, для внутреннего
освещения, необходимо Заметить, что
во избежание искажения натуральных
цветов освещаемых поверхностей и
предметов целесообразно пользоваться'
трубками розовато-белого или дневного
света, создающими правильную цвето-
передачу при хорошей экономичности.
В связи с тем, что интенсивность
ультрафиолетовых излучений в ртут-
ном разряде, вызывающих фотолюми-
несценцию люминофоров, находится в
зависимости от плотности ртутных па-
ров, температура внешнего воздуха, от
которой зависит температура самой
трубки, оказывает влияние на электри-
ческие и световые параметры трубки.
При температурах внешнего возду-
ха ниже 5° С работа трубки без спе-
циальных мероприятий (увеличение
начального напряжения трансформато-
ра, заключение трубки в теплоизоли-
рующую рубашку) становится нена-
дежной.
Подобно обыкновенным трубкам
тлеющего разряда включение фотолю-
минесцентных трубок высокого напря-
жения в сеть наиболее целесообразно
производить с помощью трансформато-
ра с рассеянием при последовательном
соединении в цепь нескольких трубок.
Некоторые типы трубок выполняют-
ся с самокалящимися активированны-
ми электродами, имеющими катодное
падение около 60—80 в.
Срок службы трубок составляет от
2 500 до 6 000 час. *в зависимости от
количества включений трубки -за вре-
мя ее эксплуатации.
Срок службы трубок зависит от из-
менений, происходящих в свойствах
электродов и в световых параметрах
трубок, при долговременном их горе-
нии; световые изменения выражаются
в уменьшении светового потока по
причине уменьшения пропускания сте-
нок трубки и люминофора вследствие
распыления электродов и вследствие
усталости люминофора, а также час-
тичного поглощения газа продуктами
распыления электродов. После срока
службы около 6000 час. общая поте-
ря светового потока достигает 30% от
первоначального его значения, при
этом заметного изменения цветности
света не наблюдается.
Трубки высокого напряжения из
фотолюминесцирующего стекла полу-
чили меньшее распространение на
практике. Обычно стенки трубки в этом
случае состоят из двухслойного или
трехслойного стекла (внутренняя по-
верхность из фотолюминесцирующего
стекла и внешняя — из стекла, обла-
дающего необходимыми технологиче-
скими свойствами). При исследовании
таких трубок было обнаружено, что
яркость поверхности трубки может
быть увеличена, если наносить фото-
люминесцирующий слой на матирован-
ную поверхность. Такое явление, объ-
ясняемое уменьшением потерь при от-
ражении света внутренней поверх-
ностью внешнего слоя стекла, дает воз-
можность значительно увеличить эф-
фективность фотолюминесцирующего
слоя.
28-5. Фотолюминесцентные ртутные
лампы низкого напряжения
а)	Общее описание. Фото-
люминесцентные ртутные лампы низ-
кого напряжения состоят из разрядной
§28-5]
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ РТУТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
247
цилиндрической трубки, внутренняя по-
верхность которой покрыта соответ-
ствующим фотолюминесцирующим ве-
ществом. В лампах используется све-
чение положительного столба ртутного
разряда при низком давлении паров и
в связи с этим длина трубки много
больше ее диаметра.
Лампы выполняются с раскаленны-
ми оксидными электродами, нагревае-
мыми <за счет энергии, выделяемой в
процессе газового разряда. Электроды
впаяны на концах трубки и представ-
ляют собой вольфрамовые стирали,
покрытые углекислыми солями бария
и стронция, превращающимися в про-
цессе обработки электродов в оксид.
Для того чтобы обеспечить достаточ-
ное и быстрое нагревание катода газо-
вым разрядом в процессе зажигания
лампы и ее работы, катод выполняется
из проволоки малого диаметра. При
работе лампы газовым разрядов на-
гревается до свечения один или два
витка спирали и катодное пятно пере-
мещается с течением времени от од-
ной части катода к другой. Для облег-
чения зажигания разряда вместе с не-
большим количеством ртути в трубку
вводится также инертный газ — аргон
или неон при давлении в несколько
миллиметров ртутного столба.
Фотолюминесцентные лампы дан-
ного типа предназначены для работы
в сетях низкого напряжения от ПО до
250 в и изготовляются мощностью от
6 до 100 вт. В зависимости от рода
применяемого люминофора и цвета
стенок разрядной трубки находится и
цветность светового потока, испускае-
мого лампой. Величина светового по-
тока, яркости и световой отдачи лампы
зависит от ее мощности, цветности све-
та и размеров. Соответственно требо-
ваниям умеренной яркости и наиболь-
шего выхода ультрафиолетовых излу-
чений для возбуждения светового по-
тока фотолюминесценции, имеющих
место при малых плотностях тока, раз-
рядная трубка лампы имеет достаточ-
но большой диаметр, от 15 до 55 мм
при длине лампы от 230 до 1 500 мм.
Габаритные размеры, электрические
и световые параметры этих ламп оте?
чественного производства помещены
в табл. 28-3 и табл. 28-4.
б)	Электрические ха р а к-
т е р и с т и к и ламп. Мощность.
В лампах принята следующая шкала
мощностей, измеряемых на лампе: 6,
8, 14, 15, 20, 30, 40, 65, 100 вт. Лам-
пы изготовляются с разной цветностью
света: синей, зеленой, розовой, золо-
тистой, красной, мягко белой, белой и
дневного света.
Таблица 28-3
Номи- нальная мощ- ность лампы, вт	Размеры, мм (ГОСТ 682.5-54)				
	Полная длина лампы	Длина лампы без штырьков цоколя	Наиболь- ший диа- метр бал- лона	Расстоя- ние между штырька-	
				ми	цоколя
15	451	436	25,5		13
20	604	589	38,0		13
30	909	894	25,5		13
40	1 213	1 198	38,0		13
Кроме ламп прямолинейной формы
в последнее время выпускаются так-
же кольцеобразные лампы.
Ток. Ток, проходящий через лам-
пу, устанавливается из соображений
получения максимального выхода
ультрафиолетовых излучений с дли-
ной волны X — 2 537 А и соответствует
плотности тока в пределах от 0,03
до 0,063 а/см2, при которой поддер-
живаются наивыгоднейшая темпера-
тура стенок баллона лампы, равная
около 40° С, и давление ртутных па-
ров около 10’2 мм рт. ст.
Напряжение на лампе. На-
пряжение на лампе устанавливается
в зависимости от располагаемого рабо-
чего напряжения сети. Обыкновенно
из соображений хорошей стабилизации
газового разряда оно принимается для
ламп от 15 до 40 вт в’среднем равным
приблизительно 2/3 от напряжения пи-
тающей лампу сети и остальная !/з по-
глощается в реактивном сопротивле-
нии.
Для ламп малых мощностей, от,
6 до 14 вт, это соотношение изменяет-
ся, достигая величин 7з падения на-
пряжения на лампе и 2/3 поглощения
в реактивном сопротивлении. В лампах
больших мощностей, 65—ЬОО ет, отно-
шение напряжения на лампе к напря-
жению питающей сети увеличивается.
248
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 28
Таблица 28-4
Тип лампы	Номинальные значения (ГОСТ 6825-54)				
	Мощность» вт	Напряжение на лампе, в	Ток лампы, а	Световой ПОТОК, ЛМ	Световая отдача, лм}вт
ДС-15 ХБС-15	15	58	0,30 •	490	32,6
БС-15 ТБС-15				560 500	37,3 33,3
ДС-20 ХБС-20	20	60	0,35	700	35,0
БС-20 ТБС-20				800 700	40,0 35,0
ДС-30 ХБС-30	30	108	0,32	1 160	38,6
БС-30 ТБС-30				1 400 1250	46,6 41,6
ДС-40 ХБС-40	40	108	0,41	1700	42,5
Б С-40 ТБС-40				1 920 1780	48,0 44,5
ДС — дневного света (цветовая температура 6 500° К).
БС — белого света (цветовая температура 3 500° К).
ХБС — холодно-белого света (цветовая температура 4 850° К).
ТБС — тепло-белого света (цветовая температура 2 700° К).
Напряжение на лампе возрастает
вместе с увеличением длины и умень-
шением ее диаметра.
Общее напряжение всякой лампы
газового разряда слагается из двух
частей:
а)	падения напряжения на электро-
дах;
б)	падения в положительном
столбе.
Первое в данном случае составляет
почти постоянную величину от 12 до
18 в в зависимости • от конструкции
электродов, их термоэлектронной эмис-
сии и рода наполняющего газа.
Второе зависит от градиента по-
тенциала в положительном столбе, ве-
личины которого вместе с другими
электрическими параметрами приведе-
ны в табл. 28-5, и длины трубки.
Так как излучение ламп происходит
главным образом в пределах положи-
тельного столба, то увеличение длины
трубки влечет за собой и соответствую-
щее увеличение световой отдачи.
Таблица 28-
Плотность тока, градиент напряжения
и удельная нагрузка ламп
Номи- нальная мощ- ность, вт	Плот- ность тока, а!см*	Гради- ент на- пряже- ния, в!см	Удельная нагрузка		Свето- вая от- дача, лм[вт
			вт/см	вт/см*	
15	0,060	0,96	0,33	0,058	39
30	0,067	0,96	0,33	0,064	48
20	0,031	0,81	0,33	0,025	43
40	0,034	0,78	0,34	0,0265	5Я
65	0,059	0,39	0,31	0,023	32
100	0,063	0,39	0,68	0,0246	42
Зажигание разряда и схе-
мы .включения. Напряжение за-
жигания лампы без предварит'елыного
нагревания ее электродов приблизи-
тельно в 4 раза больше нормального
рабочего напряжения.
Предварительное нагревание элек-
тродов понижает напряжение зажига-
ния. В месте с этим уменьшаются рас-
§28-5]
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ РТУТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
249
пыление электродов лампы и почерне-
ние ее концов, в свою очередь оба эти
фактора оказывают благоприятное
влияние и на срок службы лампы.
Схема такого зажигания представлена
на фиг. 28-2,а.
Зажигание лампы после нагрева
электродов также производится с по-
мощью рубильника Р при размыкании
напряжения сети зажигается тлеющий
разряд, нагревающий биметалличе-
скую ленту Б—М, служащую одним из
электродов. Изгибающаяся под влия-
нием нагревания лента деформируется
и замыкает разрядный промежуток и
цепь электродов. Конструктивное
оформление такого зажигателя пред-
ставлено на фиг. 28-3.
Фиг. 28-2.
цепи накала и возбуждения экстрато-
ка размыкания самоиндукции в цепи
лампы. Длительность накала электро-
дов 1—2 сек., ток накала определяется
напряжением сети, величиной самоин-
дукции L и параметрами электродов.
В современных практических схе-
мах замыкание и размыкание цепи на-
кала электродов производятся автома-
тически с помощью специального за-
жигателя или стартера. Принципиаль-
ная схема такого включения представ-
лена на фиг. 28-2,6.	•
Зажигатель обычно осуществляется
в виде небольшой тлеющей лампы
Т—С, в которой в момент включения
Замыкание цепи электродов произ-
водится между точками А и С при из-
гибании биметаллической ленты В. По
истечении некоторого промежутка вре-
мени вследствие охлаждения ленты
контакт нарушается и возникающий
экстраток зажигает разряд в трубке.
Конденсатор К служит для увеличения
крутизны волны экстратока при раз-
мыкании. В связи с понижением на-
пряжения на лампе благодаря паде-
нию напряжения на дросселе L после
зажигания лампы тлеющий разряд в
зажигателе не может возникнуть и
цепь электродов остается разомкнутой
до тех пор, пока лампа находится в
действии. В этот период нагревание
электродов происходит за счет энергии,
выделяющейся в разрядной трубке.
Автоматическое включение; и раз-
мыкание цепи накала возможно также
осуществить и с помощью зажигателя,
основанного на электромагнитном
принципе М—С (фиг. 28-2,в).
250
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 28
Потребление мощности простого
контактного зажигательного устрой-
ства в зависимости от его принципа
действия колеблется в пределах 1 —
3 вт. Схема зажигания лампы, осно-
ванная на резонансном принципе,
представлена на фиг. 28-2,г.
В этом случае накал электродов и
необходимое для зажигания добавоч-
ное напряжение получаются при рабо-
те резонансного контура, состоящего
из самоиндукции Li и емкости С.
Коэффициент мощности сети при
включении лампы с дросселем прибли-
зительно равен отношению напряжения
на лампе к напряжению сети.
Для увеличения коэффициента
мощности всего устройства до 95% и
более можно применить двойное вклю-
чение ламп. Одна из схем такого
включения приведена на фиг. 28-4.
Из схемы фиг. 28-4 видно, что ста-
билизация разряда в одной лампе
производится с помощью простого ин-
дуктивного сопротивления Li и в дру-
гой параллельно включенной лампе
Л2—с помощью индуктивного сопро-
тивления L2 и емкости С, зашунтиро-
ванной сопротивлением /?, включен-
ных последовательно. Кроме исправле-
ния коэффициента мощности благода-
ря сдвигу фаз тока, inpo-ходящего че-
рез обе лампы, уменьшается также и
общий стробоскопический эффект, вы-
зываемый колебанием светового пото-
ка -при работе ламп на переменном
токе. При двойном включении ламп
различной цветности можно также по-
лучить и изменение цвета используе-
мого светового потока.
Схема включения фотолюминес-
центных ламп в сеть и качество при-
боров включения являются важным
экономическим фактором в эксплуата-
ции, от которого зависят как общая
световая отдача лампы, так и степень
использования электрической сети в
отношении сохранения в ней достаточ-
но высокого коэффициента ‘мощности.
Данные о потерях в приборах включе-
ния для ламп различных мощностей
при различных схемах и соответствую-
щие им значения cos ср приведены в
табл. 28-6.
в) Световые характери-
стики и цветность света
ламп. В зависимости от рода люми-
нофора, его атомной и кристаллической
структуры, а также цветности стенок
разрядной трубки можно получить раз-
личные цвета свечения лампы. При
этом экономичность такого свечения по
сравнению с экономичностью ламп на-
каливания, снабженных соответствую-
щими светофильтрами, будет значи-
тельно выше.
Фотолюминесцентная лампа в 40 вт
с цветностью, приближающейся к днев-
ному свету, имеет световую отдачу
в 45 лм)вт, в то время как при полу-
Таблица 28-6
Тип прибора
Потери,
вт
Коэффициент
мощности, cos ®
Примечание
Для одной лампы 15 вт	 Для одной лампы 15 вт	 Для двух ламп 15 вт	 Для одной лампы 20 вт	 Для двух ламп 20 ет	 Для одной лампы 40 вт	 Для двух ламп 40 ет	 Для четырех ламп 40 ет	 Для одной лампы 100 ет	 Для четырех ламп 100 ет		4,5* 4,5 9,0 4,5 9,0 12,0 14,5 31,0 35,0 64,0	0,55 0,90—0,95 0,95-1,00 0,90-0,95 0,95—1,00 0,90—0,95 • 0,95—1,00 0,95—1,00 0,95—1,00 0,95—1,00	Дроссель Дроссель с кон- денсатором
§28-5]
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ РТУТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
251
чении такого же света с помощью лам-
пы накаливания световая отдача со-
ставляет около 3 лм!вт, или в 15 раз
менее. • Спектр фотолюминесцентных
ламп состоит из спектральных полос,
испускаемых люминофорами и обра-
зующих сплошные участки спектра,
и линейчатого спектра ртутных паров
в видимой части, выходящего наружу
4 иг 28-5.
через стенки трубки. Относительная
интенсивность в различных участках
спектра при этом зависит от рода лю-
минофора и степени поглощения види-
мых излучений ртути стенками трубки
и самим слоем люминофора. Общая
световая отдача для лампы данной
цветности определяется главным обра-
зом относительным количеством из-
лучаемой энергии в области спектра,
лежащей вблизи максимума чувстви-
тельности глаза л = 5 560 А.
На диаграмме фиг. 28-5,а и б по-
казано распределение световой интен-
сивности в спектре лампы белого све-
та и лампы дневного света. На
фиг. 28-5,6 для сравнения нанесена
также кривая видимого излучения для
условно белого света, испускаемого
абсолютно черным телом при темпе-
ратуре в 6 500° К.
Путем комбинации ламп различной
цветности можно создать ряд вариан-
тов комплексных источников света с
любой цветностью.
г) Характеристики при
изменяющемся и стационар-
ном режиме. Влияние изме-
няющегося напряжения се-
ти. Подобно другим электрическим
источникам света фотолюминесцентные
ртутные лампы реагируют на измене-
ние напряжения питающей сети соот-
ветствующим изменением их электри-
ческих и световых характеристик. Эти
изменения зависят от принятой схемы
включения лампы в сеть и характе-
ристик приборов включения. Для обыч-
ной схемы включения лампы последо-
вательно с дросселем без емкости из-
менение рабочего напряжения сети в
1 % вызывает соответствующее измене-
ние светового потока лампы на 1,5—
3,0% в зависимости от величины ин-
дуктивного сопротивления; при резо-
нансном и двойном включении (схемы
фиг. 28-2,г и 28-4) это изменение сни-
жается примерно до 1 %.
Кривые среднего относительного
изменения полной мощности ламп
тока /р светового потока F, и свето-
вой отдачи двух ламп 15 etn, вклю-
ченных по схеме фиг. 28-4, в зависи-
мости от изменений напряжения сети
приведены на диаграмме фиг. 28-6.
