Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу " світлотехнічні матеріали"



Сторінка1/4
Дата конвертації22.04.2017
Розмір0.56 Mb.
  1   2   3   4


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ

МІСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА

До друку дозволяю

Перший проректор _____________________ Г.В.Стадник

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ

СВІТЛОТЕХНІЧНІ МАТЕРІАЛИ”



(для студентів 2 курсу денної форми навчання

спеціальності 7.090.605 – „Світлотехніка і джерела світла”)

Харків - ХНАМГ - 2004
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу “Світлотехнічні матеріали” (для студентів 2 курсу денної форми навчання спеціальності 7.090.605 – „Світлотехніка і джерела світла”). Укл. С.Л.Бухарін − Харків: ХНАМГ, 2004. − 55 с.

Укладач: С.Л.Бухарін


Рецензент: Е.Д. Д`яков

Рекомендовано кафедрою світлотехніки і джерел світла,

Протокол № 3 від 28 січня 2003 р.




Розробка й створення сучасних виробів світлотехнічної промисловості тісно пов'язані з використанням широкої номенклатури світлотехнічних матеріалів з різноманітними оптичними й світлотехнічними характеристиками.

Світлотехнічними вважають матеріали, які, взаємодіючи безпосередньо зі світловим випромінюванням, призводять до його відбиття, поглинання, пропускання, заломлення, розсіювання, поляризації, дифракції, інтерференції та ін. Залежно від області застосування одні з цих явищ цілеспрямовано використовують при створенні світлових приладів, а інші намагаються звести до мінімуму. Так, відбиття світлового потоку у видимій, ультрафіолетовій та інфрачервоній областях спектра широко застосовується в роботі різноманітних світильників та випромінювачів. Явище заломлення світла використовують при створенні призматичних заломлювачів світлових приладів, що дають змогу перерозподіляти світловий потік у просторі за певним законом. Такою ж важливою є роль світлопропуcкаючих та світлорозсіюючих матеріалів, що широко використовуються у світильниках як промислового, так і побутового призначення. Світлогенеруючі матеріали дозволяють створювати світловипромінювачі, що працюють у широкій області спектра - від інфрачервоного до ультрафіолетового. Використання поляризуючих матеріалів дало поштовх до розвитку нового напрямку світлотехнічного матеріалознавства, на базі якого створено світові прилади, які відповідають сучасним вимогам щодо якості освітлення об'єктів.

Отже, вивчення властивостей світлотехнічних матеріалів і фізичних явищ, що відбуваються при взаємодії середовища зі світловим потоком, є необхідною умовою успішного й спрямованого пошуку й застосування нових, більш ефективних матеріалів при розробці сучасних світлотехнічних виробів. Це дасть змогу, враховуючи масовість випуску виробів світлотехнічної промисловості, досягти великої економії матеріалів, енергоресурсів, коштів.

Метою виконання лабораторних робот є засвоєння способів та методик проведення вимірювань основних характеристик матеріалів. У цих методичних вказівках описуються вісім робіт, в яких наведено характеристики й принцип дії вимірювальних приладів і обладнання, рекомендації щодо виконання робіт, контрольні запитання, порядок оформлення результатів і список літератури.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № І.

ВИЗНАЧЕННЯ ОПТИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СВІТЛОТЕХНІЧНИХ МАТЕРІАЛІВ
Мета роботи - вивчення основних оптичних властивостей світлотехнічних матеріалів та сучасних методів їх вимірювання, набуття практичних навичок роботи з фотометрами.

Завдання роботи - вивчення коефіцієнта пропускання світлопрозорих матеріалів, що мають різну товщину, а також виявлення коефіцієнта відбиття світловідбиваючих матеріалів.

