Джерело еталонного випромінювання ДЕВ-2М
Роботу виконала Семененко Мар'яна
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
Джерело еталонного випромінювання ДЕВ-2 (ДЕВ-2М)розроблене і пропонується як інтенсивне джерело оптичного випромінювання, за допомогою якого під час вивчення питань з оптики і будови атома можна спостерігати і досліджувати випромінювання атомів 32 різних хімічних елементів та їх сумішей, встановлюючи при цьому якісні і кількісні спектральні закономірності і знайомлячись з основами спектрального аналізу.
ДЕВ-2М може бути використаний як еталонне джерело спектрів для наукових і технічних цілей, а також з метою градуювання і калібрування обладнання, яке використовується в галузі практичної спектроскопії.
Джерело еталонних спектрів ДЕВ-2М складається із спектральних безелектродних ламп ВСБ-2, котрі є джерелами спектрів випромінювання різних хімічних елементів і високочастотного генератора, що збуджує випромінювання цих ламп.
На відміну раніше створеного нами джерела лінійчастих спектрів ДЕВ-2,прилад ДЕВ-2м має такі переваги.
Джерело ДЕВ-2м призначене для використання його у навчальних цілях під час вивчення фізики на уроках чи в ході інших занять з учнями та студентами. Його живлення доцільно здійснювати від досить поширеного випрямляча змінного струму ВУП-2.
ДЕВ-2м є приладом з автономним живленням і може використовуватися, як для навчальних цілей, так і в лабораторіях, де ведуться спектральні дослідження для наукових і промислових цілей.
Щоб прилад у більшій мірі відповідав санітарно-гігієнічним вимогам та вимогам техніки безпеки, блок живлення генератора виконано із "зазамленим плюсом". Внаслідок такого конструктивного вирішення між котушками коливального контура і корпусом приладу різниця потенціалів практично дорівнює нулю. Це виключає можливість ураження струмом, при одночасному дотику до котушок і корпусу приладу.
Прилад ДЕВ-2м відрізняється простотою будови, принципом роботи і конструктивним вирішенням різних його елементів. Як навчальний прилад він доступний для самостійного виготовлення в умовах середніх навчальних закладів та вузів. Всі деталі генератора досить поширені.
Вартість ДЕВ-2м, як навчального приладу, визначатиметься кількістю спектральних ламп ВСБ-2, якими слід укомплектувати прилад для реалізації варіативного вивчення курсу фізики в середніх чи вищих навчальних закладах різного типу і профілю.
Історична довідка
Запровадження ДЕВ-2М, у навчальний процес характерезується не лише економічною ефективністю, а й значним педагогічним ефектом.
Спочатку джерела випромінювання застосовувались виключно для освітлення, тому розвиток джерел світла був тісно пов’язаний із потребами людини в штучному освітлені.
На протязі багатьох віків джерела світла (а точніше вогню) залишались практично без змін. Це можна пояснити тим, що довгий час людина не мала потреби у вдосконаленні джерел світла. Цей «застій» у розвитку джерел випромінювання був порушений бурхливим розвитком промисловості в кінці XVIII – на початку XIX віків.
В XIX ст. техніка штучного освітлення, активним елементом котрого є джерело випромінювання, зробила великий стрибок. На початку XIX ст. був винайдений парафін та стеарин, що дозволило відмовитись від свічок із сала. Раніше, в кінці XVIIIст. були застосовані лампові скла і пустотілі гніти. В середині XIX ст. в лампах було використано нове пальне – гас.
Вдосконалення конструкцій гасових ламп дозволило суттєво покращити штучне освітлення, й найбільш раціональні конструкції цих ламп застосовуються досі. Судячи по описах того періоду, найбільше враження на початку XIX ст. викликала поява газового освітлення.
В другій половині XIX ст. широке розповсюдження стало отримувати електричне освітлення, що активно витісняло всі інші види освітлення. Боротьба з лампами розжарювання супроводжувалась вдосконаленням установок газового освітлення, що призвело до створення ефективних газорозжарювальних сіток.
Після відкриття в 1800р. теплової дії електричного струму почались досліди по отриманню світла шляхом розжарювання дротини струмом.
В 1801р. Тенард і Готро (Франція) – показали принципову можливість нагріву тонкої дротини до температури видимого свічення.
В 1802р. Деві струмом від гальванічної батареї доводив до яскравого свічення тонку платинову дротину, температура плавлення якої близько 1750°С. Було встановлено, що збільшення температури тонкої дротини можна в значній мірі змінювати випромінювання, а тому почались пошуки матеріалів, котрі могли б працювати при підвищеній температурі. Так як платина не окислювалась на повітрі, то перші пошуки були пов’язані з матеріалом.