Из диаграммы фиг. 28-6 можно
видеть, что по мере увеличения на-
пряжения сети световой поток лам-
пы F, увеличивается, но световая ее
отдача Н* уменьшается. Это объяс-
няется следующим: при увеличении
напряжения сети возрастает ток,
вследствие чего незначительно умень-
шается напряжение на лампе; проис-
252
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 28
ходящее при этом увеличение мощ-
ности разряда вызывает и общее
увеличение светового потока. Так как
световой поток в связи с уменьше-
нием интенсивности излучения ультра-
фиолетовых излучений (увеличение
плотности тока) увеличивается менее
быстро, чем общая потребляемая мощ-
ность Pv то общая световая отдача
лампы Н, уменьшается. При умень-
шении напряжения сети соответствую-
щие изменения электрических и све-
товых характеристик имеют обратное
направление.
Наряду с изменением основных
характеристик лампы колебания на-
пряжения вызывают также и другие
последствия; так, три большом пони-
жении напряжения сети уменьшается
надежность зажигания разряда и со-
ответственно при повышении напряже-
ния понижается срок службы лампы.
Периодические колеба-
ния светового потока. При
периодических изменениях напряже-
ния, имеющих место <в случае работы
газосветных ламп в сетях переменно-
го тока, наблюдается, как это можно
видеть из диаграммы фиг. 28-7, перио-
дическое изменение величины светово-
го потока в пределах от минимума до
максимума. Такое изменение светового
потока вызывает стробоскопический
эффект, выражающийся в том, что на-
рушается правильное восприятие ско-
рости движения предметов, рассматри-
ваемых при освещении газосветными
лампами.
• Явление стробоскопического эффек-
та усиливается вместе с уменьшением
частоты колебаний напряжения и
ослабляется вместе с ее увеличением.
В связи с тем что в фотолюминесцент-
ных лампах значительная доля свето-
вого потока излучается за счет свече-
ния люминофоров, обладающих боль-
шей или меньшей способностью после-
свечения, изменения светового потока
при периодических колебаниях напря-
жения сети зависят от рода люмино-
фора, частоты изменения напряжения
сети и схемы включения лампы.
'Отклонения светового потока от
среднего значения могут быть пониже-
ны при двойном (фиг. 28-4) или трой-
ном (три лампы в различных фазах
трехфазного тока) включении ламп.
Относительные данные об измене-
нии светового потока при различных
способах включения фотолюминесцент-
ных ламп по сравнению с лампой на-
каливания в 200 вт, изменение свето-
вого потока которой за один период
условно принято за единицу, приведе-
ны в табл. 28-7.
Таблица 28-7
Род лампы и метод включения
Лампа накаливания 200 вт . .
Три фотолюминесцентные
лампы, включенные на три
фазы......................
Лампа накаливания 40 вт . .
Две белые фотолюминес-
центные лампы ............
Две дневные фотолюминес-
центные лампы.............
Одна белая фотолюминес-
центная лампа.............
Одна дневная фотолюминес-
центная лампа ............
Относительное
изменение све-
тового потока
1
3
7
9
10
19
20
Влияние внешнего охлаж-
дения. При понижении температуры
внешнего воздуха, а также при нали-
чии ветра в связи с уменьшением дав-
ления ртутных паров из-за частичной
конденсации ртути излучение ультра-
фиолета и  вызываемая его действием
фотолюминесценция уменьшаются, что
в свою очередь вызывает понижение
светового потока лампы. Средством
для уменьшения влияния внешних
охлаждающих факторов, как и в дру-
гих лампах, может служить заключение
разрядной трубки в защитную рубаш-
ку. В простейшем случае такой тепло-
§28-5 J
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ РТУТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
253
вой защитой может служить наруж-
ная стеклянная трубка, в которую за-
ключается лампа.
Конденсация ртути при низких тем-
пературах оказывает влияние не толь-
ко на излучение лампы, но также и на
напряжение зажигания разряда в па-
рах ртути. Поэтому лампы, предназна-
ченные для горения в различных тем-
пературных условиях, должны допус-
кать выключение части балластного
сопротивления в нужных случаях.
Срок службы. Срок службы
фотолюминесцентных ламп зависит от
рода люминофора и условий эксплуа-
тации. Так, при частом зажигании
вследствие повышенного р аспыл ения
электродов срок службы вообще
уменьшается.
При средних эксплуатационных
условиях характер изменений светово-
го потока во времени сходен с изме-
нением его у ламп накаливания ваку-
умного типа.
При учете понижения светового по-
тока во времени и определении полез-
ного срока службы фотолюминесцент-
ных ламп обычно исходят не из’ на-
чального светового потока, а из его
значения, .соответствующего началу
стабильного состояния лампы, которое
устанавливается по истечении первых
100 час. горения. Полезный срок служ-
бы ламп достигает 3 000 час. Причины
понижения светового потока во време-
ни, а также окончательного выхода
лампы из строя те же, что и у других
газосветных ламп, исключая действие
высоких температур, которое в данном
случае не имеет места. Необходимо
также заметить, что цветовые характе-
ристики фотолюминесцентных ламп во
времени и при изменении напряжения
питающей лампу сети.заметно не ме-
няются.
д) Применение. Фотолюмине-
сцентные ртутные лампы обладают
очень высокими эксплуатационными
свойствами, которые выражаются в их
высокой световой отдаче при разнооб-
разной цветности светового потока,
умеренной яркости, малом выделении
тепла, простоте схемы их включения в
сеть, большой устойчивости светового
режима при временных и периодиче-
ских колебаниях напряжения и т. п.
Все перечисленные свойства наря-
ду с удобной и простой формой лампы
открывают широкую область примене-
ния этим лампам, впервые появившим-
ся в 1938 г. В настоящее время наи-
более широкое распространение полу-
чили лампы дневного света и белого
света. Лампы дневного света имеют
цветовую температуру около 6 600° К
и применяются во всех случаях, где
требуется правильное распознавание
цветов. Они применяются для освеще-
ния картинных галерей, в красильном
и полиграфическом деле, при сорти-
ровке плодов и различных изделий,
а также в ряде случаев внутреннего
освещения. Лампы белого света имеют
цветовую температуру, приблизительно
равную 3 500° К, и цветность, близкую
к цветности ламп *накаливания. Они
применяются во всех тех случаях, ког-
да не требуется точного воспроизведе-
ния цветов. Лампы тепло-белого света
имеют цвеЛвую температуру 2 700° К
и обладают более розовым оттенком
излучения, чем лампы белого света.
Лампы холодно-белого света имеют
цветовую температуру 4 850° К, и цвет-
ность их излучения отличается более
голубым оттенком, чем у ламп белого
света. Цветные лампы, применяющие-
ся в различных случаях рекламного и
декоративного освещения, благодаря
повышенной по сравнению с другими
цветными источниками света световой
отдаче получают также широкое рас-
пространение.
Используя различные комбинации
фотолюминесцентных ламп, практиче-
ски можно получить свет любой цвет-
ности, в частности, дневной свет все-
возможнцх оттенков: от прямого сол-
нечного света любого времени дня до
дневного света голубого неба.
Несмотря на умеренную яркость,
фотолюминесцентные лампы не долж-
ны находиться при освещении рабочих
помещений в поле зрения работающих.
Обычно в этих случаях лампы приме-
няются в специальных горизонталь-
ных, корытообразных арматурах, рас-
положенных на достаточной высоте и
снабженных вертикальными экранами
ячейкового типа, обеспечивающими со-
хранение необходимого защитного угла.
Для наружного освещения в условиях
254
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 2$
сильного внешнего охлаждения лампы
требуют дополнительной тепловой за-
щиты.
•В установках, находящихся вблизи
точек радиоприема, требуется примене-
ние обычных устройств (фильтров)
для устранения могущих возникнуть
радиопомех.
2 =3 650 А, которая может быть вы-
делена с помощью специального чер-
ного светофильтра Вуда, обладаю-
щего в пределах 2 = 3 130 — 3 650 А
коэффициентом пропускания = 0,99
и вместе с тем почти полностью
поглощающего видимые излучения.
Фиг. 28-9.
Наряду с использовайием фото-
люминесцентных ламп для чисто
осветительных целей в последнее
время созданы специальные конструк-
ции ламп, в которых коротковолно-
вые ультрафиолетовые излучения
ртути или неона с помощью специ-
альных люминофоров трансформиру-
ются в излучения ближней области
ультрафиолета (2= 3 300 — 4 000 А),
обладающие большой эффективностью
возбуждения фотолюминесценции.
К таким люминофорам относится, на-
пример, люминофор с максимумом
излучения в области длины волны
Комбинация ртутной лампы низко-
го давления с таким люминофором в
колбе из черного стекла дает возмож-
ность создать лампу ультрафиолетово-
го облучения (УФО), которая может
быть использована для облучения
шкал измерительных приборов, покры-
тых светосоставами, применяемых при
ночных полетах.
Образец такой лампы, работающей
на постоянном токе при напряжении
24—26 в, приведен на фиг. 28-8.
Лампа имеет два ввода для пита-
ния оксидного катода и один, присо-
единенный к кольцеобразному аноду.
Таблица 28-8
Род лампы		Световой црток, лм	Яркость, сб	Плотность . тока, а[см2	Световая отдача, лм/вт	Срок службы, часы
Фотолюминес- центные лампы с холодными элек- тродами	Теплые тона Белый свет Холодные тона	600—1 000 1 400—2 500 800—3 100	0,14—0,19 0,18—0,32 0,11—0,40	0,02—0,03 0,02-0,03 0,02—0,03	15,0—22,0 25,0—44,0 15,0—55,0	2500—6 000 2 500—6000 2 500—6 000
То же с активи- рованными элек- тродами	Белый свет	900—3 300	0,35—0,90	0,024—0,1	36,0—60,0	2 500—6000
Фотолюминес- центные лампы с горячими электро- дами	Теплые тона Белый свет Холодные тона	40—950 450—1 900 300—2 300	0,04—0,6 0,5—1,0 0,25—1,5	0,03—0,07 0,03-0,07 0,03—0,07	3,0—31,0 30,0—47,0 21,0—75,0	2 500—6 000 2 500—6 000 2 500-6 000
§ 29-1]
БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ ЛАМПЫ
255
На фиг. .28-9 приведена схема усо-
вершенствованной конструкции лампы
ультрафиолетового облучения с авто-
матическим зажиганием.
Замыкание и размыкание цепи про-
изводятся при помощи биметалличе-
ской пластинки б, нагреваемой элек-
трическим током. Катод лампы к пред-
ставляет собой вольфрамовую спираль,
а анод а выполняется в виде кольца.
Лампы ультрафиолетового облучения
могут также выполняться в трубчатых
баллонах, подобных обычным люмине-
сцентным лампам.
Недавно появился новый тип люми-
несцентной лампы, называемой «сол-
нечной» или «эритемной». Лампа эта
отличается от лампы ультрафиолетово-
го облучения составом люминофора,
обеспечивающего наибольшее излуче-
ние в области Л = 2 800—3 200 А*
Такие излучения обладают наиболь-
шим эритемным действием и оказы-
вают благотворное влияние на челове-
ческий организм.
Сводные данные о средних электри-
ческих и световых характеристиках
фотолюминесцентных ламп, высокого и
низкого напряжения приведены в
табл. 28-8.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ДЕВЯТАЯ
ГАЗОСВЕТНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЛАМПЫ
(ЛАМПЫ БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ И ЛАМПЫ
ИМПУЛЬСНЫЕ)
Содержание предыдущих разделов
относится к описанию источников света
тлеющего и дугового разряда в благо-
родных газах при низком и сверхвысо-
ком давлении и в парах металлов —
при низких, высоких и сверхвысоких
давлениях. Этот обзор был бы не пол-
ным, если бы мы не коснулись некото-
рых других видов источников света, в
которых используются особые формы
газового разряда, возбуждаемого мето-
дами, отличными от описанных выше.
К таким источникам света, которые
находят свое применение для специ-
альных целей, можно отнести:
1. Источники света с благородными
газами и парами металлов безэлек-
тродного разряда, работающие в ста-
ционарном режиме на переменном токе
высоких частот (безэлектродные ин-
дукционные лампы высокочастотного
разряда).
2. Источники света с благородными
газами, работающие в нестационарном
импульсном режиме, при разряде кон-
денсатора (лампы импульсного раз-
ряда).
29-1. Безэлектродные индукционные
лампы высокочастотного разряда
Безэлектродный разряд' в простей-
шем случае может наблюдаться в на-
полненной разреженным газом колбе,
помещенной между обкладками заря-
женного конденсатора. В этом случае
при мгновенном разряде конденсатора
в колбе возникает вспышка мгновенно-
го свечения. Свечение можно сделать
установившимся, если соединить об-
кладки конденсатора с высокочастот-
ным генератором и тем самым вызвать
колебания заряженных частиц в объеме
баллона. При некоторых условиях (до-
статочная частота и напряженность
поля, свойства газа) такие колебания
вызывают интенсивную ионизацию га-
за, сопровождаемую ярким свечением
разряда.
Явления безэлектродного разряда,
сопровождаемые интенсивным свече-
нием газа, можно получить также, по-
мещая баллон в электромагнитное по-
ле высокой частоты, возникающее
внутри катушки, питаемой высоко-
частотным током. В этом случае при
полной круговой симметрии светящий-
ся разряд представляет собой род све-
тящегося, замкнутого на себя кольца
или несколько колец, вызываемых кру-
говыми токами, возникающими в среде
газа. В зависимости от размеров кол-
бы, рода газообразной среды и ее дав-
ления существуют оптимальные часто-
ты, при которых можно получить ин-
тенсивное свечение с высокой световой
отдачей, достигающей 40—50 лм!вт.
256
ГАЗОСВЕТНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 29
В общем случае при использовании
цилиндрических катушек свечение при
высокочастотном разряде является
следствием воздействия как электриче-
ского, так и электромагнитного поля.
Воздействие электрического поля со-
здается разностью потенциалов на кон-
цах возбуждающей катушки, вслед-
Фиг. 29-1.
ствие чего имеет место разряд в газе
с положительным свечением. Кроме
того, вследствие воздействия магнитно-
го поля создается кольцевой разряд
также с положительным свечением.
В качестве генераторов высокой ча-
стоты могут применяться искровые ге-
нераторы, питаемые от электростати-
ческой машины (фиг. 29-1) или, что
практически себя более оправдывает,
от высоковольтного трансформатора
(фиг. 29-2). Эти схемы, кроме источни-
ков питания, включают искровые раз-
рядники ИП и колебательные контуры
из емкости и самоиндукции (рабочие
возбуждающие катушки ИЛ). Такие
генераторы создают в цепи катушки
затухающие колебания.
Для генерации незатухающих коле-
баний применяются ламповые генера-
торы. Наиболее эффективные значения
частот, применяемых в индукционных
лампах, лежат*в пределах от 1 • 106 до
3 • 106 периодов в секунду.
Разрядный баллон лампы выпол-
няется из тугоплавкого стекла или
плавленого кварца и может, иметь
трубчатую или шаровую форму. Диа-
метр шаровых баллонов изменяется в
пределах от 5 до 20 см.
Благодаря возможности получения
при наполнении различными газами
излучений в различных областях спект-
ра индукционная лампа может быть
применена для разнообразных целей.
При наполнении кварцевого бал-
лона парами ртути с примесью аргона
можно получить могучий источник
ультрафиолетовых излучений в раз-
личных участках этой области спектра.
Обычно аргон применяется для облег-
чения зажигания разряда, и давление
его не должно превосходить некото-
рой нормы, величина которой может
быть определена из эмпиричёской
формулы: рк 5,7 j/r, где ря — нор-
мальное давление аргона, мм рт. ст.,
и г — радиус разрядного шарового
баллона, см. Давление ртутных паров
устанавливается в зависимости от за-
трачиваемой мощности, определяющей
состав получаемых излучений.
Ультрафиолетовые излучения ближ-
него ультрафиолета могут быть ис-
пользованы в фотографии и кинемато-
графии, а средний и дальний ультра-
фиолет— для лечебных и биологиче-
ских целей, а также для стерилизации
Фиг. 29-2.
различных пищевых продуктов и дезин-
фекции. Световой поток ртутных ин-
дукционных ламп диаметром 7,5 —
8,0 см достигает величины Fz =
= 200 000 лм при яркости В = 400 сб
и световой отдаче около Hz^50 лм1вт.
При наполнении баллона неоном
безэлектродные индукционные лампы
могут быть применены для сигнальных
огней в маяках и на аэродромах.
Не исключена возможность исполь-
зования этих ламп для специальных
целей в комбинации с люминофорами.
Препятствием к широкому распростра-
нению этого источника света служит
дороговизна* первоначального оборудо-
вания. С усовершенствованием и уде-
шевлением высокочастотных установок
лампа может получить более широкое
распространение в различных областях
применения источников света.
§29-2]
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА
257
29-2. Газосветные лампы
импульсного разряда
Электрические и световые свойства
аргона, криптона и ксенона открывают
возможности получения мгновенных
мощных световых потоков, измеряемых
мегалюменами, при яркостях, дости-
гающих десятков тысяч стильб, и про-
должительности вспышки, меньшей
1.0-4 сек. Это достигается с помощью
импульсных ламп при разряде конден-
саторов достаточной емкости и напря-
жения на газоразрядный промежуток
лампы.
Импульсный разряд представляет
собой одну из нестационарных форм
газового разряда, по характеру своих
элементарных процессов и световых
свойств приближающуюся к искровому
разряду.
Физическая картина элементарных
процессов, протекающих в импульсном
разряде, вкратце может быть пред-
ставлена схематически в следующем
виде.
Первоначальная стадия импульсно-
го разряда подобно другим видам раз-
ряда состоит в нарастании электрон-
ных лавин, ведущих к явлению пробоя
междуэлектродного пространства раз-
ряда.