У результаті виконання роботи студент повинен:

вивчити класифікацію світлотехнічних матеріалів за типами про


пускання та відбиття;

визначити фактори, що впливають на коефіцієнти пропускання та відбиття;

визначити фізичний зміст оптичних властивостей світлотехнічних матеріалів;

засвоїти методи визначення оптичних характеристик матеріалів;

вивчити принципову схему фотометра типу ФМ-56;

навчитися обробляти, аналізувати й робити висновки за одержаними результатами;

одержати практичні навички роботи з фотометром - його юстування, настроювання та вимірювання коефіцієнтів пропускання і відбиття .

У світлотехнічних виробах для пропускання або перерозподілу оптичного випромінювання використовують світлотехнічні матеріали. Їх світлотехнічні властивості характеризуються такими параметрами:


коефіцієнт пропускання τ;

коефіцієнт відбиття ρ;

коефіцієнт заломлення нормальний nγ і спектральний nλ;

поздовжня крива розсіювання світлового потоку.

У цій лабораторній роботі з наведених вище параметрів студенти повинні визначити тільки коефіцієнти пропускання та відбиття для видимої області оптичного випромінювання з допомогою фотометра ФМ-56.

1.1. Принцип робота фотометра ФМ-56

В основу роботи фотометра типу ФМ-56 покладено принцип вирівнювання двох світлових потоків за рахунок зміни одного з них за допомогою діафрагми, що змінює площу світлового отвору об'єктива фотометра, зображення якого проектується в зіницю спостерігача.

У фотометр через дві діафрагми І і 2 (рис. І), зв'язані з вимірювальними барабанами 3 і 4, потрапляють два паралельних світлових пучки. Ці два пучки оптичною системою приладу зводяться до однієї осі таким чином, що спостерігач через окуляр бачить поле зору у вигляді кола, що розділене пополам лінією. Яскравість лівої частини поля утворюється правим світловим пучком, що проходить через праву діафрагму, а правої - через ліву діафрагму. Якщо обидві діафрагми І і 2 освітлені однаково і в однаковій мірі розкриті, то яскравість обох половин поля зору буде однаковою. Якщо ж на шляху одного світлового пучка, наприклад, 1-го, перед діафрагмою при повному розкритті обох діафрагм розмістити об'єкт, який частково поглинає світло, то поле зору І (рис. І) стане менш яскравим. Для того, щоб зрівняти обидва поля за яскравістю, треба зменшити яскравість поля П. Таке зменшення здійснюється зміною площі діафрагми, через яку проходить світловий потік П.

На вимірювальних барабанах, що зв'язані з діафрагмами, нанесено відношення (у %) площини S діафрагми при даному розкритті до площі S0 , яку вона має при максимальному розкритті. Оскільки світловий потік рівномірного пучка, що проходить через діафрагму, пропорційний площі її розкриття, то відношення площ діафрагм дає відношення потоків І та П, що може служити мірою визначення коефіцієнта проходження світлового потоку.


1.2. Підготовка приладу до роботи

Для одержання точних результатів вимірювання на фотометрі ФМ-56 необхідно забезпечити однакову початкову яскравість обох полів, що спостерігаються в окулярі приладу. Для цього треба ретельно підготувати прилад, що виконують у такій послідовності. По-перше, вмикають лампу освітлювача фотометра через знижувальний трансформатор Т-3. Лампа розрахована на напругу 8 В. З допомогою держака трансформатора, що знаходиться на його кришці, можна регулювати напругу живлення лампи освітлювача.

Промінь світла від освітлювача спрямовують на плоске дзеркало, яке повертають таким чином, щоб вхідні отвори фотометра були рівномірно освітлені. Далі вмикають зелений світлофільтр №5 , за рахунок зміщення конденсорів освітлювача одержують в обох полях приладу, що спостерігаються в окулярі, чіткі зображення спіралі лампи.

