Сверхпроводящие кольца, левитация, прыгающее кольцо (часть 1): Часть 2

Видео

Конспект

4. Люминесцентная лампа: принцип работы и роль индуктивности

Устройство. Люминесцентная лампа — стеклянный баллон с парами ртути и двумя вольфрамовыми спиральками-катодами на концах. К спиралькам через дроссель (катушку индуктивности) подключается сеть переменного тока ($U_\mathrm{rms} = 220$ В, $U_\mathrm{amp} \approx 311$ В). Параллельно спиралькам подключён стартер.

Почему лампа не зажигается без стартера. Для пробоя газового промежутка при холодных электродах требуется напряжение порядка 600 В, что вдвое превышает амплитудное значение сетевого напряжения.

Стартер. Стартер — небольшая газоразрядная лампа (наполнение: неон), параллельно которой подключён конденсатор малой ёмкости. Внутри стартера расположены два контакта, один из которых выполнен в виде биметаллической пластины.

Процесс запуска.

При включении сети к стартеру прикладывается полное сетевое напряжение (220 В), достаточное для зажигания неоновой лампочки (порог — 20–40 В). Неон горит, нагревая биметаллическую пластину.

Пластина изгибается и замыкает контакты стартера. Ток идёт через спиральки люминесцентной лампы, нагревая их. Через неон ток прекращается, газ и пластина остывают.

Пластина разгибается, разрывая цепь. В этот момент ток через дроссель $L$ ненулевой, и дроссель формирует импульс ЭДС самоиндукции. Ток заряжает параллельный конденсатор, и напряжение на электродах люминесцентной лампы кратковременно превышает 600 В. При наличии разогретых катодов возникает газовый пробой.

Лампа зажигается. В рабочем режиме дроссель ограничивает ток: на нём падает значительная часть напряжения, а на лампе остаётся $\sim$80–100 В — недостаточно для повторного срабатывания стартера.

Пульсации света. Ток через газ меняется с частотой 50 Гц, поэтому яркость пульсирует с частотой 100 Гц. Благодаря инерционности зрения ($\sim$30 кадров/с) мерцание не воспринимается.

Люминофор. Пары ртути излучают в ультрафиолетовом диапазоне ($\lambda \approx 230$ нм). Люминофор, нанесённый на внутреннюю поверхность колбы, поглощает УФ и переизлучает свет в видимом диапазоне (400–800 нм), формируя нужный спектр.

Практическое применение: контроль исправности приборов. Включив испытуемый прибор последовательно с лампой накаливания в сеть 220 В, можно диагностировать его состояние по яркости лампы:

Лампа горит полным накалом — прибор короткозамкнут.

Лампа не горит — в приборе обрыв цепи (или перегорел предохранитель).

Лампа горит неполным накалом — прибор исправен.

5. Цепи переменного тока. Принцип суперпозиции

Активные и реактивные элементы. В цепях переменного тока различают:

активный элемент — резистор $R$: необратимо рассеивает энергию;

реактивные элементы — катушка индуктивности $L$ и конденсатор $C$: накапливают и возвращают энергию.

Комплексные импедансы (делители): $$

Z_R = R, \qquad Z_L = i\omega L, \qquad Z_C = \frac{1}{i\omega C}.

$$