Развитие этого процесса заклю-
чается в образовании сильно ионизи-
рованных каналов, являющихся след-
ствием фотоионизации в отдельных ча-
стях разряда под действием коротко-
волновых излучений, возникающих при
возбуждении атомов головной частью
лавин и при посредстве других эле-
ментарных процессов. Путем слияния
отдельных каналов происходит обра-
зование первичного канала мощного
разряда, распространение которого че-
рез весь газоразрядный промежуток от
анода к катоду служит необходимым
условием искрового пробоя. Этому спо-
собствуют также искажения электри-
ческого поля, происходящие в головных
частях лавин вследствие образования
пространственных зарядов.
Образование искрового канала вле-
чет за собой развитие процессов на ка-
тоде, вследствие чего сильно увеличи-
вается плотность тока в канале, что в
свою очередь ведет к повышению тем-
17 А. П. Иванов.
пературы разряда и к термическому
возбуждению и ионизации в его объ-
еме.
Особый характер световых явлений
импульсного разряда, выражающийся
в возможности' получения исключи-
тельно больших световых потоков и
яркостей, при весьма малой длитель-
ности свечения открывает новые обла-
сти применения импульсных ламп в
аэросъемке, фотографировании быстро-
движущихся объектов, оптической сиг-
нализации, стробоскопии, спектраль-
ном анализе и для других целей.
В общем случае импульсный раз-
ряд может быть осуществлен при про-
хождении мгновенных сильных токов
через междуэлектродные промежутки
следующих видов:
а)	междуэлектродное пространство
газосветной лампы специальной кон-
струкции в газообразной однородной
среде при низком или высоком давле-
нии, изолированной от атмосферного
воздуха;
б)	искровой промежуток между
электродами, находящимися в среде
атмосферного воздуха;
в)	междуэлектродное пространство,
заполненное парами металла, получаю-
щимися при взрыве электрическим то-
ком тонких проволок в различных усло-
виях.
Из перечисленных трех возможных
случаев наибольший практический ин-
терес представляет импульсный разряд
в междуэлектродном пространстве спе-
циальных газосветных ламп, конструк-
ция которых может варьировать соот-
ветственно назначению лампы.
В непосредственной связи с этим
последним обстоятельством находится
и выбор импульсной электрической
схемы, предназначенной для питания
лампы.
В качестве газосветных импульсных
ламп, условия работы которых не тре-
буют больших световых потоков и
яркостей, в простейшем случае могут
быть использованы обычные лампы
тлеющего разряда с отрицательным
свечением, наполненные неоном или
аргоном, а также газосветные трубки
с теми же газами при низком давлении
и с соответствующими геометрически-
258
ГАЗОСВЕТНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 29
ми параметрами, зависящими от элек-
трических параметров питающих схем.
Такие лампы и трубки находят приме-
нение, например, в стробоскопии.
Импульсный разряд с большей све-
товой интенсивностью может быть по-
лучен в газосветных трубках с парами
ртути при повышенных и высоких дав-
лениях; однако зависимость яркости
свечения и параметров за-
jt| жигания разряда от тем-
® пературных условий рабо-
ты трубки создает в этом
Фиг. 29-4.
Фиг. 29-3.
случае ряд неудобств, вследствие кото-
рых ртутные лампы не получили широ-
кого распространения.
Наполнение импульсных ламп арго-
ном, криптоном и ксеноном при повы-
шенных (до 50—70 мм рт. ст.) и высо-
ких (до 3—5 ат) давлениях дало воз-
можность достигнуть желаемых резуль-
татов в отношении получения высокой
световой мощности разряда, достигаю-
щей 100 *106 лм, и громадных ярко-
стей, до 60 • 106 сб, при длительности
импульсов до КГ6 сек. Кроме этих
основных параметров, наполнение ука-
занными газами дает возможность по-
лучения устойчивого зажигания раз-
ряда и цвет свечения, близкий к днев-
ному.
В большинстве случаев для напол-
нения импульсных ламп применяется
смесь из 90% криптона и 10% ксенона,
обеспечивающая нужные характеристи-
ки разряда. На практике применения
криптон-ксеноновых ламп используют-
ся два основных типа.
Импульсная лампа первого типа
представляет трубку из тугоплавкого
стекла или плавленого кварца с внут-
ренним диаметром от 1,5 до 10 мм,
с расширением на концах, в которых
помещаются обычные цилиндрические
холодные электроды из никеля, в неко-
торых случаях активированные барием:
или цезием. Длина междуэлектродно-
го промежутка зависит от применяемо-
го напряжения, достигая в мощных
лампах 1,5 м. В зависимости от длины
трубки и желаемой концентрации све-
тового потока лампа может иметь пря-
молинейную или U-образную форму,,
а также может быть выполнена в виде
цилиндрической спирали. Общий вид
импульсной прямолинейной кварцевой
лампы (ИПК) и импульсной спираль-
ной стеклянной лампы (ИСС), изготов-
ляемых Московским электроламповым
заводом, изображен на фиг. .29-3 и
29-4.
Лампа второго типа отличается от
приведенной выше видом разрядного
баллона, имеющего в данном случае
шаровидную форму, а также количе-
ством, расположением и конструкцией
электродов. Общий вид и конструкция
всей лампы аналогичны криптон-ксено-
новой лампе сверхвысокого давления.
Фиг. 29-5.
А
Нормальная рабочая схема, приме-
няемая для импульсных ламп первого
типа, представлена на фиг. 29-5.
Приведенная схема, рекомендуемая
Московским электроламповым заво-
дом, состоит из автотрансформатора
7\, трехобмоточного трансформатора
Т2, кенотрона Кр, конденсатора Сь С2,
С3 или С4 (в зависимости от величины
энергии вспышки), разрядного сопро-
тивления R, переключателя емкости П
и бобины Б. Высоковольтный импульс,
подаваемый бобиной на поджигающий
§29-2]
ГАЗОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ ИМПУЛЬСНОГО РАЗРЯДА
259
электрод лампы Л при включении
кнопки К, ионизирует газ внутри лам-
пы и вызывает разряд конденсатора
через лампу, сопровождаемый интен-
сивным излучением лампы. Блокиров-
ка БК применяется для выключения
трансформатора и разрядного конден-
сатора при открытии защитного кожу-
ха, в котором заключены все детали,
находящиеся под высоким напряже-
нием.
При работах с лампами второго
типа управление осуществляется спе-
циальной схемой, воздействующей на
третий — вспомогательный электрод
лампы. Исследования импульсных
ламп, произведенные в ВЭИ
К. С. Вульфсоном, С. Я. Богдановым и
О. П. Вороновой, дают обстоятельный
материал, характеризующий электриче-
ские и световые свойства импульсного
разряда при различных условиях.
Так, измерения сопротивления
ламп, наполненных неоном, криптоном
и ксеноном, при различных давлениях
обнаружили, что ohq почти не зависит
ни от напряжения, ни от рода и со-
стояния газа, если только в лам-
пе выделяется достаточно большая
энергия.
На основании этих измерений, а
также измерений, произведенных дру-
гими исследованиями, величина удель-
ного сопротивления плазмы импульс-
ного разряда имеет порядок 1,5 —
3,0 • 10~2 ом см.
Максимальное значение плотности
тока при этих исследованиях достигало
• 150 ОООГа/см2 при токе трубки 14 000 а
и плотности энергии до 250 вт/см3.
Измерения световых характеристик
разряда показали, что средняя за
вспышку сила света различных импульс-
ных ламп приблизительно пропорцио-
нальна энергии, выделяющейся в раз-
рядном промежутке.
Исследования трубчатых ламп низ-
кого давления С. Я. Богдановым и ша-
ровых ламп высокого давления
Ф. А. Чарной показали, что в характе-
ре изменения средней силы света обо-
их типов ламп от давления существует
различие, которое можно видеть из
кривых, приведенных на фиг. 29-6 и
29-7.
]7*
Из рассмотрения этих кривых вид-
но, что для трубчатых ламп низкого
давления диаметром 6 мм наблюдается
состояние насыщения интенсивности
света, в то время как в случае шаро-
вых ламп высокого давления диамет-
ром 40—60 мм для тех же параметров
существует почти прямолинейная за-
висимость.
На основании сравнения импульс-
ных ламп, наполненных различными
260
ГАЗОСВЕТНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ЛАМПЫ
[гл. 29
газами, были получены данные, харак-
теризующие относительные светотехни-
ческие свойства различных газов в им-
пульсном разряде. Данные такого
сравнения при световой интенсивности
аргона, принятой за единицу, приведе-
ны на табл. 29-1.
Таблица 29-1
Гелий ............
Неон..............
Воздух ...........
Аргон.............
Криптон...........
Ксенон............
Лампы низкого давления	Лампы высокого давления
0,10—0,20	—
0,24-0,31	—
0,08—0,12	0,17
1.0	1,0
1,57—2,00	1,67—1,87
	2,7
Измерения энергии, излучаемой
импульсной лампой высокого давления
(р3,5 ат), показали, что оно равно
приблизительно 10—2О°/о от энергии,
подведенной к лампе. При силе света
Jffayf = 1 000 000 св и соответствую-
щей величине яркости Вжакс = 5-106 сб
энергия, подведенная к лампе, =
= 7,01 дж или при длительности свече-
ния т =к 20 мксек световая отдача
Н; = 20 лм/вт.
Спектральные исследования им-
пульсных ламп обнаружили, что при
увеличении энергии в разряде возни-
кают многочисленные линии, интенсив-
ность которых резко возрастает, в то
время' как интенсивность остальных
линий почти не изменяется. Наряду с
этим при дальнейшем увеличении энер-
гии начинает усиливаться сплошной
фон разряда. Анализ этого явления по-
казал, что линии возрастающей интен-
сивности относятся к искровому спект-
ру, в то время как линии, мало изме-
няющиеся с увеличением энергии, со-
ставляют дуговой спектр. Изменение
спектра в процессе самого импульса
показывает определенную последова-
тельность во времени получения искро-
вых и дуговых линий, которое приводит
к важным практическим следствиям,
относящимся к выбору газа для им-
пульсных ламп. Так, если необходимо
получить кратковременную вспышку,
то целесообразно пользоваться такими
газами, у которых искровые линии ле-
жат в видимой части спектра, и вместе
с этим создавать такие условия разря-
да, при которых искровой спектр пре-
обладает над дуговым. Этим обстоя-
тельством объясняется выгода приме-
нения в импульсных лампах аргона,
криптона и ксенона по сравнению с ге-
лием и неоном, у которых искровые
линии лежат в невидимой ’ части
спектра.
В табл. 29-2 и 29-3 приведены
основные электрические и световые па-
раметры импульсных прямолинейных
кварцевых ламп (ИПК) и импульсных
прямолинейных из тугоплавкого стекла
ламп (ИНС), изготовляемых Москов-
ским электроламповым заводом.
Таблица 29-2
Наименование параметра	Единица измерения	Типы ламп		
		ИПК-200	ИПК-400	ИПК-600
Номинальная энергия вспышки		дж	200	400	600
Номинальное напряжение на конденсаторе	в	3 000	3 500	3 500
Световая энергия вспышки		лм сек	3 000	7 500	13 000
Наименьший срок службы		Число вспышек	3 000	3 000	3 000
§30-1]
ЛАМПЫ В АТМОСФЕРЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
261
ГЛАВА ТРИДЦАТАЯ
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ С ВОЛЬФРАМОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
В АТМОСФЕРЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА И ПАРОВ РТУТИ
Электродосветными лампами назы-
ваются источники света, действие кото-
рых основано на использовании темпе-
ратурного излучения твердых электро-
дов, нагреваемых до температуры све-
чения за счет энергии, выделяющейся
в процессе дугового газового разряда.
Общим признаком всех электродо-
светных ламп служат высокая (от
3 000 до 4 000® К и при давлении
р > 1 ат до 6 500° К) температура
электродов и соответственно преобла-
дающий термический характер боль-
шинства элементарных процессов газо-
вого разряда.
Высокая температура электродов и
газового объема разряда объясняется
здесь большой плотностью тока на ра-
бочей поверхности электродов и в объ-
еме разряда, а также большой его кон-
центрацией (малая величина поверх-
ности электродов и междуэлектродно-
го пространства) при наличии относи-
тельно малых потерь на охлаждение.
Последнее, кроме компактности разря-
да, объясняется также малым отводом
тепла электродами вследствие специ-
альной их конструкции (тонкая токо-
проводящая часть электродов в точеч-
ных и солнечных лампах) или малой
теплопроводности материала электро-
дов (угольные электроды).
Соответственно используемому в ра-
боте электродосветных ламп характеру
дугового разряда можно выделить два
основных вида ламп, значительно от-
личающихся как по условиям работы
электродов, так и по конструкции:
а)	электродосветные лампы с элек-
тродами, работающими в среде инерт-
ных газов или паров;
б)	электродосветные лампы с элек-
тродами, работающими в среде атмо-
сферного воздуха.
Характерной особенностью ламп
первого а) вида является отсутствие
расхода материала электродов в про-
цессе горения лампы благодаря нали-
чию инертной атмосферы. В связи с
этим отпадает необходимость в приспо-
соблениях для сохранения постоянного
расстояния между электродами путем
их передвижения и электроды могут
выполняться неподвижными.
Во избежание интенсивного терми-
ческого распыления электродов они
обычно выполняются из наиболее туго-
плавкого металла — вольфрама и ра-
бочая температура электродов выби-
рается в пределах 3 100—3400°lK. Так
как вольфрам обладает хорошей тепло-
проводностью, то для уменьшения по-
терь тепла вдоль электродов и кон-
центрации высокой температуры на их
концах они выполняются в виде шари-
ков или коротких цилиндров, прива-
ренных к тонким вольфрамовым про-
волокам'.
Для сохранения постоянства соста-
ва инертной среды (азот, аргон, неон,
пары ртути или их смесь) и ее давле-
ния электроды ламп этого вида и газо-
образная среда, в которой они нахо-
дятся, изолируются от атмосферного
воздуха путем заключения всей систе-
мы в стеклянный баллон, и ла^лпа в
целом имеет все признаки электро-
вакуумного прибора.
Лампы второго б) вида характери-
зуются работой раскаленных электро-
дов в среде атмосферного воздуха.
В связи с этим в процессе горения ма-
териал электродов, кроме термического
распыления, расходуется с их поверх-
ности также и за счет химических реак-
ций его с атмосферным воздухом.
30-1. Лампы с вольфрамовыми
электродами в атмосфере инертного
газа
а) Дуги в инертном газе
при пониженном давлении.
Примером электродосветных дуг в
инертном газе может служить дуга
между вольфрамовыми электродами, в
атмосфере азота или неона, используе-
мая в так называемых «точечных»
лампах.
262
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ С ВОЛЬФРАМОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
[гл. 30
Электроды такой дуги, работающей
на постоянном токе, выполняются: анод
в виде вольфрамового шарика диамет-
ром от 1,0 до 4,0 мм, укрепленного
для меньшего охлаждения путем теп-
лопроводности через тело электрода на
тонкой вольфрамовой проволоке, и ка-
тод— в виде шарика или полусферы
несколько большего диаметра, выпол-
ненного для получения лучшей термо-
электронной эмиссии из смеси вольфра-
ма и окиси тория и укрепленного по-
добно аноду на тонком вольфрамовом
стержне. Система таких электродов,
располагающихся во время работы
лампы на расстоянии 2—3 мм один от
другого, монтируется на стеклянной
ножке и запаивается в баллон, который
откачивается и наполняется чистым
азотом при давлении от 80 до 180 мм
рт. ст. или неоном при давлении около
400 мм рт. ст..
Лампа включается в электрическую
цепь последовательно с омическим со-
противлением, служащим для стаби-
лизации разряда. Зажигание разряда
в лампах этого вида производится
одним из следующих способов:
а)	Путем предварительной иониза-
ции газа с помощью раскаленной
вольфрамовой спирали (термоэлектрон-
ный ионизатор).
б)	Путем ионизации с помощью
тлеющего разряда, возникающего меж-
ду вспомогательными магниевыми
электродами, включенными вместе с
большим добавочным сопротивлением
параллельно главным электродам (тле-
ющий ионизатор).
в)	Контактным способом путем ав-
томатического размыкания главных
электродов с помощью биметалличе-
ской пластинки, на которой укрепляет-
ся один из электродов (обычно анод).
Выбор метода зажигания зависит от
рода применяемого тока, напряжения
сети, рода наполняющего газа и типа
лампы.
Во всех случаях зажигания в пер-
вый момент между главными вольфра-
мовыми электродами возникает тлею-
щий разряд, который быстро (в тече-
ние несколькихг секунд) проходит все
стадии изменения катодного падения
(субнормальное, нормальное и ано-
мальное), вплоть до перехода тлеюще-
го разряда в дуговой. Этот переход
является следствием повышения темпе-
ратуры электрода, служащего катодом,
до таких пределов, когда возникает до-
статочно сильная термоэлектронная
его эмиссия, способствующая дальней-
шему быстрому увеличению мощности
разряда. При выделении на электродах
достаточной мощности они быстро на-
греваются до температуры, соответ-
ствующей стационарному состоянию
дугового разряда.
При анализе световых свойств раз-
ряда этого вида можно заметить, что
излучение света происходит почти ис-
ключительно за счет температурного
излучения раскаленных электродов, так
как линейчатый спектр излучения по-
ложительного столба разряда в этом
случае имеет малую интенсивность вви-
ду очень малого расстояния между
электродами. Благодаря высокой тем-
пературе электродов (до 3 400° К)
яркость температурного излучения
имеет значительную величину, дости-
гающую в зависимости от нагрузки
2 000—3500 сб.
Конструкция электродов дуговой
лампы, представляющая вольфрамовые
шарики, укрепленные на тонких про-
волоках, позволяет доводить их рабо-
чую температуру до более высоких пре-
делов, чем это возможно в тонких ни-
тях ламп накаливания. Благодаря
большой яркости свечения электродов
и концентрации в одной точке светово-
вого потока лампы получили название
«точечных».