Після цього в пази оправи конденсорів вставляють відповідні матові стекла. Підготовка приладу вважається задовільною, якщо при встановленні одного з барабанів на позначці "50" однакова яскравість поля порівняння відповідатиме відліку в межах 45-55 за шкалою другого барабана. Якщо цього не спостерігається, то яскравість полів можна зрівняти, діючи в такій послідовності:

- встановити в паз оправи одного з конденсорів прозоре скло, що входить до комплекту приладу;

- поміняти місцями розсіювачі;

- повільно пересувати один або обидва конденсори в освітлювачі.

Рис. 1 - Оптична схема фотометра ФМ-56




1.3. Вимірювання коефіцієнта пропускання

Правий барабан установлюють на позначку 100 (на чорній шкалі), а прозорий зразок розміщують над правим вікном предметного столу. Повертаючи лівий барабан, зрівнюють яскравість обох світлових полів. Після цього зразок виймають і рівновагу яскравостей світлових полів відновлюють обертанням правого барабана. Відлік за чорною шкалою правого барабана дає коефіцієнт пропускання зразка, а за червоною шкалою - його оптичну густину:


.
Для одержання точного значення коефіцієнта пропускання послідовно виконують 5-7 вимірювань і визначають τ як середнє арифметичне з одержаних результатів.
1.4. Вимірювання коефіцієнта відбиття

Коефіцієнт відбиття зразків світлорозсіювальних матеріалів вимірюють з допомогою механічного пристрою, що дозволяє вимірювати блиск. Цей пристрій встановлюють на штатив замість плоского дзеркала так, щоб відліковий лімб знаходився ліворуч від спостерігача, який дивиться зверху в окуляр фотометра. Обертовий стіл ставлять у горизонтальне положення, що відповідає нулю за шкалою лімба. На обидва тримачі ставлять баритові еталонні платівки і рівномірно освітлюють їх з допомогою освітлювача. Лівий барабан вимірювальної діафрагми фотометра встановлюють за чорною шкалою на позначку 100. Правий барабан встановлюють у середнє положення фотометричної рівноваги. Після цього баритову платівку, що розміщена під правим пучком світла, знімають і ставлять на її місце досліджуваний матеріал. Обертанням лівого барабана досягають фотометричної рівноваги. Величину коефіцієнта відбиття ρi для даного положення зразка матеріалу по відношенню до баритової платівки визначають за чорною шкалою лівого барабана.

При обертанні зразка в одній і тій же площині величина ρ багатьох матеріалів змінюється, тому для підвищення точності вимірювання слід проводити при двох різних положеннях досліджуваного зразка. Перше положення зразка описано раніше, друге положення встановлюється обертанням зразка, що знаходиться в круглому тримачі, навколо вертикальної осі на 90°. Величину кута повертання визначають за барабаном. За результатами вимірювань при першому положенні зразка ρ1 і другому ρ2 встановлюють середнє значення
.

Для встановлення абсолютного значення коефіцієнта відбиття світла знайдену величину ρ помножують на коефіцієнт відбиття баритової платівки RПЛ , який дають у долях одиниці:


R= ρ RПЛ.
1.5. Завдання до роботи

І. Перед початком роботи треба ознайомитися з основними світлотехнічними характеристиками світлопроникних та світловідбиваючих матеріалів, що використовуються у світлотехнічних виробах, наприклад, скло і полімерні матеріали (див.1с. 4-25,34-56, 76-93, 2 с. 38-40, 51-52,82-87).

2. При вивченні принципу дії фотометра ФМ-56 треба ввімкнути освітлювальну лампу приладу і через окуляр спостерігати поле зору освітлювальну лампу приладу і через окуляр спостерігати поле зору від паралельних світлових пучків. У випадку, коли поля зору освітлені неоднаково, необхідно виконати завдання згідно з п. 1.2.

3. Перевірити юстування приладу і впевнитися в тому, що при


позначці "50" першого барабана і позначці "45-55" другого барабана
яскравість полів зору від паралельних світлових пучків однакова.

Ознайомитися з шкалами, нанесеними на зовнішню поверхню барабанів (чорну й червону).