В 1840р. Граве створив лампу із платиновим спіральним тілом розжарювання, але конструкція була не досконалою і дальше лабораторії зразок не пішов.
В 1865 – 1869рр. Адамс вирішив проблему щільного впаю електродів у скло, вказана робота спільно з винаходом Шпренгеля в 1865р. ртутного насосу дозволила суттєво просунутись у розробці ефективних ламп розжарювання.
Чисельні роботи в цій області довгі роки не давали задовільних результатів. Лише 1872р. успіх супроводжував російського винахідника і конструктора А.Н.Ладиніна, котрий запропонував джерело світла, в принципі схожий з сучасною лампою розжарювання. Він помістив у скляний балон вугільний стрижень, випиляний із реторного вугілля (отриманого при сухій перегонці деревини), і пропустив через нього струм. Стрижень розігрівався й яскраво світився. Кисень всередині балону поглинався за рахунок згоряння частини вугілля (вакуумної техніки на той час не було). Частина вугілля, що залишилась відносно довго працювала, випромінюючи світло. Пізніше лампа була вдосконалена В.Ф.Дідріхсоном котрий розмістив в балоні декілька вугільних стрижнів, що автоматично перемикались по мірі перегоряння.
В 1802р. Російський фізик В. В. Петров відкрив явище електричної дуги між вугільними електродами і відзначив її світлові якості, підказав тим самим можливість використання цього явища з метою освітлення.
В 1876р. російський винахідник П. Н. Яблочков використав для отримання світла електричну дугу. В лампі Яблочкова, котра ввійшла в історію під назвою «свічка Яблочкова» являла собою відкриту вугільну дугу, в якості електродів були застосовані два вугільних стрижня, розміщені паралельно й розділені проміжком із суміші каоліну з магнезією. Лампа П. Н. Яблочкова демонструвалась на виставці в Петербурзі у 1881р.
У 1879р. американський вчений Т. А. Едісон вдосконалив лампу Ладиніна, застосувавши для тіла розжарювання вугільний волосок, отриманий шляхом обвуглювання довгих і тонких бамбукових волокон, і відкачав із балону повітря. Конструкція лампи була достатньо технологічною, що дозволило організувати промислове виробництво ламп з вугільною ниткою. Лампи розжарювання починають широко впроваджуватись в практику електричного освітлення в багатьох країнах, в тому числі в Росії.
В 1890р. А.Н.Ладинін демонстрував лампу з тілом розжарювання у вигляді нитки із тугоплавкого металу – молібдену. Ця ідея виявилась дуже плідною. Для виготовлення тіла розжарювання намагались використовувати платину, осмій, цирконій, тантал і нарешті вольфрам, котрий витіснив усі інші метали. Перші зразки ламп із застосуванням вольфраму з`явились в 1903р., в 1906р. почався промисловий випуск вакуумних ламп з прямою вольфрамовою тягнутою ниткою.
В 1897р. Нернст, використовуючи властивості окислів деяких металів, передусім торію, церію, цирконію, ітрію, та ербію ставати при високих температурах провідниками, створив лампу, в котрій застосував стрижні із магнезії, в подальшому замінивши її оксидами перерахованих матеріалів.
В 1913р. американський вчений І.Ленгмюр запропонував наповнювати лампу розжарювання нейтральним газом і використовувати спіралізоване тіло розжарювання замість ниткоподібного. Ці заходи дозволили зменшити температурне розпилення вольфрової дротини і за рахунок цього збільшити тривалість горіння (термін служби) лампи. І.Ленгмюру належить теоретична і практична розробка спіральних вакуумних і газонаповнених ламп.
В 1914р. були винайдені газонаповнені лампи розжарювання з біспіральним (двічі спіралізованим) тілом розжарювання. Але вони довго не отримували практичного застосування із-за сильного провисання тіла розжарювання. Тільки в 1935р., після розробки технології виготовлення формостійкого вольфраму, почалось їх масове виробництво. З 1936р. в якості газів – наповнювачів лампи стали використовувати криптон і ксенон.