Лампы с вольфрамовыми электро-
дами в атмосфере инертного газа по-
лучили окончательное оформление,
обеспечивающее их практическое при-
менение.
При описании различных типов
электродосветных ламп с вольфрамовы-
ми электродами, работающими в атмо-
сфере инертного газа, целесообразно
группировать их по конструктивным
особенностям, определяемым в основ-
ам способом зажигания разряда:
а) лампы с термоэлектронным иониза-
тором; б) лампы с ионизатором тлею-
щего разряда; в) лампы с контактным
зажиганием разряда.
Лампы этих трех видов конструк-
ции, кроме того, могут различаться по
§ 30 -1 ]
ЛАМПЫ В АТМОСФЕРЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
263
роду тока и величине потребляемой
ими мощности.
Лампы с термоэлектрон-
ным ионизатором. Лампы этого
типа строятся как для постоянного, так
и для переменного тока. Конструкция
такой лампы постоянного тока пред-
ставлена на фиг. 30-1.
Лампа состоит из стеклянного бал-
лона, наполненного аргоном, и ножки,
имеющей три ввода. Один из вводов,
соединяемый через сопротивление /?
с положительным полюсом сети, закан-
чивается вольфрамовым шариком А
диаметром около 2 мм, наваренным на
вольфрамовую проволоку; последняя
укреплена через биметаллическую пла-
стинку из материалов с различными
коэффициентами термического расши-
рения на вводном электроде. Вольфра-
мовый шарик служит положительным
электродом дуги.
Два остальных ввода присоединены
к концам термоэлектронного ионизато-
ра, состоящего из вольфрамовой спи-
рали W и прямолинейной части, на
которую надета трубочка, выполненная
для увеличения термоэлектронной эмис-
сии из смеси 65% вольфрама и 35%
окиси тория. Конец спирали присоеди-
нен непосредственно к отрицательному
полюсу сети и прямолинейный конец —
к контакту реле С, соединяющему его,
через часть сопротивления с положи-
тельным полюсом.
При включении лампы вольфра-
мовая спираль и прямолинейная ее
часть, служащие катодом, нагреваются
до высокой температуры, при которой
поверхность спирали и вольфрамо-то-
риевой трубки начинает испускать тер-
моэлектроны. При бомбардировке элек-
тронами положительно заряженный
вольфрамовый шарик разогревается до
температуры яркого каления. Проходя-
щий при этом через цепь шарика би-
металлической пластинки и реле ток
размыкает контакт и, нагревая пла-
стинку, отклоняет шарик в сторону
прямолинейного участка нити. Послед-
нее имеет своей целью переход дуги
на прямолинейный участок, обладаю-
щий большей эмиссионной способно-
стью, так как после выключения тока
накала температура самой спирали
недостаточна для получения с ее по-
верхности необходимого количества
электронов.
После отсоединения цепи накала
нагрев катода производится главным
образом за счет бомбардировки поло-
жительными ионами и лишь частично
(со стороны раскаленной спирали) —
за счет тепла Джоуля, выделяемого
при прохождении тока лампы через
спираль.
Данные об электрических и свето-
вых характеристиках точечных ламп
этого типа мощностью до 65 вт приве-
дены в табл. 30-1.
Кривые относительного изменения
мощности лампы напряжения на
лампе Ц, силы света или светового
потока F, и световой отдачи Н, в за-
висимости от тока, проходящего че-
рез лампу, приведены на диаграмме
фиг. 30-2.
Для увеличения электрической и
световой мощности ламп данного типа
их конструкция может быть изменена
путем увеличения размеров анода и
выполнения катода в виде вольфрамо-
вого шарика меньших размеров, на-
греваемого бомбардировкой положи-
тельными ионами после установления
разряда. Для зажигания разряда в
этом случае используется вышеописан-
ное приспособление, и лампа выпол-
няется с четырьмя вводами. Такая кон-
струкция лампы позволяет значитель-
но увеличить электрическую и свето-
вую ее мощность и распределить полу-
чение светового потока между анодом
264
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ С ВОЛЬФРАМОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
[гл. 30
Таблица 30-1
Напряжение дуги, в	Ток, а	Световой поток, лм	Световая отдача, лм1вт	Яркость, сб	Срок службы, часы	Диаметр колбы, мм
45—50	0,45	375	—	—			—
45-50	1,35	1 250	19,3	1 800	500—1 000	70
Таблица 30-2
Напряжение дуги, а	Ток, а	Световой поток, лм	Световая отдача, лм(вт	Яркость, сб	Срок службы, часы	Диаметр колбы, мм
40—45	1,35	1 250 '	19,3	2 300		80
45-50	5,00	6 300	25,2	2 500	500—1 000	100
45—75	8,00	42 550	30,0	—		150
и катодом более равномерно. Данные
об электрических и световых характе-
ристиках ламп этого типа приведены
в табл. 30-2.
Описанная выше конструкция лам-
пы может быть использована также
при работе на переменном токе. В
этом случае оба главных электрода
выполняются в виде вольфрамовых
Электродами в этой лампе служат
два вольфрамовых шарика одинако-
вого диаметра ( 0 = 1,5 мм), рабо-
тающие в атмосфере смеси неона и ге-
лия при давлении около 400 мм рт. ст.
Благодаря неподвижным электро-
дам эти лампы имеют более простую
конструкцию, представленную на
фиг. 30-3.
Фиг. 30-3.
Фиг. 30-2.
шариков одинакового диаметра, сим-
метрично расположенных относитель-
но вспомогательного катода, необхо-
димого для зажигания.
Лампы с ионизатором
тлеющего разряда. Лампы с
тлеющим ионизатором выпускаются
для работы в сетях переменного тока.
Зажигание лампу происходит бла-
годаря ионизирующему действию тлею-
щего разряда, возникающему между
вспомогательными электродами из
магния, включенными параллельно
основным электродам с добавочным
балластным сопротивлением в их цепи,
равным около 4 500 ом.
Лампы изготовляются на 120—
220 в при токе 1,3 и 2,5 а с силой све-
та соответственно 40 и 80 св.
§30-1]
ЛАМПЫ В АТМОСФЕРЕ ИНЕРТНОГО ГАЗА
265.
Включение лампы в сеть произво-
дится последовательно с балластным
сопротивлением в 75—77 ом, выпол-
няемым из проволоки с большем
удельным сопротивлением.
В процессе зажигания разряда и
установления его стационарного со-
стояния, продолжающегося 1—2 сек.,
напряжение на лампе падает и ток
возрастает.
При изменении напряжения с^ти
в процессе горения лампы ее элек-
трические и световые характеристики
также изменяются. О характере >от-
носительного изменения напряжения
на лампе [7,, светового потока Fz и
удельного расхода мощности -4-мож-
но судить в зависимости от тока по
кривым фиг. 30-4.
Нормальный срок службы ламп
составляет 300—400 час. и опреде-
ляется степенью почернения стенок
колбы вследствие распыления элек-
тродов или прекращением нормального
зажигания разряда.
Лампы с контактным за-
жиганием разряда. Лампы с
контактным зажиганием могут быть
сконструированы как для постоянного,
так и для переменного тока. Электро-
ды лампы постоянного тока имеют
полусферическую форму и выполняют-
ся из вольфрама (анод) и смеси 50%
вольфрама с 50% окиси тория (ка-
тод). Баллон лампы наполняется азо-
том при давлении в 100—200 мм рт. ст.
Общий вид такой лампы приведен па.
фиг. 30-5.
Контактное зажигание разряда осу-
ществляется размыканием неподвиж-
ного катода и анода, укрепленного на.
биметаллической ленте, нагреваемой
проходящим через лампу током. Лам-
па включается в сеть постоянного то-
ка с напряжением ПО или 220 в по-
следовательно с сопротивлением, ве-
личина которого зависит от мощности
лампы и напряжения сети.
Лампы постоянного тока данного1
типа изготовляются для рабочего тока
1,3; 4,0 и 7,5 а с соответствующей си-
лой света 75, 350 и 1 000 св. Анод
ламп малой мощности состоит из воль-
фрамового шарика 0 = 2—3 мм, в то-
время как вольфрамовый анод лампы
на 7,5 а имеет поверхность 48 мм2.
Лампы с контактным зажиганием,
приспособленные для работы на пере-
менном токе, конструктивно мало,
отличаются от описанных выше ламп
постоянного тока. Изменение выра-
жается геометрической и термоэлек-
тронной симметрией электродов вслед-
Фиг. 30-5.
ствие добавления второго катода, вы-
полненного в виде вольфрамового ша-
рика одинаковых размеров с подвиж-
ным анодом.
Баллон лампы наполняется смесью,
неона и гелия (75% Ne + 25% Не).
При зажигании разряда дуга возни-
кает между вспомогательным като-
дом и подвижным вольфрамовым ша-
риком и после его перемещения дуг»
266
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ С ВОЛЬФРАМОВЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
[гл. 30
поддерживается между нижним и
верхним вольфрамовыми электродами.
Напряжение дуги колеблется от 50 до
60 в и поэтому при включении в сеть
пользуются добавочными сопротивле-
ниями. Лампы переменного тока
строятся на 1,3 и 2,5 а с силой света
в 40 и 75 св.
Лампы с вольфрамовыми электро-
дами в атмосфере инертного газа, на-
зываемые «точечными», используются
в различных проекционных устройствах
и в других случаях, когда требуется
источник света с малой’ светящейся
поверхностью сравнительно большой
яркости.
30-2. Лампы с вольфрамовыми
электродами в атмосфере ртутных
паров
При прохождении электрического
тока между вольфрамовыми электро-
дами в атмосфере аргона и ртутных
паров, кроме температурного излуче-
ния электродов, имеет место люминес-
цирующее излучение паров ртути. В
связи с этим изменяется цветность
света и увеличивается излучение энер-
гии в ультрафиолетовой части спектра.
При выполнении баллона лампы из
стекла, пропускающего ультрафиоле-
товые лучи (увиолевое стекло), можно
использовать часть спектра с длиной
волны 2 800—3 100 А, оказывающую
физиологическое действие на живой
организм и вызывающую эритему или
загар человеческой кожи. Такое дей-
ствие ртутно-вольфрамовой лампы, а
также цвет света, близкий к свету
солнца, дали основание для названия
се «солнечной лампой». Существует
несколько конструкций ламп, основан-
ных на применении комбинации воль-
фрамовой «точечной» лампы с дуго-
вым разрядом в аргоне и парах ртути,
отличающихся по конструкции элек-
тродов и потребляемой мощности.
Основные типовые конструкции таких
ламп (S-1 и S-2) приведены соответ-
ственно на фиг. 30-6 и 30-7.
Электроды, укрепленные с по-
мощью толстых никелевых вводов на
стеклянной ножке лампы, состоят из
вольфрамовых цилиндров, приварен-
ных к более тонким вольфрамовым
стержням, или из отрезка вольфрамо-
вой спирали, изогнутой, как показано
на фиг. 30-7. Параллельно электродам
приварена вольфрамовая спираль,
выполняющая при зажигании разряда
роль ионизатора. Вся электродная си-
Фиг. 30-6.
Фиг. 30-7.
стема заключена в баллон из специ-
ального тугоплавкого стекла, пропу-
скающего ультрафиолетовые излучения
в указанных выше пределах длин
волн.
Лампа включается в сеть с по-
мощью трансформатора с магнитным
рассеянием. При зажигании лампы
вначале накаливается вольфрамовая
Фиг. 30-8.
пить, включенная параллельно элек-
тродам. Дуга возникает после того, как
под влиянием тепла нити испарится
достаточное количество ртути, нахо-
дящейся в нижней части баллона.
Кроме ртути для облегчения зажига-
ния в баллон вводится небольшое ко-
личество аргона. Общий вид дуги
для соответствующих ламп приведен
на» фиг. 30-8.
§30-2]
ЛАМПЫ В АТМОСФЕРЕ РТУТНЫХ ПАРОВ
267
Таблица 30-3
	Тип S-1	Тип S-2
Мощность:		
а) лампы Pz, вт			315	130
б) с трансформатором Pt, вт		450	175
Напряжение на лампе Щ, в ............. Ток:	10—11	15
а) при зажигании Iz, а		10	3
б) стационарный режим /z, а		30	8,5
•Средний световой поток Fz, лм	 Световая отдача:	6 000	1600
а) лампы Н/, лм)вт		18,3	12,5
б) с трансформатором Hz, лм)вт		12,6	9,1
Срок службы А, часы		~ 300	- 300
Основные электрические и свето-
вые характеристики более мощной
-лампы S-1, изображенной на фиг.
30-6, и лампы S-2, изображенной на
фиг. 30-7, приведены в табл. 30-3.
Излучение лампы с вольфрамовы-
ми электродами в парах ртути состоит
из трех частей: теплового излучения
раскаленных электродов и спирали и
электролюминесценции ртутных паров.
Относительное распределение излу-
чения лампы S-1 в видимой и ультра-
фиолетовой части спектра можно ха-
рактеризовать табл. 30-4.
Таблица 30-4
Излучение	Ультрафиоле- товые излу- чения		Видимые излучения	
	вт	%	вт	%
Вольфрамовая спи- раль . . Электроды дуги . Пары ртути . .	0 0,9 6,2	0 0,29 2,0	1,4 27,0 6,2	0,45 8,7 2,0
	7,1	2,29	34,6	11,15
Общий световой поток лампы со-
стоит из следующих частей: нить дает
около 1,7%, Дуга 15% и раскаленные
вольфрамовые электроды 83,3 %.
Вольтамперная характеристика лам-
пы S-1 при постепенном увеличении
напряжения t/z на первичной обмотке
трансформатора приведена на фиг.
30-9.
Кривая фиг. 30-9 показывает, что
при постепенном увеличении первич-
ного напряжения ток во вторичной це-
пи проходит сначала через вольфра-
мовую спираль. Повышение напряже-
ния на лампе идет вместе с увеличе-
Фиг. 30-9.
нием тока до точки Л, в которой про-
исходит зажигание разряда, сопровож-
дающееся быстрым переходом возра-
стающей характеристики в падающую
АВР. При уменьшении напряжения
вольтамперная характеристика дости-
гает точки, в которой происходит пога-
сание дуги. При включении лампы S-1
нить накаливается до температуры
3 000° К. При горении лампы темпера-
268
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
[ГЛ. 31
Таблица 30-5
	Световой ТОК, AM	Яркость, сб	Световая отдача, AMfam	Срок службы,, часы
Электродосветная лампа с вольфрамовыми электродами в инертном газе 	 Электродосветная лампа с вольфрамовыми электродами в парах ртути		500—12500 1600—6000	1 900—2 200 1500—2 000	20,0—25,0 12,0—20,0	300—400 300
тура нити понижается до 2 400° К;
температура электродов равна 3 1-60° К.
При исследовании изменения интен-
сивности ультрафиолета в процессе
длительной работы лампы можно за-
метить, что в первое время наблю-
дается возрастание интенсивности и
затем после достижения некоторого
максимума — ее уменьшение.
Эти изменения сопровождаются не-
прерывным увеличением температуры
ртути, которая и служит причиной уве-
личения интенсивности ультрафиоле-
товых излучений. Последующее умень-
шение интенсивности излучений объяс-
няется влиянием сильного почернения
стенок баллона, быстро увеличивающе-
гося по мере повышения температуры.
Описанные выше типы электродо-
светных ламп с парами ртути благо-
даря наличию в их спектре ближнего-
ультрафиолета используются главным
образом для медицинских и биологи-
ческих целей.
Сводка средних значений электри-
ческих и световых характеристик элек-
тродосветных ламп с вольфрамовыми
электродами в атмосфере инертного1
газа и ртутных паров приведена в
табл. 30-5.
ГЛАВА ТРИДЦАТЬ ПЕРВАЯ
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ С ЭЛЕКТРОДАМИ,
РАБОТАЮЩИМИ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
30-1. Физические свойства дуги в среде
атмосферного воздуха
Газовый разряд в среде атмосфер-
ного воздуха отличается от разряда
в инертной среде наличием ряда про-
цессов химико-физического характера.
Эти процессы состоят в диссоциации
молекул газообразной среды и продук-
тов испарения вещества электродов,
в химических реакциях между отдель-
ными составными частями, составляю-
щими атмосферу разряда, и других яв-
лениях, находящих свое объяснение в
химической активности газообразной
среды и вещества электродов, усили-
ваемой высокой рабочей температурой
дуги.
Общая картина дуги постоянного
тока между угольными электродами в
атмосферном воздухе состоит в сле-
дующем.
При вертикальном расположении
двух однородных угольных электродов
(анод — вверху и катод — внизу)
можно наблюдать, что после установ-
ления стационарного режима горения
на конце верхнего положительного!
угля образуется воронкообразное
углубление, или «кратер», дуги, в то
время как нижний — отрицательный
электрод приобретает заостренную
форму. Вид такой дуги представлен
на фиг. 31-1.
Внешний вид дуги зависит от ряда
факторов, как то: от взаимного распо-
ложения электродов, наличия в их со-
ставе легко испаряющихся веществ и
степени изоляции дуги от окружающе-
го атмосферного воздуха (закрытые
дуги). В дугах с чистыми углями по-
добно дугам между вольфрамовыми
электродами в атмосфере инертных
газов доминирует температурное излу-
чение электродов (85—95%—свето-
вое излучение анода, 10—4% — излу-
чение катода и 5—1%—излучение
газа). Путем изменения состава элек-
тродов и увеличения в атмосфере раз-
§ 31-1 ] ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДУГИ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
269
ряда содержания паров, дающих види-
мые излучения, баланс светового по-
тока дуги может быть изменен в сто-
рону увеличения и даже преобладания
излучения газового столба разряда
(пламенные и, в особенности, магне-
титовые и титан-карбидные дуги).
Фиг. 31-1.
При ближайшем рассмотрении по-
ложения светящегося разряда на по-
верхности электродов можно заметить,
что катодная его часть опирается на
поверхность катода в наиболее нагре-
той его точке, носящей название
«катодного пятна»; на поверхности
угольного катода она совпадает с его
заостренной Частью. Величина поверх-
ности катодного пятна для угольных
дуг при силе тока /z==l,5—10 а и
при таких длинах дуги, когда близость
анода не влияет на величину поверх-
ности катодного пятна, может быть
определена по формуле
5^ = 0,213/,,	(31-1)
где’5хл — поверхность катодного пят-
* на, мм;
It — ток дуги, а.
Соответственно анодная часть раз-
ряда опирается на поверхность кра-
тера, величину которой для сплош-
ных углей можно определить по фор-
муле
SKP =1,34/4^2].	(31-2)
Для фиксирования положения кра-
тера на центральной части анода и со-
хранения устойчивости дуги в боль-
шинстве случаев положительный элек-
трод выполняется’ с «фитилем», кото-
рый представляет собой осевой канал,
наполненный порошкообразной уголь-
ной массой. Для положительного
фитильного угля и отрицательного
сплошного при длине дуги 4 мм по-
верхность кратера может быть под-
считана по следующей формуле:
= <3,83+ 1,52/,)/,.	(31-3)
При сравнении температуры от-
дельных участков дуги можно заме-
тить, что наибольшей температурой
обладает поверхность анодного кра-
тера, в то время как катод и средняя
часть дуги имеют значительно мень-
шие температуры.
При одной и той же температуре
кратера температуры катода и газо-
вого объема дуги уменьшаются вместе
с увеличением длины дуги.
Абсолютные значения температуры
анодного кратера зависят от величины
плотности тока "на аноде и анодного
падения потенциала, которыми харак-
теризуются степень интенсивности ду-
ги, яркость ее анодного кратера и ве-
личина потери вещества электродов,
определяющая срок их службы.
Путем увеличения плотности тока
дуги при наличии специальных мер
для уменьшения расхода материала
электродов (увеличение давления
окружающей среды, увеличение глу-
бины кратера) температура анода
угольных дуг от нормальных значе-
ний около 3 900° К может быть повы-
шена до 6 600° К (при давлении около
22 ат) и яркость кратера — соответ-
ственно от 18 000 до 284 000 сб.
Непрерывный расход материала
электродов в процессе горения для
сохранения неизменной длины дуги
вызывает необходимость постоянного
сближения электродов, которое и про-
изводится автоматически с помощью
специальных приспособлений.
Величина общего напряжения на
электродах дуги Ut может быть пред-
ставлена уравнением
= + + +	(ЗЬ4)
где UK — катодное падение;
270
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
[ГЛ. ЗГ
Un—падение напряжения в пере-
ходной области;
t/д— падение в столбе дуги;
UA — падение на аноде.
Относительное распределение по
величине отдельных частей зависит от
ряда -факторов, среди которых глав-
ное место занимают род, величина и
форма электродов, расстояние мевду
ними и тепловой режим их работы
(испарение материала электродов), а —
определяемый током, проходящим че-
рез дугу. Ввиду различной формы за-
висимости величины отдельных ела-
не представляется возможным дать
общее уравнение, годное для всех слу-
чаев, даже в пределах применения
для электродов одного материала.
В связи с этим величина общего
напряжения на дуге t/z в функции ее
длины I и силы проходящего через
нее тока It может быть представлена
эмпирическими формулами, из кото-
рых наибольшее распространение по-
лучили следующие.
а)	Формула Г. Айртон, исследо-
ванная для угольных электродов и
ряда металлов:
^=«+^+-7^,	(ЗЬ5)
или
Ut=(* + -Х-) +(₽+-*-)/, (31-6)
где I — длина дуги, мм;
It— ток дуги.
Значения других величин, входя-
щих в эту формулу, являются no-
стоянными и характеризуют материал
и размеры электродов, а также усло-
вия, в которых дуга работает.
б)	Формула Штейнметца, имеющая
вид:
где I — длина дуги, мм;
а^ + ал—падение напряжения на
электродах, в;
с и Z] —постоянные для данного
рода электродов.
Применяя вышеприведенные
формулы при различных значе-
ниях тока для дуг определенной,
длины, можно получить ряд их
статических вольтамперных ха-
рактеристик. Вид таких характе-
ристик для угольной дуги, полу-
ченных экспериментально, при
различных длинах / приведен на
диаграмме фиг. 31-2.
Характерной особенностью
угольных дуг является наличие
некоторой зоны, в которой наблю-
дается неспокойное горение дуги,,
за которым при дальнейшем уве-
личении ее тока следует резкий
спад напряжения примерно на
10 в, сопровождаемый пере-
ходом в состояние «шипящей» дуги.
Это явление объясняется интенсивным
окислением анода и бурным выделе-
нием газов при больших плотностях
рабочего тока дуги.
31-2. Типы дуговых ламп с угольными
и металлическими электродами
и их характеристики
Открытие явления электрической
дуги и ее первые исследования,, произ-
веденные в 1802 г. профессором Ме-
дико-хирургической академии В. В.
Петровым, в течение ряда десятилетий
не находили дальнейшего развития.
Отмеченное В. В. Петровым большое
выделение света дугой, «от которо-
го, — по выражению Петрова, — тем-
ный покой довольно ясно освещен
быть может», впервые нашло практи-
ческое приложение в работах акаде-
мика Б. С. Якоби, который 8 августа
§ 31-2]
ЛАМПЫ С УГОЛЬНЫМИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕКТРОДАМИ
27 Е
1S49 г. производит опыты с вольтовой
дугой в широком масштабе и освещает
«электрическим солнцем» одну из
площадей Петербурга. Дальнейшее
расширение возможностей использова-
ния вольтовой дуги для целей общего
освещения, однако, ограничивалось
отсутствием в этот период времени до-
статочно мощных источников элек-
трического тока. Это препятствие было
устранено лишь после того, как в пе-
риод 1866—1875 гг. была усовершен-
ствована динамомашина, давшая воз-
можность получать электрическую
энергию достаточной мощности не-
прерывно в течение длительного вре-
мени.
а)	Дуговые лампы с чи-
стыми углями. Основной задачей
начального периода развития дуговой
лампы являлось стремление получить
устойчивую работу дуги в электриче-
ских цепях с помощью самостоятель-
ного регулирования расстояния между
углями.
Параллельно с этим производилась
работа и над улучшением качества
самих электродов, изготовлявшихся
вначале из ретортного угля, а затем
путем прессования их из угольной
массы с последующим обжигом при
высокой температуре.
Первой практической конструкцией
дуговой лампы, нашедшей применение
в реальной осветительной установке,
была знаменитая «свеча Яблочкова»,
изобретенная П. Н. Яблочковым в
1876 г. Лампа была предназначена
для работы в сетях переменного тока
и не требовала механического сдви-
жения углей по мере их сгорания.
Конструкция этой лампы приведена
на фиг. 31-3.
Неподвижные электроды лампы
располагались параллельно друг’ дру-
гу и разделялись изолирующей про-
кладкой из материала, превращаю-
щегося в газообразное состояние при
высокой температуре дуги. Зажигание
лампы поизводилось при сгорании про-
водящего угольного мостика, • соеди-
няющего концы угольных электродов.
Свеча Яблочкова позволила очень
простым способом разрешить задачу
о сохранении постоянного расстояния
между концами углей без их передви-
жения и применение ее ознаменовало
целую эру в развитии электрического
освещения. Однако возможность ис-
пользования этого принципа исключи-
тельно для переменного тока (вслед-
ствие неравномерного сгорания поло-
жительного и отрицательного угля),
а также некоторые другие недостатки
значительно ограничивали дальнейшее
распространение этого типа ламп.
Использование других типов дуго-
вых ламп стало возможным лишь
после применения специальных регу-
ляторов для передвижения углей по
мере их сгорания. При нормальной
рабочей температуре сплошных элек-
тродов из чистого угля, работающих в
условиях открытой дуги (температура
анода 3 900—4 1-00° К, а катода на не-
сколько сот градусов ниже), сгорание-
пол ожительного угля идет приблизи-
тельно в 2 раза быстрее, чем сгорание
катода, а потому при условии одина-
кового сгорания электродов по длине
диаметр анодного угля выбирается в
Р/г раза больше, чем диаметр катода.
Для фиксирования дуги в цен-
тральной части электродов в лампах
постоянного тока по оси положитель-
ного угля и в лампах переменного то-
ка по оси обоих углей иногда распо-
лагается «фитиль», состоящий из ка-
нала, заполненного чистым порошко-
образным углем.
Световая отдача открытых дуговых
ламп с электродами из чистого угля в-
зависимости от мощности лампы ко-
леблется в пределах от 6—10 до
14 лм!вт при работе на постоянном то-
•272
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ. В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
[гл. 31
ке и около 7 лм/вт — при переменном.
Напряжение соответственно равно
35—40 и 27—33 в, ток 6—25 а; про-
должительность горения одной пары
углей в зависимости от их длины от 8
до 20 час.
Малая продолжительность горения
установленной пары углей, вызываю-
щая неудобство и дороговизну в обслу-
живании в открытых дуговых лампах,
•была устранена применением дуговых
ламп с ограниченным доступом воз-
духа. Принцип закрытой дуги, приме-
ненный впервые в 1893 г., дал возмож-
ность повысить продолжительность
•службы углей в лампах с ограничен-
ным доступом воздуха до 20—30 час.,
а в некоторых лампах до 200 час. Све-
товая отдача ламп продолжительного
горения, однако, значительно ниже по
сравнению с открытыми лампами, а
именно при постоянном токе 4—
8 лм]вт и при переменном — 2,2—
4,0 лм!вт. Напряжение лампы про-
должительного горения равно соответ-
ственно 80—160 и 40—50 в при токе
ют 6 до 15 а. Закрытые лампы продол-
жительного горения имеют длинную
неспокойную дугу, свет которой богат
ультрафиолетовыми лучами, вслед-
ствие чего лампы успешно применяют-
ся для различных фотографических
процессов.
б)	Лампы с пламенными
углями. Значительное усовершен-
ствование достигнуто было примене-
нием в 1899 г. углей с примесью солей
различных металлов. Металлизирова-
ние углей производится путем предва-
рительного пропитывания растворами
соответствующих солей основной элек-
тродной массы или массы фитиля.
В противоположность лампам с чи-
стыми углями у этих ламп большая
часть светового потока (до 80%) ис-
пускается не электродами, а люминес-
цирующими раскаленными парами ме-
таллов, образующих пламя. В зависи-
мости от применяемых примесей изме-
няется и цвет испускаемого света: так,
кальций дает желтый свет, барий и
титан — белый и красноватый. Пропи-
танные угли носят назвайие «эффек-
тивных» или «пламенных».
Световая отдача открытых пламен-
ных ламп для постоянного тока дости-
гает при углях с желтой дугой
35 лм]вт и для переменного тока —
25 лм!вт при напряжении около 45 в
и токе 6—15 а. Продолжительность
горения обыкновенных пламенных ду-
говых ламп 10—20 час.
Позднее, в 1910 г., для увеличения
продолжительности горения использо-
ван принцип закрытой дуговой пла-
менной лампы, в которой путем спе-
циальной конструкции стеклянного
колпака и ограниченного доступа воз-
духа конденсация образующихся в
процессе горения дуги паров происхо-
дит в наиболее холодной, широкой ча-
сти колпака. Угли в такой лампе вы-
полняются сплошными и располагают-
ся одни над другим.
Световая отдача пламенной лампы
продолжительного горения с желтой
дугой для постоянного тока равняет-
ся около 27 лм!вт и для переменно-
го — 25 лмт/вт при напряжении 42—
43 в и токе от 8 до 18 а. Продолжи-
тельность горения одной пары углей
в закрытых пламенных дуговых лам-
пах достигает 120 час., в течение
которых вследствие загрязнения внут-
ренней поверхности колпака сила
света понижается приблизительно
на 10%.
в)Лампы с металлически-
ми электродами. Более интенсив-
ное излучение света, достигаемое в
пламенных лампах, благодаря исполь-
зованию металлов нашло применение
в дуговых лампах с электродами, вы-
полненными целиком из металла.
В 1904 г. в качестве материала для
катода была применена смесь из маг-
нитной окиси железа и двуокиси ти-
тана, заключенная в железную трубку.
Положительный электрод был выпол-
нен из массивной меди. Дуга меж-
ду такими электродами дает очень
интенсивный белый свет, причем рас-
ходуется только катод, медный же
электрод остается почти без измене-
ния. Лампа очень широко применя-
лась для уличного освещения и только
в последнее время была вытеснена
мощными лампами накаливания и
другими источниками света. Световая
отдача лампы достигала для крупных
единиц 25 лм]вт, напряжение около
80 в, сила тока 4—4,6 а. Продолжи-
§ 31-2]
ЛАМПЫ С УГОЛЬНЫМИ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
273
тельность горения достигала 75 час.,
лампа может работать на постоянном
или выпрямленном переменном токе.
Кроме этой так называемой магнети-
товой лампы, иногда применялась
лампа с катодом из карбида титана.
Световая отдача титан-карбидной лам-
пы несколько выше, чем у магнетито-
вой, и лампа используется как для
переменного, так и для постоянного
тока.
г) Регулирование рас-
стояния между электродами
дуговых ламп и включение
их в сеть электрического
тока. Непрерывное сгорание электро-
дов дуговых ламп, работающих в среде
атмосферного воздуха, вызывает необ-
ходимость их плавного или периоди-
ческого передвижения с определен-
ной скоростью, обеспечивающей со-
хранение постоянства методу электро-
дами.
Простейшими схемами устройств,
обеспечивающих регулирование рас-
стояния между электродами дуговых
ламп, являются электрические схемы
с соленоидами, реагирующие на изме-
нение напряжения на электродах (па-
раллельное включение соленоида) или
на изменение тока . (последовательное
включение соленоида), и сдвигающиеся
электроды вследствие магнитного воз-
действия. При параллельном включе-
нии соленоида, схема которого пред-
ставлена на фиг. 31-4,7, всякое увели-
чение расстояния т—п между электро-
дами вызывает повышение напряже-
ния на электродах дуги и соответ-
ствующую реакцию соленоида С, сбли-
жающего электроды. Это сближение
будет продолжаться до того
момента, пока сила магнита,
зависящая от действующего на
его обмотке напряжения, не
уравновесит противодействия
отрегулированной на опреде-
ленную силу пружины В.
При последовательном вклю-
чении соленоида, схема которо-
го представлена на фиг. 31-4,2,
увеличение расстояния т—п
между электродами вызывает
уменьшение тока в цепи лампы
и пружина В выполняет работу
по сближению электродов до
1 Параллельное
включение
тех пор, пока ток не будет достаточен
для уравновешивания противодействия
пружины.
Надежное применение этих схем в
эксплуатации возможно, однако, толь-
ко в случае одиночного включения
лампы в сеть, что при низком (35—
40 в при постоянном токе и 27—35 в
при переменном токе) напряжении на
электродах большинства ламп и срав-
нительно высоком (не менее ПО в)
напряжении сетей невыгодно вслед-
ствие больших потерь в стабилизирую-
щих сопротивлениях.
При последовательном соединении
ламп по нескольку в одну цепь описан-
ные выше схемы регулирования не
обеспечивают надежной работы, так
как изменение напряжения на элек-
тродах ламп и тока в цепи вызывают
соответствующие изменения в осталь-
ных лампах, включенных в одну цепь,
отражающиеся на устойчивости их
светового режима.
Схемой, которая устраняет указан-
ное выше неудобство, является схема
дифференциального включения двух
соленоидов: одного — последовательно
с дугой и другого — параллельно ее
электродам. Такая схема приведена на
фиг. 31-4,3. При воздействии на регу-
лятор двух электрических параметров
цепи его работа становится устойчи-
вой и представляется возможной одно-
временная спокойная работа любого
числа ламп, включенных последова-
тельно в одну цепь. Дифференциаль-
ный регулятор впервые был предло-
жен русским инженером В. Н. Чико-
левым в 1874 г.
18 А. П. Иванов.
Схемы регуляторов для дуговых угольных ламп
Фиг. 31-4.
274
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
[гл. 31
Последовательное включение не-
скольких ламп требует также устрой-
ства соответствующих приспособлений,
замыкающих каждую лампу при вы-
ходе ее из строя (например, при пол-
ном сгорании углей) на эквивалентное
сопротивление. Схемы, приведенные на
фиг. 31-4,/, 2,3, указывают лишь на
принципы конструкции отдельных ре-
гуляторов, которые на практике имеют
более сложное устройство.
31-3. Интенсивные дуговые лампы
В некоторых случаях, как, например,
в прожекторном освещении, является
выгодным идти по пути увеличения
яркости применяемого источника све-
та и повышения его мощности. Яркость
кратера обыкновенной дуговой лампы
равняется около 18 000 сб (при темпе-
ратуре около 4 200° К). Исходя из
того, что температура дуги обусловли-
вается точкой плавления и испарения
угля, которые в свою очередь зависят
от атмосферного давления, при дав-
лении в 22 ат получили температуру
дуги в 7 600° К и яркость кратера око-
ло 280 000 сб. Однако вследствие не-
устойчивости дуги и. трудности техни-
ческого выполнения такой лампы для
целей освещения этот принцип на
практике распространения не получил.
Бек в 1910 г. повысил яркость кра-
тера дуги, исходя из другого принци-
па: он увеличил плотность тока по
сравнению с нормальной почти в
10 раз, путем концентрации дуги
в центральной части положительного,
вращающегося вокруг своей оси угля,
выполненного из массы специального
состава и покрытого медью; для умень-
шения обгорания угля кратер обду-
вался парами спирта или светильным
газом.
Яркость прожекторной дуговой лам-
пы с такими электродами достигает
100000—125000 сб при температуре
кратера около 5 100° К..
Хотя одним из средств уменьшения
быстрого испарения материала с по-
верхности Электродов является повы-
шение давления окружающей его сре-
ды, которое при данной величине удель-
ного испарения материала может слу-
жить средством повышения рабочей
температуры и вместе с ней — яркости,
анодного кратера, однако повышение
давления не может служить средством
для увеличения яркости анодного кра-
тера в осветительных дугах на прак-
тике, так как это, как уже указывалось
ранее, сопряжено с большими техниче-
скими затруднениями. Поэтому для
достижения этой цели техника пошла
по другому пути.
Испарение вещества с раскаленной
поверхности электрода и его сгорание
в окружающем пространстве можно-
уменьшить, если это пространство за-
полнить парами того же вещества в
насыщенном или перегретом состоя-
нии. Такое состояние может быть осу-
ществлено в закрытой или полузакры-
той полости, например в глубоком
кратере анода, подвергнутого бомбар-
дировке заряженными частицами.
Кроме уменьшения потери веще-
ства с поверхности электрода и воз-
можности повышения благодаря этому
его рабочей температуры, наличие рас-
каленной полости (глубокого кратера)
способствует также увеличению ярко-
сти излучения и за счет приближения
излучающих свойств вещества к излу-
чению абсолютно черного тела.
Яркость в открытой части полости
может быть еще более увеличена пу-
тем заполнения объема полости раска-
ленными частицами вещества, обла-
дающего избирательным излучением и
спектральными свойствами, способ-
ствующими увеличению видимой ярко-
сти излучения за счет электролюми-
несценции при термическом возбуж-
дении атомов и молекул.
На этом принципе основана интен-
сивная дуга, схема которой приведена
на фиг. 31-5.
Электродами интенсивной дуги слу-
жат специальные фитильные угли,
диаметр которых зависят от величины
тока лампы. Так, положительный элек-
трод дуги на 150 а имеет внешний
диаметр = 16 мм и отрицатель-
ный —= 11 мм. Оболочка обоих
электродов выполнена из очень чи-
стого угля большой плотности и
твердости. Центральная часть поло-
§ 31-3]
ИНТЕНСИВНЫЕ ДУГОВЫЕ ЛАМПЫ
275
жительного угля заполнена твердым
фитилем, имеющим диаметр d#=8MM
и состоящим из плотной массы, со-
держащей большое количество фтори-
стого церия. Фитиль отрицательного
угля имеет диаметр d~= 3 мм и со-
стоит из мягкого угля; назначение
этого фитиля — центрировать дугу на
конце электрода.
В процессе работы положительный
уголь вращается вокруг своей оси со
скоростью 16—20 оборотов в .минуту
и одновременно перемещается в осе-
вом направлении по мере его сгорания.
Фиг. 31-5.
Отрицательный уголь обычно переме-
щается по оси, не вращаясь. Во время
горения дуги на конце положительного
угля образуется глубокий кратер в ви-
де усеченного конуса диаметром dK =
= 14 мм и глубиной около 7—8 мм,
остающийся неизменным по объему и
линейным размерам в процессе всего
горения Дуги.
Так как при высоких плотностях
тока обычно наблюдаются колебания
интенсивности свечения дуги, то для
успокоения разряда в данном случае
применяются иногда (например, при
киносъемках) специальные приспособ-
ления в виде магнитов, воздействую-
щих на дугу. Магниты могут быть по-
стоянными, а также возбуждаемыми
электрическим током, Проходящим че-
рез дугу или независимо от нее. Для
предохранения магнитов от действия
высокой температуры форма их и рас-
положение по отношению к дуге долж-
ны быть выбраны соответствующим
образом.
Внешний вид дуги характеризует-
ся большой яркостью раскаленного
18*
объема кратера и наличием яркого
пламени, образующегося при сгорании
частиц вещества электродов, увлекае-
мых вверх конвекционными потоками
воздуха. Так как пары, образующие
пламя, выделяются обоими электро-
дами, то световой эффект зависит так-
же от состава катода и от его распо-
ложения по отношению к положитель-
ному углю.
Излучение дуги в целом имеет
преимущественно температурный ха-
рактер, в небольшой степени допол-
няемый электролюминесцирующим
излучением разряда. По сравнению с
излучением обыкновенной вольтовой
дуги на воздухе, имеющим голубова-
тый цвет свечения, излучение дуги вы-
сокой интенсивности отличается зеле-
новато-белым свечением газов, выде-
ляющихся из положительного угля,
обусловливающих цвет свечения, по-
добный дневному свету.
Характерной особенностью лампы
является ее работа при плотностях то-
ка на аноде в несколько раз больших,
чем в рбыкновенных угольных дугах.
В связи с этим сильно возрастают
температура и яркость кратера.
Для достижения высоких плотно-
стей тока диаметр угольных электро-
дов интенсивных дуг берется значи-
тельно'меньшим по сравнению с нор-
мальными дугами при той же силе
тока.
Работа электродов интенсивных дуг
при высоких плотностях тока сопро-
вождается быстрым сгоранием углей,
которые при токе в 150 а и диаметрах
d+ = 14 мм и d_ — 11 мм сгорают со
скоростью от 30 до 17 мм в час. Для
сохранения центрального положения
кратера и уменьшения обгорания
внешней поверхности анодного угля
концы электродов можно омывать
парами алкоголя или светильным га-
зом, а также заключать- в кварцевую
оболочку. Чтобы уменьшить нагрева-
ние углей проходящим током, поверх-
ность их покрывается слоем меди и
контактные приспособления выпол-
няются иногда из особо теплопровод-
ных металлов с специальным водяным
охлаждением.
Увеличение плотйости тока на ано-
де дуги высокой интенсивности может
276
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
[гл. 31
быть достигнуто как увеличением
общего тока, проходящего через дугу,
так и уменьшением поверхности ано-
да, участвующей в разряде. Последнее
достигается соответствующим умень-
шением диаметра анодного угля и соз-
данием условий, благоприятствующих
отшнуровыванию разряда, способ-
ствующего образованию глубокого
кратера.
Согласно исследованиям Н. А. Ка-
рякина, произведенным в ВЭИ, в раз-
витии эффекта высокой интенсивности
можно установить следующие три
стадии:
а)	В первой стадии (малые вели-
чины тока при достаточно большой
поверхности положительного угля)
эффект высокой интенсивности отсут-
ствует, вследствие того что плотность
тока в анодной части разряда при
увеличении тока дуги не увеличивает-
ся, так как по мере возрастания тока
увеличивается также и площадь анода,
принимающая участие в разряде.
б)	Во второй стадии (достаточная
величина тока для данной поверхно-
сти положительного угля) наблюдают-
ся начало и развитие эффекта высокой
интенсивности до его нормальных пре-
делов (наибольшая плотность тока при
правильной конфигурации кратера и
оптимальном расходе угля).
в)	Третья стадия (очень большой
ток, не соответствующий поверхности
положительного угля) характеризует-
ся прекращением эффекта высокой
интенсивности вследствие достижения
предельного значения падения напря-
жения в отшнурованном разряде в
кратере; по достижении этого разряд
распространяется на стенки кратера, и
плотность тока на аноде уменьшается.
При электродах из одного мате-
риала, одинаковой концентрации па-
ров редких земель и одинаковых усло-
виях охлаждения внутренней поверх-
ности кратера плотность тока на аноде
может служить основным критерием,
определяющим яркость дуги.
Классификация дуг высокой интен-
сивности на практике обычно произво-
дится по областям их примененйя,
среди которых наибольшее значение
имеют прожекторная техника, кино-
проекция, а также кинематографиче-
ская и фотографическая съемки.
В некоторых случаях высокоинтен-
сивные дуги классифицируются услов-
но по степени интенсивности, опреде-
ляемой их яркостью, а также по мощ-
ности, определяемой величиной рабо-
чего тока дуги. В соответствии с этим
иногда различаются дуги средней,
высокой и сверхвысокой интенсивно-
сти, а также дуги высокой и сверх-
высокой мощности.
Хотя эффект высокой интенсивно-
сти используется наиболее полно при
работе дуги на постоянном токе, одна-
ко в последнее время в некоторых
случаях применяются также высоко-
интенсивные дуги переменного тока,
допускающие возможность использо-
вания всех выгод более распростра-
ненного и удобного в применении
рода тока.
Прожекторные дуг‘и высо-
кой интенсивности. Первой и
наиболее широкой областью примене-
ния дуговых ламп высокой интенсив-
ности явилось использование их в
прожекторах дальнего действия, где
высокая яркость интенсивной дуги и
характер излучения ее кратера, при-
ближающийся к характеру излучения
точечного источника света, находят
наиболее удачное сочетание с оптиче-
скими свойствами параболических
прожекторных отражателей.
Данные об основных характеристи-
ках современных серий прожекторных
дуг высокой интенсивности, разрабо-
танных в СССР, и о дугах, применяе-
мых за границей, приведены в табл.
ЗЫ.	;
§ 31-3]
ИНТЕНСИВНЫЕ ДУГОВЫЕ ЛАМПЫ
277
Таблица 31-1
Род дуги	Плот- ность тока, а[см*	Темпера- тура кратера т, °к	Яркость кратера, сб	Диа- метр углей, <4+. ММ	Диа- метр фити- ля мм	Ток дуги, а	Сила света дуги, св	Скорость сгорания, мм}час
Обыкновенная угольная дуга		10—30	3 900	18 000					
Дуга интенсивной лам- пы (глубина кратера 12 мм) 		75	4 572	70 300	16	8	150	95 000	180
То же		99	4 870	100 000	16	8	200	—	420
То же		112	5110	126 000	16	8	225	150 000	510
То же		111	5045	120 000	18,5	9	300	190 000	—
Вольтамперные характеристики ин-
тенсивных дуг различной длины при-
ведены на фиг. 31-6.
Кривые фиг. 31-6 показывают, что
вольтамперные характеристики интен-
сивных дуг в противоположность про-
стым угольным дугам, имеющим па-
дающую характеристику, при изве-
стных значениях тока начинают воз-
растать.
Включение интенсивных дуг в цепь
электрического тока, так же как и для
простых дуг, требует применения бал-
ластных сопротивлений, в которых в
зависимости от используемого рабо-
чего напряжения тратится от 30 до
50% всей мощности. Регулирование
расстояния между электродами и со-
хранение постоянства электрического и
светового режима ламп в современных
лампах производятся автоматически
с помощью механизмов, включенных
в комплект самой лампы.
При анализе распределения ярко-
сти дуг высокой интенсивности можно
установить, что наибольшей яркостью
обладает центральная, наиболее глу-
бокая часть кратера, заполненная рас-
каленной средой газов, паров и рас-
пыленными продуктами термического
разложения вещества анода (фитиль
и оболочка). Эта отшнурованная часть
разряда, имеющая вид спирального
кольцевого столба, имеет яркость, при-
близительно в 6 раз большую по срав-
нению с яркостью раскаленных краев
кратера, где глубина кратера неве-
лика.
Причиной такой высокой яркости
центральной части кратера служит
наличие здесь наиболее раскаленного
и толстого газообразного излучающего
слоя и наибольший эффект излучаю-
щей полости (черное излучение).
Световой поток, излучаемый крате-
ром, составляет доминирующую часть
общего светового потока дуги, наряду
с которым значительная доля (до 50%
от светового потока, излучаейого кра-
тером) излучается также пламенем
дуги.
При использовании интенсивных
дуг в прожекторной технике благо-
даря центральному положению крате-
ра около 90% светового потока про-
жекторного луча доставляется крате-
ром и остальные 10%' — другими ча-
стями дуги.
Пространственное распределение
светового потока дуговых ламп зави-
сит от расположения углей и рода при-
меняемого тока.
Кинопроекционные интен-
сивные дуги. Введение интенсив-
ных дуг в практику кинопроекции
преследует цель замены простой
угольной дуги, работающей с зер-
кальной оптикой, в кинотеатрах малого
размера. При использовании интен-
сивных дуг такая замена повышает
‘ освещенность экрана в 1,5—3 раза и
позволяет достигнуть улучшения цвет-
ности его освещения, приближая его
практически к цветности, создаваемой
дугами высокой интенсивности.
Интенсивные дуги, применяемые в
кинопроекции, работают на напряже-
нии от 30 до 40 в при токе в 32—70 а
в зависимости от типа применяемых
углей. По своему режиму дуги данной
278
ЭЛЕКТРОДОСВЕТНЫЕ ЛАМПЫ В СРЕДЕ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА
[гл. 31
категории в большинстве случаев
относятся к дугам средней интенсив-
ности.
При яркости центральной части
кратера от 60 000 до 65 000 сб угли
имеют расчетную плотность тока соот-
ветственно от 142 до 130 а/см2 и рас-
ход анода от 16 до 34 см в час.
Для упрощения эксплуатации
углей последние работают без враще-
ния.
При горении дуги на аноде обра-
зуется неглубокий кратер менее пра-
вильной формы по сравнению с кра-
тером дуги высокой индуктивности с
аналогичным распределенцем яркости.
Высокое значение плотности тока,
необходимой для создания достаточ-
ной яркости, обеспечивается в данном
случае более неблагоприятными усло-
виями рассеяния тепла с поверхности
анода и кратера вследствие относи-
тельно малых размеров анода и соот-
ветственно незначительной толщины
стенки кратера.
Киносъемочные дуги вы-
сокой интенсивности. Кино-
съемочные интенсивные дуги находят
широкое применение для верхнего и
бокового освещения при фото- и кино-
съемках.
По своей конструкции и характеру
разряда эта дуга может быть отнесе-
на к категории пламенных дуг с вер-
тикальными фитильными электродами,
содержащими соли редких земель и
работающими с повышенной плот-
ностью тока.
Для углей диаметром А. = 8 и
d- — 7—8 мм ток дуги равен около
40 а при напряжении на дуге от 35 до
40 в и плотности тока около 80 а!см2.
Расход углей при таком режиме
составляет около 100 мм в час.
Дуга обладает высокой цветовой
температурой, достигающей 4 650° К,
и излучением до 40% от всей энергии -
разряда в наиболее эффективной для
фотосъемок области спектра 3 400—
7000 А, а также большой световой
отдачей около 65 лм/вт. Наряду с вы-
сокой актиничностью и световой эконо-
мичностью к достоинствам дуги отно-
сятся также хорошая цветопередача,
бесшумность, стабильность режима и
относительно малый расход углей.
В результате исследований, произ-
веденных Всесоюзным электротехниче-
ским институтом, было обнаружено, что
эффект высокой интенсивности в такой
дуге находится в стадии слабого раз-
вития. Это выражается в отсутствии
глубокого кратера и значительного от-
шнуровывания разряда при большом
содержании паров редких земель в пла-
мени дуги, обеспечивающем ее высо-
кую световую отдачу. Исследования
показали также, что угли данного ти-
па отечественного производства при
испытании дали лучшие результаты по
сравнению с американскими углями
по световой отдаче — выше на 5—
10% — и по величине уровня шумов
при горении — на 1—2 дб ниже. На-
ряду с этим было обнаружено, что
световая отдача киносъемочной дуги
может быть повышена до 75—
80 лм/вт.
Дуга высокой интенсив-
ности переменного тока. На-
ряду с кинопроекционными дугами
постоянного тока, применяемыми в ки-
нотеатрах малого размера, в последнее
время получают распространение дуги
переменного тока с горизонтально рас-
положенными электродами.
Электрические, световые и эксплуа-
тационные параметры такой дуги при-
ведены в табл. 31-2.
Несмотря на большую величину
плотности тока, достигающей 160 а/см2,
дуга переменного тока обладает значи-
тельно меньшей яркостью и меньшим
расходом углей. >по сравнению с ин-
тенсивными дугами постоянного тока.
Это является следствием слабого раз-
вития эффекта высокой интенсивности,
выражающегося, в первую очередь в
отсутствии кратера, что ведет к умень-
шению яркости дуги. В эксплуатацион-
ном отношении дуга переменного тока
требует специальных условий питания
ее электроэнергией, заключающихся
главным образом в соответствии час-
тоты переменного тока частоте смены
кадров кинематографического фильма.
В части освещенности экрана и цвет-
ности света интенсивная дуга перемен-
ного тока по сравнению с .обычными
дуговыми лампами имеет те же преи-
мущества, что и высокойнтенсивная
дуга постоянного тока.
$31-3]
ИНТЕНСИВНЫЕ ДУГОВЫЕ ЛАМПЫ
279
Таблица 31-2
Тип углей*	Рабочий режим дуги 	1-			Плот- ность тока, ajcM2	Яркость централь- ной части кратера, кеб	Расход углей, мм) час	Примечание
	Ток, а	Напряже- ние, в				
7—65	60—65	23—26	168	23—31	110—140	Измерения ВЭИ
8—80	75-80	24—29	160	36	110—140	Литературные данные
♦ Обозначение типа углей включает диаметр положительного угля, мм (первое число), и ток дуги, а
-(второе число).
Таблица 31-3
Род лампы	Световой поток, лм	Яркость*, сб	Плотность** тока, а/см*	Световая отдача, лм[вт	Срок службы»**, часы
Электродосветная лампа с чистыми угольными электродами 		700—8 500	10 000—15 000	10—20	3,5—10,0	6—25
Электродосветная лампа с пламенными электро- дами 		5 000—25 000			19,0—39,0	6—15
Дуговая лампа с магнети- товым катодом 		5 000—12 000			—	15,0—24,0	4—6
Дуговая лампа с титан- карбидными электродами	5 000—9 000		—	21,0—25,0	3—5
Прожекторные дуги: нормальные		(100—150) *103	10000—20 000	10—30	10,0—12,0	—
интенсивные		(180—200) • 103	40 000—150 000	75—200	14,0—15,0	—
♦ Яркость на кратере дуги.
*♦ Плотность тока на кратере дуги-
•♦♦Продолжительность горения электродов без смены.
Сравнительные средние характерис- среде атмосферного воздуха, приведе-
тики для различных электродосветных ны в табл. 31-3.
ламп с электродами, работающими в
РАЗДЕЛ IV
ПЕРСПЕКТИВЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
ГЛАВА ТРИДЦАТЬ ВТОРАЯ
НЕДОСТАТКИ СОВРЕМЕННЫХ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
И ЛАМП ГАЗОВОГО РАЗРЯДА И ПУТИ ИХ УСТРАНЕНИЯ
32-1. Основные требования,
предъявляемые к 'искусственным
источникам света
Основные требования, предъявляе-
мые к любому источнику света, .пре-
дусматривают его гигиеничность, эко-
номичность и приспособленность к ос-
ветительным установкам. Гигиениче-
ские требования к источнику света оп-
ределяются гигиеной нашего органа
зрения, а также общей гигиеной и без-
опасностью. В соответствии с этим ис-
точник света должен обеспечивать
устойчивость светового режима во вре-
мени, удовлетворительную яркость из-
лучающей поверхности и благоприят-
ную цветность света. Помимо этого
при работе источника света не должно
быть газообразных и других выделений
или же излучений, вредно действую-
щих на организм, а также должна
быть обеспечена безопасность при его
применении.
Экономические требования преду-
сматривают наименьшую стоимость по-
лучения света, которая зависит от фи-
зических свойств самого источника
света, особенностей энергии, исполь-
зуемой для получения света, и эксплуа-
тационных затрат на обслуживание.
Для обеспечения наименьшей стои-
мости света нужно стремиться к дости-
жению наибольшей световой экономич-
ности источника света, выражаемой
его световой отдачей, к снижению по-
терь в добавочных устройствах, при-
меняемых для функционирования ис-
точника света или перераспределения
его светового потока, к использованию
наиболее дешевой энергии для получе-
ния света, к наименьшим затратам на
ремонт и наблюдение за осветительной
установкой в процессе ее эксплуата-
ции, а также к снижению стоимости
самого источника света.
Требования, относящиеся к приспо-
собленности источника света к освети-
тельным установкам, предусматривают
возможность использования источни-
ков света в любых единицах мощности,
желательное пространственное распре-
деление светового потока, наименьшие
габаритные размеры источника света,
определяющие размеры осветительной
арматуры, универсальность источников
света, обеспечивающую их массовое
использование и приспособленность к
условиям эксплуатации и особенностям
источников питания.
32-2. Преимущества и недостатки
современных электрических источников
света
Современные электрические источ-
ники света — лампы накаливания и
лампы газового разряда— по сравне-
нию с другими источниками света, ис-
пользующими для своей работы сжига-
ние твердого, жидкого или газообраз-
ного горючего, являются более совер-
шенными и лучше отвечают требова-
ниям, предъявляемым к источникам
света. В большинстве случаев они
обеспечивают безопасность в эксплуа-
тации, не дают никаких вредных .выде-
лений, не генерируют вредных для ор-
ганизма излучений и при нормальном!
режиме электрической сети обеспечи-
вают устойчивый световой режим. Воз-
можность конструировать электриче-
§32-3]
НЕДОСТАТКИ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ УСОВЕРШЕНСТВ.
281
ские лампы в любых желательных
единицах мощности, сравнительно не-
большие габаритные размеры ламп,
использование удобной, находящей мас-
совое применение, электрической энер-
гии для получения света и приспособ-
ленность к электрическим сетям бла-
годаря возможности конструирования
на желательные напряжения обеспечи-
вают электрическим лампам преиму-
щественное положение по сравнению с
другими источниками света.
Световая экономичность современ-
ных электрических источников света —
ламп накаливания и ламп газового
разряда — намного выше световой эко-
номичности других источников света.
Благодаря этому и всем другим пре-
имуществам электрических источников
света они нашли в настоящее время
широкое применение и вытеснили все
другие виды искусственных источников
света. Однако, несмотря на свои досто-
инства, электрические источники света
еще обладают существенными недо-
статками и требуют дальнейших усо-
вершенствований. К сожалению, совре-
менная даже наиболее экономичная
электрическая лампа является далеко
не совершенным техническим прибо-
ром. Величины наибольшего к. п. д.
электрических ламп намного уступают
достигнутым в других технических при-
борах, служащих для трансформации
энергии. Сравнительно малая эконо-
мичность электрических ламп, вызы-
вающая большой расход электроэнер-
гии, связана как с физическими осо-
бенностями излучения, так и с конст-
руктивными и технологическими не-
достатками самих ламп, а также с фи-
зиологическими свойствами глаза.
32-3. Недостатки ламп накаливания
и перспективы их усовершенствовании
Температурное излучение, которое
используется в лампах накаливания,
обладает весьма существенным недо-
статком, выражающимся в том, что-
энергии видимых излучений неизбежно
сопутствует энергия невидимых излу-
чений^ которые воспринимаются нами
в виде тепла.
В табл. 32-1 приведены значения
светового к. п. д. и световой отдачи,
для разных излучателей. Как видно
ив этой таблицы, максимальная све-
товая отдача черного тела при тем-
пературе 6 500° К, определяющая тео-
ретический предел экономичности при
температурном излучении, составляет
90 лм]вт и соответственно световой
к. п. д. составляет 14,5%. Реальные
излучатели, температура плавления ко-
торых намного ниже 6 500° К, естест-
венно, не могут обеспечить такой эконо-
мичности. Применяемый в настоящее
время в качестве тела накала в лампах
накаливания вольфрам имеет темпера-
туру плавления Т = 3 663° К, а этой
температуре соответствует световая от-
дача 50 лм/вт и световой к. п. д. 8,1%.
Однако в реальных условиях для до-
стижения желательного срока службы
ламп накаливания, зависящего от испа-
рения вольфрама при .высокой темпе-
ратуре, выбирают рабочую температу-
ру тела накала намного ниже темпера-
туры плавления вольфрама и доволь-
ствуются более низкими величинами
световой отдачи и светового к. п. д.
Лампа накаливания обычно выходит
из строя вследствие перегорания воль-
фрамовой нити в участках с наимень-
шим диаметром, в которых создаются-
Таблица 32-1
Излучатель	Температура, . °К	Световая отдача излучения, лм.{вт	L 'я*-*	t Световой К.П.Д., • %
Излучение при 1 = 0,555 мкн				621	100
Идеальный излучатель белого света 		—	220	35,5
Максимальная световая отдача черного тела ....	6 500	90	14,5
Солнце в зените 		—	86	13,8
Вольфрам при плавлении		3 663	50	8,1
Газонаполненная вольфрамовая лампа накаливания .	2 800	20	3,2
Пустотная вольфрамовая лампа накаливания ....	2 450	10	1,6
Лампа с угольной нитью		2135	3,22	0,52
Газокалильная лампа 		2 000	1,12	0,18
Керосиновая лампа 		1850	0,25	0,04
282
НЕДОСТАТКИ СОВРЕМЕННЫХ ЛАМП И ПУТИ ИХ УСТРАНЕНИЯ
[ ГЛ. 32
большая плотность тока и более высо-
кая температура. При использовании
вольфрамовой нити, обладающей боль-
шей равномерностью диаметра по дай-
не, можно повысить температуру нака-
ла, а следовательно, и световую отдачу
лампы без боязни понизить ее срок
службы. Известно, что за счет введе-
ния соответствующих присадок в со-
став вольфрама можно получить круп-
нокристаллическую структуру нити, что
Фиг. 32-1.
обеспечивает большую стойкость ее
против деформаций (провисание воль-
фрамовой спирали), наблюдающейся
при высоких температурах, и способ-
ствует понижению распыления нити.
В связи с этим при использовании со-
ответствующих «присадок к вольфраму
можно увеличить температуру накала,
не снижая срока службы ламп.
Одной из существенных задач в на-
правлении повышения экономичности
ламп накаливания за счет повышения
температуры накала является исполь-
зование для тела накала материалов,
обладающих более высокой температу-
рой плавления, чем вольфрам, и мате-
риалов с более селективными свой-
ствами излучения. Уже в настоящее
время известны карбиды — соединения
угля с тугоплавкими металлами, кото-
рые обладают более высокой темпера-
турой плавления, чем вольфрам. Так,
например, карбид тантала имеет тем-
пературу плавления 4 423° К. Вместе
с тем испарение карбида тантала мень-
ше испарения вольфрама при той же
температуре благодаря его повышен-
ной термостойкости. К сожалению,
вследствие большой хрупкости и малой
механической прочности карбида тан-
тала он не нашел практического при-
менения для тела накала. Усовершен-
ствование технологии производства ни-
тей из карбида тантала и улучшение
его физических свойств могут дать воз-
можность применить этот материал для
тела накала ламп и добиться повыше-
ния их экономичности. Не исключена
возможность открытия других туго-
плавких металлов и их соединений с
более высокой температурой плавления
и более выгодными физическими свой-
ствами, чем вольфрам, которые можно
будет применить для тела накала
ламп, обеспечив им более высокую
экономичность.
Как известно, повышения светового
к. п. д. и световой отдачи при темпе-
ратурном излучений можно добиться
за счет селективности излучения, т. е.
свойства некоторых тел излучать энер-
гию преимущественно в определенных
участках спектра, в частности в види-
мой части. На фиг. 32-1 указаны зна-
чения световой отдачи в зависимости
от температуры для некоторых мате-
риалов, преимущественно металлов, об-
ладающих селективными свойствами
излучения, и для абсолютно черного
тела. Как следует из фиг. 32-1, при
одной и той же температуре материа-
лы с более селективным излучением
обеспечивают и более высокую свето-
вую отдачу. Возможность использова-
ния новых материалов, обладающих
еще большей селективностью излуче-
ния в видимой части спектра, чем из-
вестные в настоящее время металлы,
обеспечила бы дальнейшее повышение
экономичности ламп накаливания.
Так как повышения температуры
накала при сохранении неизменного
срока службы ламп можно достигнуть
путем уменьшения распыления мате-
риала нити, то для повышения эконо-
мичности ламп необходимо стремиться
создать условия, препятствующие испа-
рению материала нити. К таким усло-
виям следует отнести: применение на-
полнения ламп нейтральными газами и,
в частности, более тяжелыми газами,
обладающими меньшей теплопровод-
ностью, использование этих газов при
§ 32-4 ] НЕДОСТАТКИ ЛАМП ГАЗОВОГО РАЗРЯДА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ УСОВЕРШЕН.
283
повышенных давлениях, применение
наиболее рациональных конструкций
тела накала (спираль, биспираль
и т. д.), обеспечивающих понижение
распыления материала нити и умень-
шение тепловых потерь в газе.
В табл. 6-2 был дан баланс энергии
для разных конструкций ламп накали-
вания, из которого видно относитель-
ное повышение видимых излучений при
использовании более тяжелых газов и
более совершенной конструкции тела
накала (биспираль).
32-4. Недостатки ламп -газового
разряда и перспективы их
усовершенствования
В лампах газового разряда получе-
ние света осуществляется не за счет
нагревания тела до высокой темпера-
туры, а за счет люминесценции, воз-
никающей при электрическом разряде.
В отличие от температурного излуче-
ния в этом случае большая часть излу-
чений приходится на видимую часть
спектра.
В частности, в натриевых лампах
благодаря преимущественному излу-
чению в видимой части спектра све-
товая отдача излучения достигает
370 лм/вт и соответственно световой
к. п. д. 60%. Однако в практических
условиях достигнутые значения свето-
вого к. п. д. ламп газового разряда,
хотя и цревосходят наблюдаемые
у ламп накаливания, но все же намно-
го ниже светового к. п. д. самого из-
лучения, что объясняется потерями
энергии, возникающими в процессе са-
мого разряда и в приборе включения,
без которого лампы газового разряда
не могут работать. Вследствие этого
наибольшая практически достигнутая
световая отдача натриевых ламп со-
ставляет только 50—70 лм/вт. Увели-
чение световых отдач ламп газового
разряда до пределов, определяемых
световым к. п. д. излучения, требует
уменьшения потерь, связанных с явле-
ниями газового разряда, и достижения
минимальных потерь в приборах вклю-
чения. Предстоящие работы в этой об-
ласти при их успешном завершении
позволят приблизить экономичность
ламп газового разряда к высоким пре-
дельным значениям, соответствующим
световым отдачам самого излучения.
Увеличение экономичности ламп свыше
этих пределов уже может быть достиг-
нуто только за счет снижения излуче-
ний в невидимой области спектра, что
связано с изучением и созданием
условий, обеспечивающих желательное
изменение спектра излучения извест-
ных газов, и применением новых газов
и паров металла в лампах газового
разряда. Несмотря на преимущества
ламп газового разряда по сравнению
с лампами накаливания, выражающие-
ся в более высокой световой отдаче,
они не лишены ряда недостатков, уст-
ранение которых связано с их даль-
нейшим усовершенствованием. К чис-
лу этих недостатков следует отнести
неблагоприя,тную цветность света, зна-
чительно отличающуюся от цветности
дневного света; безинерционность, вы-
зывающую явление стробоскопии; не-
обходимость пользования приборами
включения, вызывающими дополни-
тельные затраты и создающими не-
удобства в эксплуатации.
Для исправления цветности света
ламп газового разряда уже теперь при-
бегают к использованию люминофоров,
которые при соответствующем их под-
боре применительно к данному источ-
нику света дают желательный резуль-
тат. Изменения цветности света ламп
газового разряда можно достичь так-
же при использовании новых газооб-
разных соединений и паров металла,
обладающих желательными спектраль-
ными характеристиками, что связано
с предстоящими изысканиями в этой об-
ласти. Возможно, что желательную
цветность света можно будет достичь
путем возбуждения смеси газов или
паров металла* в одной и той же'лам-
пе при умении управлять процессом
возбуждения такой смеси для получе-
ния желательного состава спектра из-
лучения.
Частичное уменьшение стробоско-
пического эффекта уже в настоящее
время достигается за счет применения
люминофоров, обладающих некоторой
длительностью послесвечения, а также
за счет включения ламп в разные фа-
зы трехфазной сети. Очевидно, суще-
ствуют еще другие способы уменьше-
ния стробоскопического эффекта, кото-
284
НЕДОСТАТКИ СОВРЕМЕННЫХ ЛАМП И ПУТИ ИХ УСТРАНЕНИЯ
[гл. 32
рые могут выявиться при дальнейшем
изучении этого вопроса.
Применение приборов ' включения
для зажигания и работы ламп газово-
го разряда, повидимому, еще надолго
сохранится, так как приборы эти, по-
мимо других функций, выполняют
основную функцию, связанную со ста-
билизацией газового разряда. Однако
упрощение их конструкции, удешев-
ление их стоимости и снижение потерь
энергии в них являются ближайшими
задачами, требующими своего практи-
ческого разрешения.
Применительно к фотолюминесцент-
ным лампам газового разряда необхо-
димо также разрешить ряд перспектив-
ных задач, которые связаны с устране-
нием отдельных недостатков, в резуль-
тате чего эти лампы найдут еще более
широкое применение, чем в настоящее
время. Одним из этих недостатков яв-
ляется зависимость работы ламп от
температуры окружающей среды. Со-
временные люминесцентные лампы ис-
пользуют излучение люминофора при
его возбуждении ультрафиолетовыми
излучениями, возникающими при элек-
трическом разряде в парах ртути. Наи-
большее ультрафиолетовое излучение
и наилучшее использование люмино-
фора имеют место при оптимальной
температуре окружающей среды, кото-
рая составляет 25° С. При понижении
или при повышении этой температуры
уменьшается световой поток лампы,
а также ее световая отдача. При тем-
пературе окружающей среды ниже
0°С ртуть в люминесцентных лампах
вымораживается и лампа перестает за-
жигаться. В связи с этим непосред-
ственное использование люминесцент-
ных ламп для наружного освещения
невозможно, что является их суще-
ственным недостатком. Для получения
люминесцентных ламп, работающих
при любой наружной температуре,
нужно заменить ртуть нейральным га-
зом. Однако в этом случае не удава-
лось получить желательной световой
отдачи ламп из-за невыгодного соот-
ношения между длиной волны возбуж-
дающего излучения и длинами волн
люминесценции, что вызывает так назы-
ваемые «квантовые» потери энергии. Не:
исключена возможность создания лю-
минофоров, обладающих способностью
излучать несколько квантов энергии
разных длин волн за счет одного
кванта энергии возбуждения, при этом
понизятся «квантовы» потери энергии и
повысится световая отдача ламп. Дру-
гим недостатком люминесцентных ламп
является их сравнительно малая мощ-
ность. При увеличении мощности ламп
приходится увеличивать их размеры,
чтобы избежать повышения температу-
ры ламп. Наивыгоднейшая температу-
ра баллона лампы, при которой имеет
место максимум световой отдачи, со-
ставляет 40—50° С. По этой причине-
люминесцентные лампы мощностью
свыше 100 вт не конструируются. Оче-
видно, при применении новых люмино-
форов, менее чувствительных к темпе-
ратурным условиям, и замене ламп
с разрядом в парах металлов лампами
с разрядом в нейтральных газах ста-
нет возможным конструирование лю-
минесцентных ламп большей мощности
с выгодной световой отдачей. Помимо
указанных недостатков, люминесцент-
ным лампам свойственны и другие не-
достатки, общие для всех ламп газо-
вого разряда’ которые были описаны
ранее и требуют устранения также-
применительно к люминесцентным лам-
пам. Для устранения недостатков со-
временных электрических источников
света требуется проведение научно-ис-
следовательских и экспериментальных:
работ, от успеха которых зависят их
усовершенствование и создание искус-
ственного источника света, отвечаю-
щего задачам современной техники №
экономики.