4. Виміряти коефіцієнт пропускання світла для одного, двох,
трьох, чотирьох і шести стекол товщиною І мм.

Вимірювання повинен проводити кожний студент не менше 3 разів кожне і за результатами вимірювань виявляти середнє арифметичне значення коефіцієнта пропускання для кожного експерименту.

За результатами залежності середнього арифметичного значення коефіцієнта пропускання від товщини пластинок накреслити графік і зробити висновок, аналізуючи цей графік.

5. Підготувати фотометр для вимірювання коефіцієнта відбиття.


Кожному студенту виміряти коефіцієнти відбиття від горизонтальної
площини матового скла у двох взаємно перпендикулярних положеннях
площини.

Контрольні запитання

1. Накреслити оптичну схему приладу ФМ-56 і пояснити принцип його дії.

2. Як підготувати прилад до роботи?

3. Як називається і працює пристрій для порівняння світлових
потоків?

4. Дати визначення і практично виміряти коефіцієнт пропускання матеріалів.

5. Дати визначення і розповісти, як вимірюють коефіцієнт від
биття матеріалів.

6. На які групи поділяються світлотехнічні матеріали за видами пропускання і відбиття?

7. Які фактори впливають на коефіцієнти пропускання і відбиття?
Список літератури

1. Мельников Ю.Ф. Светотехнические материалы. − М.: Высш. школа, 1976, − С.4-25, 34-56, 76-93.

2. Мешков В.В. Основы светотехники. − М. Энергия, 1979.- С. 38-40, 51-52, 82-87.

3. Конспект лекцій з курсу "Світлотехнічні матеріали", Л. №8 - 10.


ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2.

ВИЗНАЧЕННЯ ТЕРМОСТІЙКОСТІ ЕЛЕКТРОЛАМПОВОГО СКЛА


Мета роботи - ознайомити студентів з методикою визначення термостійкості скла і факторами, що впливають на термостійкість.

Завдання роботи - визначити термостійкість скла до і після вогняної обробки за ГОСТ 7330-55.

У результаті виконання роботи студент повинен:

знати - визначення термостійкості, фактори, що впливають на термостійкість, метод визначення термостійкості і принципову схему пристрою, за допомогою якого вона вимірюється;

вміти - виконувати розрахунки з допомогою емпіричних співвідношень, обробляти результати вимірів і аналізувати їх; здобути практичні навички роботи з газовим пальником і проведення випробувань скла на термостійкість за ГОСТ 7330-55.

Термостійкість - це здатність скла витримувати без руйнування різкі зміни температури.

Для електролампового скла термостійкість має особливо важливе значення, бо в процесі виготовлення всіх видів джерел світла скло багаторазово підлягає нагріванню і охолодженню.

Термостійкість є складовою технологічною властивістю і визначається багатьма фізичними показниками: коефіцієнтом термічного розширення, модулем пружності (Юнга),межею міцності при видовженні, теплопровідністю, питомою теплоємкістю та ін.


2.1. Залежність термостійкості скла від різних параметрів

При охолодженні куска скла поверхневі шари його охолоджуються швидше і прагнуть скоротитися в об'ємі. Цьому протидіють міцно з ними зв'язані внутрішні, ще гарячі шари. Внаслідок цього в поверхневих шарах виникають напруження що розтягають, а у внутрішніх, –що стискають. При різкому перепаді температур напруження, що розтягують, можуть перевищити межу міцності при видовженні й зразок зруйнується. При швидкому розігріванні скла поверхневі шари прагнуть розширитися; цьому протидіють внутрішні, ще холодні шари скла. Внаслідок цього в поверхневих шарах виникає напруження стискання, а у внутрішніх - напруження видовження. Вирішальну роль відіграють напруження, що виникають у поверхневих шарах, тобто напруження стискання. Але межа міцності до стискання набагато більша, ніж до видовження, в результаті чого скло має значно більшу термостійкість до швидкого нагрівання, ніж до швидкого охолодження.