Практичне використання свічення електричного розряду в газі з метою освітлення почалось у 1893р., коли американський інженер Ф.Мур запропонував конструкцію трубок, що світяться, наповнених розрідженими газами (азот та вуглекислота). Цій події передували дослідження багатьох вчених в галузі створення джерел струму, отримання вакууму, вивчення властивостей і різноманітності газового розряду. У 1910р. для трубок, що світяться, почали застосовувати неон, аргон та інші гази, що дозволило спростити їх конструкцію. Паралельно створювались й трубки, що світяться, наповнені парами металів. Першою такою лампою, що використовувала свічення парів ртуті, була ртутна лампа І.Репьєва, запропонована в 1879р. В 1900 – 1901рр. в ці лампи були введені конструктивні вдосконалення, котрі зробили їх зручними для практичного застосування. В результаті розпочатих у 1904р. робіт, пов`язаних з використанням для ртутних ламп кварцових колб, була створена надійна конструкція ламп з металевими виводами (1912–1913рр.) та твердими оксидними катодами (1930 – 1932рр.).
Ці лампи були інтенсивними джерелами випромінювання в ультрафіолетовій області спектру. Перша (типу ДРТ), в циліндричній колбі, являє собою ефективне джерело ультрафіолетового випромінювання, а друга (типу ДРШ), з короткою дугою в кульовій кварцовій колбі, наповнена ртутними парами, володіє високою яскравістю, в десятки й сотні раз перевершуючи яскравість ламп розжарювання. У 1919р. з`явились і почали розповсюджуватись лампи з парами натрію низького тиску. В кінці 30–х років почались дослідження по створенню інтенсивних джерел світла з малою тривалістю свічення (імпульсні лампи). Однак, незважаючи на значно вищий, ніж у ламп розжарювання, ККД, вказані вище газорозрядні лампи не знайшли широкого застосування для загального освітлення, так як вони мають лінійчатий спектр випромінювання та сильно спотворюють колір освітлюваних предметів.
Технічні характеристики
Основні технічні характеристики приладу ДЕВ-2М:
Частота генератора....................100±10 МГц.
Живлення від мережі змінного струму промислової частоти 50Гц .................220±22 В.
Загальна споживна потужність,...........не більше 45 Вт.
Габаритні розміри,..................... 80×240×110 мм.
Маса приладу,..........................не більше 3 кг.
Сфера застосування
Джерело ДЕВ-2м призначене для використання його у навчальних цілях під час вивчення фізики на уроках чи в ході інших занять з учнями та студентами. Його живлення доцільно здійснювати від досить поширеного випрямляча змінного струму ВУП-2. ДЕВ-2м є приладом з автономним живленням і може використовуватися, як для навчальних цілей, так і в лабораторіях, де ведуться спектральні дослідження для наукових і промислових цілей.
Щоб прилад у більшій мірі відповідав санітарно-гігієнічним вимогам та вимогам техніки безпеки, блок живлення генератора виконано із "зазамленим плюсом". В наслідок такого конструктивного вирішення між котушками коливального контура і корпусом приладу різниця потенціалів практично дорівнює нулю. Це виключає можливість ураження струмом, при одночасному дотику до котушок і корпусу приладу.
Впровадження ДЕВ-2м у навчаьний процес характерезується не лише економічною ефективністю, а й значним педагогічним ефектом. При практично однаковій вартості типового обаднання кабінету фізики (наприкад, випрямляч ВС-24, генератор високовоьтний типу "Спектр-1" набір спектральнихтрубок ТСУ та ін.), яке використовується для здійснення навчальних дослідів, запровадження джерела ДЕВ-2м суттєво підвищує ефективність всієї системи навчаьного експеременту і дозволяє виконати низку демонстрацій, значну кількість індивідуальних спостережень, лабораторних робіт, робіт фізичного практикуму, тощо, активізуючи пізнавальну діяльність учнів і студентів під час вивчення на сучасному науковому рівні питань про спектри, спектральні закономірності та основи спектрального аналізу.
Фото, відео-матеріали
Список використаних джерел
1. Величко С.П., Сірик Е.П. Нове навчальне обладнання для спектральних досліджень. Посібник для студ. фіз.-мат. фак-тів пед.вищих навч.закладів.-2-е вид., перероб.- Кіровоград: ТОВ "Імекс-ЛТД", 2006.- 202с.
2. Величко С. П. Розвиток системи навчального експерименту та обладнання з фізики у середній школі. - Кіровоград, 1998. - 302 с.
3. Оптична міні-лава та інтегрований навчальний експеримент. Посібник для студ. фіз.-мат. фак-тів пед. вищих навч. закладів / С. П. Величко, І. М. Гладкий, Д. О. Денисов та ін.: За ред. С. П. Величка. - У 2-х частинах - Кіровоград: РВВ КДПУ ім. В. Винниченка, 2008.