ЛИТЕРАТУРА
МОНОГРАФИИ
LA. П. Иванов, Электрические источ-
ники света, ч. 1, Лампы накаливания, ОНТИ,
Госэнергоиздат, 1938.
2.	А. П. Иванов, Электрические источ-
ники света, ч. 2, Лампы газового разряда,
Госэнергоиздат, 1948.
3.	3. С. Вознесенская, Электрические
лампы накаливания, Госэнергоиздат, 1953.
4.	Л. Г. У л ь м и ш е к, Производство элек-
трических ламп накаливания, Госэнергоиздат,
1949.
5.	Е. В. Федоров, Осветительные лам-
пы, Производство и расчет, литографирован-
ное издание, 1934.
6.	А. П. Иванов, Электрические лампы
и их изготовление, Научное химико-техниче-
ское издательство, Научно-технический отдел
ВСНХ, Петроград, 1923.
7.	W. Uyterhoeven,ElektrischeGasent-
ladungslampen, Berlin, Verl. von J. Springer,
1938.
ЛИТЕРАТУРА ПО ГЛАВАМ
ГЛАВЫ ПЕРВАЯ И ВТОРАЯ
Ш. Фабр«, Общее ©ведение в фотомет-
рию, ОНТИ, 1934.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
1. Макс Планк, Теория теплового из-
лучения, ОНТИ, 4935.
2. П. Д руде, Оптика, ОНТИ, <1935.
ГЛАВЫ ЧЕТВЕРТАЯ И ПЯТАЯ
Густав Рибо, Оптическая пирометрия,
ГТТИ, 1934.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
1. А. П. Иванов, Электрические источ-
ники света, ч. 1, Лампы накаливания, ОНТИ,
1938.
2. Б. И. Королев, Лампы с криптоно-
ксеноновым наполнением, «Светотехника»,
1937, № 2.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
1.	W. Е. Forsythe and A. G. Wort-
hing, Свойства вольфрама и характеристики
вольфрамовых ламп, Astrophys. J., 1925, 61,
146—185.
2.	Н. A. Jones and I. Langmuir, Ха-
рактеристики вольфрамовой проволоки в функ-
ции температуры, G. Е. Rev., 1927, v. 30,
310 — 319, 354 — 361, 408 — 412.
3.	W. Е. Forsythe and E. Q. A d a m s,
Излучательные характеристики вольфрама
и вольфрамовых ламп, JOSA, 1945, v. 35,
108—113,
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
1. В. Н. Фомин, Лампы с двойной спи-
ралью, «Светотехника», 1937, № 1.
2. А. П. Иван© в, Электрические источ-
ники света, ч. II.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
1. Langmuir, S. Me Lane and
К. В. В1 о d g е 11, Действие концевых потерь
на характеристики нитей из вольфрама и дру-
гих материалов, Phys. Rev., 1930, v. 35,
478 — 503.
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
1.	3. С. Вознесенская, Потери тепла
через газ в лампах накаливания, /«Светотех-
ника», 1937, № 2.
2.	I. Langmuir, Конвекция и теплопро-
водность газов, Phys. Rev., 1929, v. 34, 6, р. 401.
3.	С. W. Rice, Толкование теории ленг-
мюровркого застойного слоя (пленки), Trans.
AIEE, June 1923 and Febr. 1924.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
В. Ф. Coyстин, Испарение вольфрама
с повёрхности накаленных нитей в атмосфере
инертного газа, «Светотехника», 1937, № 2.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
1.3. С. Вознесенская и В. Ф. Со-
устии, Перегорание накаленных вольфрамо-
вых нитей в вакууме и атмосфере инертных
газов, ЖТФ, т. IX, 1939.
2. 3. С. Вознесенская, Местные тем-
пературные максимумы на накаленных спи-
ралях, «Вестник электропромышленности»,
1943; № 112.
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
1. Д. П. Трошенек и й, Улучшение ка-
чества низковольтных ламп накаливания при
наполнении их аргоном с малым содержанием
азота, «Светотехника», 1937, № 3.
2. G. R. Fonda, Перегорание ламп нака-
ливания, G. Е. Rev., 1929, v. 32, р. 206—212.
28 6
ЛИТЕРАТУРА
ГЛАВА ЧЕТЫРНАДЦАТАЯ
МГЬСС GGOP, Каталог «Электрические
лампы накаливания», БТИ, МЭП, Москва,
1952.
ГЛАВА ПЯТНАДЦАТАЯ
А. П. И в а но в, О влиянии удельного
расхода мощности на стоимость освещения
электрическими лампами, «Электричество»,
1923, № 8.
ГЛАВА ШЕСТНАДЦАТАЯ
Н.	А. Капцов, Электрические явления
в газах и вакууме, Государственное изда-
тельство технико-теоретической литературы,
I960.
ГЛАВА СЕМНАДЦАТАЯ
Д. А. Рожанский, Физика газового
разряда, ОНТИ, 1937.
ГЛАВА ВОСЕМНАДЦАТАЯ
1.	Г. А. Тягунов, Физические процессы
на электродах источников света газового раз-
ряда, «Светотехника», <1934, № 4.
2.	Б. Н. Клярфельд, Положительный
столб газового разряда и его использование
для получения света. Электронные и ионные
приборы, под редакцией 1П. В. Тимофеева,
стр. .166^235, Госэнергоиздат, 1194:1.
ГЛАВА ДЕВЯТНАДЦАТАЯ
1. Е. Лакс, М. 1П и р а н и, Р. Р о м п е,
Современные источники света, УФН, т. XVI,
выл. 1, стр. 39—63, 4936.
2. Н. Е. White, Атомные спектры, ГТТИ,
1934.
ГЛАВА ДВАДЦАТАЯ
1. 'Н. А. Л истра то в, Лампы катодного
свечения, ОНТИ, Энергоиздат, /1935.
2. Н. Е w е s t, Применение тлеющих ламп,
Techn.-wiss. Abhandl. d. Osram-Konzerns, 1930,
Bd. 1, S. 94 — 99.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ПЕРВАЯ
1. И. И. Соколов, «Светотехника»,
1932, № 4.
2. N. I. Harris and Н. G. Jenkins,
Газоразрядные трубки и их применения, GEC
Journ., 1931, № 2, № 1, Мау; № 2, August.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ВТОРАЯ
1. А. М. Шемаев, О световой отдаче
газового разряда, «Светотехника», 1934, № 4.
2. М. Pirani, Новый газосветный излу-
чатель, ETZ, 1930, Н. 51, S. 889—895.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ТРЕТЬЯ
1. Б. Л. Балаши-некий, Ртутные лам-
пы, ОНТИ, Энергоиздат, 1935.
2. О. Vogel, Die Metalldampflampenr
Leipzig, Verl. О. Leiner.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ЧЕТВЕРТАЯ
1-	. А. М. Шемаев, Газоразрядные источ-
ники света для целей освещения, Электронные
•и ионные приборы, под редакцией П. В. Ти-
мофеева, стр. 297—318, Госэнергоиздат, 1941.
2.	W. Uyterhoeven, Elektris.che Gas-
entladungslampen, S. 204—252, 356—357, Berlin,
1938.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ПЯТАЯ
1.	P. Г. Извеков, Ртутные лампы вы-
сокого давления, «Игар», Каталогиздат, 1939.
•2. W. U y t е г h о е v е n, Elektrische Gasent-
ladungslampen, S. 253—289, 357 — 359, Berlin,
1938.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ШЕСТАЯ
1.	W. Elenbaas, Сверхвысокий [разряд
в парах ртути, Amsterdam, 1951.
2.	W. Uyterhoeven, Elektrische Gas-
entladungslampen, S. 289—317, 359—360, Ber-
lin, 1938.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ СЕДЬМАЯ
E. L a x und M. Pirani, Новые газосвет-
ные источники света и их применение, Techn.-
wiss. Abh. d. Osr.-Konz., 1934, Bd III, S. 6—22.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ВОСЬМАЯ
•1. В. А. Фабрикант, Физика и техника
люминесцентных ламп, УФН, 1945, XXVII,
выл. 2, ст]р. 159—1198.
2. Н. Риль, Люминесценция, ОГИЗ,
ГТИ, 1946.
3. Р. А. Ниленд ер, Люминесцентные
лампы и их применение, Госэнергоиздат, 1948.
ГЛАВА ДВАДЦАТЬ ДЕВЯТАЯ
Д. А. Г оу х бе р г, Дуговой разряд в тя-
желых инертных газах при сверхвысоком дав-
лении, Информационный технический бюлле-
тень, № 2/27, МЭЛЗ, 1948.
ГЛАВА ТРИДЦАТАЯ
1. Н. Д. В ольперт, Лампа солнечного
света, «Светотехника», 1934, № 4.
2. Б. Ф. Федоров, Точечная лампа,
Труды ГЗЭИ, вып. 13, стр. 28, 1926.
ГЛАВА ТРИДЦАТЬ ПЕРВАЯ
1^1* Н, А. Карякин, Прожекторы, ГЭИ,
2. Н. А. К а р я к и н, Угольная дуга вы-
сокой интенсивности, ГЭИ, 1948.
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абсолютно черное тело 32, 34, 44
Азот 121
Активатор 242
Анодное падение 156
— свечение 154
— темное пространство 154
Аргон 121
Астоно-во темное пространство 153
Баланс энергии 54, 64, 65, 80, 121, 157, 210,
283
Баллоны ламп 121
Безэлектродные индукционные лампы 255
Белый свет 54
Боло-метр 46
Боратные стекла 216
Вакуумная рубашка 211, 227
Видимая яркость 48
Возбуждение газов 148
Вольтамперные характеристики 170, 267, 276
Вольфрам 65, 71, 113
Газосветные лампы сверхвысокого давления
с криптоном и ксеноном 196
----тлеющего разряда 177
— трубки дугового разряда 191
----тлеющего разряда 182
Гарантийный срок службы ламп 131
Гейслеровские трубки 11
-Градиент потенциала 186, 194
Децимиллистильб 30
Динамическая характеристика 172
Дроссели 174, 228
Дуговой разряд 150, 155
—	спектр 162
Дуговые лампы с чистыми углями 271
Зажигание разряда 167, 168, 195, 196, 200, 202,
208, 218, 228, 233, 248, 262
Зажигатель 249
Зажигательный электрод 234
Закон Вина 43, 60
—	Кирхгофа 32, 33
—	косинусов Ламберта 22
—	Ламберта 66, 91
—	Планка 39
—	смещения Голицына и Вина 37
— Стефана-Больцмана 36, 41 .
Застойный слой 95, 97
Игар 218
Идеальный излучатель 54
Избирательное излучение 61, 274
Избирательные тела 33
Излучение металлов 55
Изменение параметров ламп накаливания в
зависимости от напряжения 126
----лампы в процессе ее работы 127
----тела накала при его распылении 107
Импульсный разряд 150, 257, 258
Инвар 217
---- реакции приемника 27
Интенсивные дуговые лампы 273, 278
— неоновые трубки 192
Ионизатор 169
Ионы 169
Искровой спектр 162
Испарение вольфрама 105
— металла 102
Испускательная способность тела 31
Источники излучения 15
— света 13
Карбид тантала 282
Катодное падение 156, 191, 192
— пятно 156.
— свечение 153
Катоды независимого подогрева 193
Кварц 227, 229
Классификация форм газового разряда 149
— элементарных процессов газового разряда
Количество освещения 28
Конвекционные 'потоки 94
Конвекция 233
конденсаторы 174
Контактное зажигание 167
Контактный способ зажигания ламп 262
Контрагирование разряда 164, 219, 233
Коэффициент аккомодации 93
— видимости 26, 30, 60
—	излучения спирали 78, 81
—	мощности 222
--- сети 250
—	отражения 24
—	поглощения 24, 32
—	полезного действия 165
-------видимого излучения 50
—	почернения излучения 79
—	пропускания 24
—	самостоятельного излучения тела 55
—	свободного выхода излучений 79
—	сердечника 76, 82
—	черного излучения тела 55
—	шага 76, 82
Кратер 268, 274
Кривая относительной видимости-52
Кривые сроков службы ламп 131
Критическая потеря в весе 117, 118
Круксово темное пространство 153
Лампа солнечная (эритемная) 255
— ультрафиолетового облучения 254
Лампы дуговые с металлическими электро-
дами 272
-------пламенными углями 272
— люминесцентные 12, 17, 146, 255
— накаливания 9, 13, 120, 121, 132—135, 280'
— ртутные 199, 200^ 217, 218, 221, 226
---сверхвысокого давления 229, 231, 232,
234
— с вольфрамовыми электродами в атмосфере
инертного газа 261
----------------ртутных па dob 266
---парами металлов 238, 239
Люкс 29
Люкс-секунд а 29
Люмен 28
Люмен-секунда 28
Люминесценция 14, 240
Люминесцирующие источники света 14
Люминофоры 189, 240, 241, 245, 254, 283 284
Механический эквивалент св^та 28, 53, 54
Микропирометры 61
Микрорадиометр 47
288
АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Наивыгоднейший удельный расход мощности
136
Напряжение зажигания 167, 168
--- разряда 181
Натриевая лампа 199, 206, 283
Натрий 207
Нейтральный приемник 26
Несамостоятельный разряд 149, 155
Нормальное катодное падение 159, 171, 181
Оксидные катоды 169
— электроды 247
•Оптическая пирометрия 58, 61
•Освещенность 28
Относительный спектральный коэффициент ре-
акции 26
Падающая характеристика 171, 172
Плавень 242
Поглощательная способность тела 32
Поднормальное падение потенциала 171
Положительный столб 154—156
Поляризация излучения света 66
Поток излучения 18
Приемники излучений 25
Прожекторные дуги высокой интенсивности
276
Пусковой период 233
Пусковые характеристики ламп 224
Радиометр 46
Радлюкс 28
Раскаленный катод 161
Распыление идеальной нити 78, 102, 104, ПО
—	катода 191, 226
Расчет тела накала 136, 139, 142
Рекомбинация 149
Реостаты 173
Ртутные прерыватели 200
Ртуть 199
Самокал ящиеся электроды 161, 193, 195
Самостоятельный разряд 150, 155
Светностъ 28
Световая отдача ламп 29, 52, 53, 77, 82,
122, 165, 166, 186, 194, 205, 231, 239, 271,
272, 281
—	экономичность 281
—	энергия 28
Световой к. п. д. 51. 53. 281
— поток 28, 122, 162, 182, 186, 205, 210
—	эквивалент мощности 27, 54
Свеча 28
—	Яблочкова 271
Селективность излучения 61, 282
Селективный приемник 25
Серые тела 33
Скорость испарения 107
Солнечная лампа 266
Соляризация увиолевых стекол 177
Сосуд Дьюара 197
Спектр вольфрама 67
—	излучения 210
—	рекомбинации 162
— ртутных ламп 204, 235
Спектральный коэффициент поглощения 32
--- реакции приемника 25
Спиральные нити 75
Срок службы ламп полезный 113, 176
--------полный 111л И2, 175
Стабилизация разряда 173, 181, 228
Стандартизация электрических ламп 135
Статическая характеристика 170
Стильб 29
Столкновение первого рода 148
Схемы регуляторов для дуговых ламп 273, 274
Тело накала ламп 121
Температура различных точек раскаленного
тела 83, 86
— разряда 220
—	стенок баллона ламп 124 •
Температурное распыление 103
Тепловая защита 211, 212
Тепловое излучение 31
—	распыление металла 104, 106
Тепловые источники света 13
— потери 101
---через газовую среду 99, 102
Термостолбик 46
Термоэлектронный ионизатор 262
Тихий разряд 151
Тлеющая лампа 178, 179
Тлеющее свечение 178
Тлеющий ионизатор 262
— разряд 150, 152
Точечная модуляторная лампа 179
Точечный источник 19
Трансформатор с рассеянием 174, 222, 228,
246
Трубки Мура 11
— с наполнением гелйем 188
-------неоном 178
-------неоном, аргоном и ртутью 188
Тугоплавкое стекло 219
Удельные характеристики нити 72
Удельный расход мощности 54
Уравнение излучения металлов 57
—	распределения Рэлея-Джинса 39 •
Фарадеево темное пространство 153
Формула Гагена и Рубенса 56
—	Михельсона 37
Фосфор . 240 ~
Фотолюминесцентные лампы (трубки) 146, 188,
205, 239, 241, 245, 246, 284
Фотолюминесценция 46, 188
Фотолюминеспирующее стекло 243
Холодный катод 158, 160
Цветная или Цветовая температура 61, 63
Цветность света ламп 49, 123, 162, 163, 181,
189, 221, 237, 239, 240
Черное тело 33
Электрическая дуга 270
Электродосветные лампы 146, 261
Энергетическая освещенность 20
—	светимость 20
—	сила света 19
—	-температура 59
—	яркость 20
Энергетический к. п. д. 50
Энергия излучения 18
Эффект экранирования поверхности тела на-
кала 78
Яркостная температура 60
ОПЕЧАТКИ
Стра- ница	Колонка	Строка	Напечатано
43	правая	15 снизу	
43	и	10 снизу	ДРУХ
51	»	3 снизу	с == 1,43 см град, с — . .
60	»	20 снизу	i"(
А. П. Иванов — Электрические источники света.
Должно быть
двух
с2 = 1,43 см град, Ct
"(