Термостійкість вимірюється різницею температур, між якими скло може бути охолоджене без руйнування. При оцінці термостійкості велику роль відіграє коефіцієнт лінійного розширення. Найбільш термостійким є скло кварцове, що мав найбільш низький коефіцієнт лінійного розширення. Великою стійкістю відзначаються марки скла вольфрамового С 37-2, С 38-1, С 40-1 (С - скло; 37-40...

і т.д. - коефіцієнт термічного розширення скла, помножений на 107,

1,2 - номер розробки скла).

Молібденові марки скла (С 49 - С 54) мають нижчу термостійкість, і нарешті ”звичайні” марки скла мають порівняно низьку термостійкість до різких змін температур,

Для наближеної оцінки термостійкості скла інколи застосовують коефіцієнт термостійкості , значення якого можна знайти за допомогою формули

,

де - межа міцності на видовження;

α - коефіцієнт термічного розширення;

E- модуль пружності (Юнга);

λ - коефіцієнт теплопровідності;

с - питома теплоємкість;

ρ- густина.
Із зміною хімічного складу найбільш сильно змінюється коефіцієнт термічного розширення, тоді як співвідношення і

залишаються майже сталими. Тому термостійкість можна знайти з формули


αΔT=1150*106,

що дає дещо завищені результати. На практиці для оцінки термостійкості скла достатньо застосувати величину, зворотну коефіцієнту термічного розширення скла.

Зниження термостійкості викликається тими ж причинами, що ведуть до зменшення механічної міцності й навпаки. Так, значно знижують термостійкість скла подряпини й тріщини на поверхні, а також різноманітні неоднорідності й дефекти скла (свищі, звивини, камінці та ін.). Термостійкість скла можна підвищити вогняним поліруванням його поверхні чи травленням скла плавиковою (фтористоводневою) кислотою.

Товщина стінок скляного виробу дуже впливає на величину його термостійкості. Це є однією з причин виготовлення колб джерел світла із скла з низькою термостійкістю, тонкостінними. Залежність термостійкості скляного виробу від товщини його стінки відображує формула



,

де - термостійкість виробу в градусах;

ΔT- термостійкість скла, з якого виготовлений цей виріб, у градусах;

a- товщина стінки виробу, мм.

Наведена формула справедлива для випадків, коли у виробі немає вад (свищі, подряпини, тріщини та ін.). Фактична термостійкість значно нижче теоретичної, підрахованої за цією формулою .

Термостійкість при охолодженні значно нижча, ніж при нагріванні, і значною мірою залежить від умов охолодження. Термостійкість при повному охолодженні



,

при місцевому охолодженні



,
при місцевому нагріванні

,

де μ- коефіцієнт Пуассона;



. - межа міцності на згин, кг/см2 .

Поряд із стійкістю скляних виробів до дії швидкої зміни температури велике значення має їх статична термостійкість (СТС) , можливість витримувати, не руйнуючись, вплив сталих у часі, але різних в окремих точках виробу температурних навантажень. У працюючих електровакуумних пристроях часто можуть виникати подібні тривалі градієнти температури. Нерівномірний розподіл температури викликає нерівномірний розподіл напружень у виробах. У більш нагрітих його частинах з'являються стискаючі, а в менш нагрітих - подовжувальні напруження.


Величину цих напружень S можна одержати за допомогою формули

,

де ΔТ - градієнт температури.


З цієї формули можна знайти числову величину статичної термостійкості, коли підставити в неї S = 0,7 кг/мм2 , величину подовжувальних напружень, які здатний витримати виріб у вигляді трубки чи диску, не руйнуючись. Величину μ візьмемо рівною 0,23 - середня величина коефіцієнта Пуассона для електровакуумного скла. Тоді

.

2.2. Метод визначення термостійкості

Для визначення термостійкості скла звичайно вживають метод "температурного поштовху", при якому швидко охолоджують нагрітий скляний зразок. При цьому мірою термостійкості є різниця температур, при якій зразок руйнується.

Як зразки для дослідів використовують готові вироби зі скла, зразки скла у вигляді кубиків, циліндрових дротів (стержнів) або пластинок.

У виробництві електровакуумного скла застосовують метод визначення термостійкості за ГОСТ 7330-55. Штапики довжиною ЗО мм, діаметром 4 мм в кількості 12-15 одиниць вміщують у трубчасту електропіч у спеціальному нікелевому термоблоку і розігрівають до температури, що дорівнює нижній межі термостійкості скла.

Потім зразки швидко вміщують у посуд з водою. З охолоджених зразків відбирають зразки з тріщинами і знову вміщують їх у піч, температуру якої підвищують на 1О°С. Такі операції повторюють доти, доки всі зразки не зруйнуються. Величину термостійкості визначають за формулою

,

де ni - кількість зразків, у яких виникла тріщина при різниці температур в печі й охолоджуючій рідині (води) ΔТi

( i = 1, 2, 3,..., n ).

При виборі і приготуванні зразків слід мати на увазі, що результати дослідів залежать від діаметра й довжини зразків, стану їх кінців і поверхні (тріщини, подряпини, сплавленість і т.д..), а також від ступеня відпалу зразків.

Відібрані зразки повинні мати вказані вище розміри, оплавлені кінці, бути добре відпаленими й не мати тріщин і подряпин.
2.3. Описання установки

Установка для визначення термостійкості скла (рис. 2) являє собою відбивну піч із йодною лампою розжарювання у стані нагрівача, обладнану пристроям для розташування зразків у печі під час розігрівання і послідовного скидання їх до посуду з водою.

Цей пристрій складається із сітчастого контейнера (3), де розміщують зразки і механізму скидання нагрітих зразків (2). До лампи печі подають напругу від лабораторного автотрансформатора. Температуру в печі регулюють напругою, що подасться до лампи. Для контролю і вимірювання температури є термопарний термометр 4.

Напруга з термопари подається до гальванометра, що має шкалу у градусах °С, Скидання зразків здійснюється швидким відкриттям кришки печі 5 і пересуванням ручки 7 механізму скидання до положення І. Зразки скидаються до посуду з водою б, температура води кімнатна.

Для приготування зразків потрібне таке обладнання: І) газовий пальник; 2) полярископ ПКС-56; 3) штангенциркуль; 4) пінцет; 5) ніж для різання скла,
2.4. Завдання до роботи

І. Для виконання роботи слід уважно ознайомитися з механічними й термічними властивостями скла (див. І -с. 40-45; 2 - с. 96-107; 3 - лекція № II).

Завдання до п. 2.1.

Уважно ознайомитися з формулами в розділі 2.1.

Розрахунковим шляхом визначити термостійкість скла таких
марок: С 40-1, С 49-2, С 96-1.

Розрахунковим шляхом визначити термостійкість при місцевому охолодженні й нагріванні, а також статичну термостійкість для двох марок скла С 40-1 і С 96-!.

Завдання до п. 2.2.

Підготувати дві партії штапиків по 12 одиниць кожна, і першу з них обробити полум'ям газового пальника (оплавити кінці, вилучити подряпини й тріщини з бокової поверхні).

Описати кожний із зразків другої партії (без обробки полум'ям пальника), розглядаючи їх крізь лупу із збільшенням у 5...20
разів,

Обидві партії розташувати в контейнері й закрити в печі.

Завдання до п. 2.3.

Ознайомитися з установкою й методом визначення термостійкості.

Визначити термостійкість кожної з двох партій зразків.

За одержаними результатами зробити висновки про вплив


стану поверхні на термостійкість скла.
  1   2   3   4


База даних захищена авторським правом ©lecture.in.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка