Энергия үнемдеуші лампаларды қолдану

Қазақстан Республикасы Білім және ғылым министрлігі

Маңғыстау аудандық білім бөлімі басқармасы

«Тобанияз атындағы орта мектеп» ММ

«Зерде» зерттеу жұмыстары мен шығармашылық жобалары

Ғылыми жұмыстың тақырыбы:

«Біздің жаңа отындық элементтерді, энергияүнемдеуші жарық көздерін, асқынөткізгіштерді жасауға

толық мүмкіндіктеріміз бар»

Секциясы: Физика

Жоба авторы: Далабай Парасат 7-сынып оқушысы

Жоба жетекшісі: Унаева Гульшат Маратовна физика пәні мұғалімі

Ғылыми жоба мақсаты:

         Бүкіл Әлем елдері көшіп жатқан немесе көшуді мақсат тұтып отырған энергияүнемдеуші технологиялар, оның ішінде барлық салаларда кең қолданыстағы энергияүнемдеуші лампалар жұмысының физикалық табиғатын нақты практикалық зерттеулер негізінде ашып көрсету және  елімізде оған көшу мүмкіндіктерінің оң- теріс сипаттарына баға беру. 

Жоспары:

1. Кіріспе. Неліктен энергияүнемдеуші лампаларға көшу

                       қажет?

2. Негізгі бөлім. Энергияүнемдеуші лампаларды қолданудың

                      физикалық негіздері.

1. Фотометрия дегеніміз не?

2. Лампаның жарықтық энергетикалық тиімділігі

                       немесе ПӘК- і дегеніміз не?

3. Қыл сымды қыздыру лампалары.

4.  Люминесценттік немесе күндізгі жарық беру

                       лампалары.

5.  Жарықтық диод лампалары.

6.     Қыл сымды қыздыру лампасы мен люминесценттік  

                       лампаның жарық бергіштік коэффициенттерін

                       салыстыру.              

7.  Энергияүнемдеуші лампаларды жаппай қолдану нақты

                       қандай үнем берер еді?

           III.  Қорытынды.

1. Кіріспе. Неліктен энергияүнемдеуші лампаларға көшу қажет?

  Кешкісін уақыттардағы самаладай жарқыраған үй терезелері мен көшелер, мың құбыла түрленген жарнама шамдары мен үздіксіз ағылып жатқан машиналар шамдары – осылардың барлығы, казіргі дамыған заманымыздың тайға таңба басқандай ажырамас көріністері болып табылады. Осыларды көре отырып, бұдан жуық мөлшерде бір ғасырдан сәл астам уақыт ғана бұрын, яғни ΧІΧ ғасырдың соңына дейін жасанды жарықтандырудың негізгі түрі – газ немесе керосинді лампалардың от алауы болғанына таңданбасқа болмас. Түтін мен күйе қалдықтарын бөлетін, өрт тұрғысынан алғанда аса хауіпті жарықтандырудың бұл түрлерінен келесі, жұмыс жүйесі мүлде басқа жаңа сатыға көшуді  П.Н.Яблочков (1847- 1894), А.Н.Лодыгин (1847- 1923), Т.Эдисон (1847- 1931) сияқты адамзат тарихында белгілі ғалымдардың ғылыми еңбектері қамтамасыз етті. Олар адамзатқа жасанды жарықтандырудың жаңа түрі – қыздырылатын қыл сымды электр лампасын берді. Егер электрлік жарықтандырудың туған жылы 1880 жыл десек, казіргі осы уақытымызға дейін жарықтандырудың бұл электрлік түрі соншама елеулі өзгеріске ұшыраған жоқ.

Казіргі уақыттағы жоғары деңгейде дамыған электрлік жасанды жарықтандыру адамзаттың табиғи, күн жарығына деген тәуелсіздігін азайта түскені анық. Дегенмен адамзат, оның үнемі ізденіс- жетістікті қажет ететін ақыл- ой жүйесі бұғанда қанағаттанбасы хақ. Яғни, елімізде электр энергиясы молшылығы болғанымен, одан алынатын жарық энергиясын үнемді және денсаулыққа, дәлірек айтсақ көру жүйесіне еш зиянсыз пайдалану бағытында атқарылатын жұмыстар баршылық.

Әрине, мұндағы бірінші мақсат адамзаттың табиғи күн жарығына миллиондаған жылдар бойы қалыптасқан көру жуйесінің сезімталдық- әсер сезу талаптарына жасанды жарық сипаттамаларын сәйкестендіру болса, екінші, маңызы одан кем емес себеп- электр энергиясын үнемдеу болып табылады.

Неліктен қандай да бір денені көреміз дегенге келсек, көрініп тұрған дене өзінен жарық шығарады да, ол көзге түскенде әсер сезімін туғызып денені көреміз. Бұл денелердің біреуі көрінерлік жарық сәулесін өздері шығарады, осыған байланысты активті сәуле шығару көздері болып табылады және бұларға өзіміз қарастырғалы отырған түрлі жарық көздері – лампылар жатады. Екінші бір денелер жарық көздерінен шыққан жарықты қабылдап алады да қайта шағылдырады, осының нәтижесінде оларды да көреміз. Бұлар пассивті жарық көздері болып табылады.   

Казірде елімізде тұрмыстық жарықтандыру жүйесінде кең қолданыстағы вольфрам қыл сымды- қыздыру лампасы өзіне ток көзінен қабылдайтын электр энергиясының тек 4-5 процентін ғана жарық энергиясына айналдырады, яғни ПӘК- і өте төмен. Ал қалған 90-95 процент энергия жылу немесе инфрақызыл сәуле түрінде бөлініп шығатынын ескерсек, бұл лампалардың қыл сымды қыздыру лампасы деп неге аталғаныда түсінікті болады. Сонымен қатар, көру жүйесіне кері әсерін тигізерлік нақты зиянды ауытқушылық жоқ болғанымен, қыздыру лампасы беретін жарық спектрі табиғи, күн жарығы спектрімен толық дәл келеді деп айтуға және болмайды. Қыздыру лампасы беретін спектр жылулық сәуле шығару жағына көбірек ығысқан. Бұл арада ой жұмысының адамдары, оқушы балалар жұмыс уақыттарының басым бөлігін жасанды жарық арқылы жүргізетіндіктен және қол жұмысы адамдарымен салыстырғанда, олардың басым бөлігі көзәйнекті ертерек пайдалануға мәжбүр болатындықтан жасанды және табиғи жарықтардың спектрлік сәйкестігі казіргі және келешекте қолданылатын жасанды жарықтандыру көздеріне қойылатын басты талап болмақ.

Сонымен, қатар жақын келешектегі негізгі жасанды жарық көзі деп есептелініп отырған жарықтықдиодтық лампалардың жаппай пайдалануға берілуі аса беріктік, аса төмен энергия пайдалану (мысалы, бірдей жарық бөлу жағдайында қыздыру лампалары пайдаланатын энергияның 10 проценті ғана), ұзақ жұмыс істеу уақыты (100000сағатқа дейін), төмен жұмыстық кернеуі, сәуле шығарудағы түстердің алуан түрлілігі және оны реттеу мүмкіндігі, кез- келген ортада пайдалану мүмкіндігі, экологиялық және өрт хауіпсіздігі сияқты тамаша қасиеттеріне қарамастан қымбаттылығына (арнайы материалдардың қолданылуы және жасалу технологиясының күрделілігі) байланысты кейінге шегерілуде. Бірақ казіргі жаңа технологиялар заманында жарықтық диодтық лампаларының жаппай пайдалануға берілуі көп уақытқа созылмайтынына күман келтіруге болмайды.

Казіргі уақытта Евроодақ елдері, сонымен қатар жақын көршіміз Ресей елі  энергия үнемдеуші лампаларға жоспарлы түрде көшуді жүзеге асырмақшы болып отырғандықтары жасырын емес. Бұдан, әрине Қазақстанда шет қала алмайды. Оған басты себеп, Әлемдегі орны толмайтын энергия көздерінің мөлшері интенсивті пайдалануға байланысты жедел азаюда екенін ескерсек және жарықтандыру жүйесінде өз өнімінен (жарық) 18- 20 есе артық пайдаланылатын электр энергиясы ел шаруашылығы технологиясының даму деңгейін, оның тиімді- тиімсіздігін көрсетіп тұрған жоқ па. Бұл ретте 15 миллионнан астам халқы бар Қазақстан үшін тұрмыстық жарықтандыру жүйесін, қыздыру лампаларымен салыстырғанда 2- 4 еседей дерлік тиімді, газды разрядтық лампылармен немесе күндізгі жарық лампыларымен алмастыру қыруар үнем әкелері анық. Ал жарықтық диод лампыларына көшу келешек стратегиялық мақсаттардың біріне айналуы қажет. 

Негізгі бөлім. Энергия үнемдеуші лампаларды қолданудың

                      физикалық негіздері.

Шын мәнінде, өзі арзан, құрылысы өте қарапайым, іші инертті газбен толтырылған, шыны баллонды, вольфрам қыл сымды қыздыру лампасының өзінің даму шегіне жеткені, яғни ары қарай технологиялық жетілдірудің мүмкін емес болып, моральдық ескіргені анық. Бұл лампаларды ары қарай қолдануды тиімсіз еткен басты жағдай- оның энергетикалық ПӘК- інің ~ 5 процент, яғни, өте төмен екендігін күндізгі жарық лампаларымен салыстыра отырып, физика ғылымы заңдары негізінде және оқу кабинеті соңғы жылдары толықтырылған инновациялық тіркегіш зерттеу құралы GLX және оның Data Studio PASCO бағдарламасы арқылы дәлелдеп көрсетпекшіміз. Бұл үшін алдымен бірнеше теориялық мәселелердің басын ашып алуға тура келеді.

1. Фотометрия дегеніміз не?

Біздің зерттеу тақырыбымыз оптиканың жеке бөлімі – фотометриямен тікелей байланысты болғандықтан оған теориялық тұрғыда тереңірек тоқталып өтеміз.

Фотометрия деп жарық ағынына қатысты процестердің сандық сипаттамаларын оқып үйренуге арналған физика ғылымының оптика саласының жеке бөлімін айтады.

Фотометриядағы аса маңызды физикалық шама Ф – жарық ағыны болып табылады. Жарық ағыны деп көру сезімі арқылы анықталатын, кеңістікте таралған  сәуле ағынын, яғни берілген аудан арқылы уақыт бірлігі ішінде өткен сәулелік энергияны айтады:

(1) және ХБЖ - сіндегі өлшем бірлігі: [Ф]=1лм.(люмен)

Екінші маңызды физикалық шама I – жарық күші. Жарық күші деп ω  көлемдік бұрыштың бір бірлігіне сәйкес келетін жарық ағынын айтады, яғни:

(2)  және ХБЖ - сіндегі өлшем бірлігі: [I]=1кд.(кандела)

1кд – физика ғылымындағы негізгі жеті бірліктің біреуі болып табылады, яғни жарықтық техникадағы негізгі өлшем бірлік. Сонымен қатар жарық күші физикалық шамасын нүктелік жарық көздері үшін ғана қолдану қажеттілігі ескерілуі керек.

Егер жарық көзі ағынды барлық бағытта бірдей тарататын болса, мұндай жарық көзі изотропты деп аталады және ср   болғандықтан жарық көзінің жарық күші:

(3)  бойынша анықталады.

I – жарық күші ұғымын енгізу жарық күші әртүрлі жарық көздерін салыстыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар әртүрлі жарық көздерін салыстырудың екінші бір қолайлы жолы Ф  жарық ағындарын салыстыру болып табылады. Себебі, мысалы, (3) формулаға сәйкес жарық күші 1 кд жарық көзінің толық жарық ағыны   4П лм-ге тең болады және т.с.с. Яғни, жарық көзінің Р электрлік қуаты сияқты Ф жарық ағыныда сол лампы үшін тұрақты шама болып табылатын маңызды практикалық сипаттамасы. Қыздыру лампаларының негізгі сипаттамасы ретінде Ф  жарық ағыны берілмегенімен (мүмкін электрлік қуатына сйкес келетін жарық ағыны шамасының аздығынан болар), кейінгі уақыттарда энергияүнемдеуші шағын люминесценттік лампылардың  Ф  жарық ағыны шығарушы заводтар арқылы нақты көрсетіле бастады. Бұл, әрине энергияүнемдеуші шағын люминесценттік лампаларға қатысты бізге, тұтынушыларға дұрыс таңдау жасауға көмектесетін болады. Казірде мұндай лампылар Қытай және Түркиядан әкелінетіндіктен, бұл көрсеткіштің шындыққа сәйкес келу  келмеуі келешекте міндетті түрде шешімін табуға тиіс келесі сұрақ болуы қажет.

Енді үшінші және біздің зерттеуіміз үшін аса маңызды фотометриялық шамаға келсек, ол Е  бет жарықталынуы болып табылады. Шын мәнінде көру сезімін туғызып, әсер беретін шама  бет жарықталынуы:

(4)  бойынша анықталады.

Және ХБЖ сіндегі өлшем бірлігі: [Е]=1лк.(люкс)

Е бет жарықталынуы деп бет ауданына түскен жарық ағынының сол бет ауданына қатынасына тең физикалық шаманы айтады.

Ф  жарық ағыны үшін ағын тұрақтылығы заңдылығы орындалатын болса, жарық күші үшін керісінше бет жарықталынуы жарық көзінен алыстаған сайын әлсірей беретіні түсінікті және бұл заңдылықты:

(5)  түрінде көрсетуге болады.

Мұндағы α  жарық сәулесінің бетке түсу бұрышы.

2. Лампаның жарықтық энергетикалық тиімділігі немесе ПӘК- і дегеніміз не?

Кез- келген лампаның жарық беруі немесе жарықтық энергетикалық тиімділігі немесе ПӘК- і деп оның адам көзі сезіп- қабылдайтын жарық түрінде шығарған энергиясының ток көзінен қабылданған толық электр энергиясына қатынасын айтамыз және оны өзімізге белгілі жарық бөлшектері- фотондар энергиясы (9 кл) арқылы өрнектесек, яғни:

Мұндағы: W_ж және W_э – сәйкес жарық және электр энергиялары, W_о – жеке жарық фотоны энергиясы, N – t уақыт ішінде лампа шығаратын жарық фотондарының саны, h – Планк тұрақтысы,  – жарық жиілігі және    λ – жарықтың толқын ұзындығы.

Әрине, бұл формула қолдануымызға өте қолайлы болар еді. Бірақ, есептеуімізде қиындық туғызатын жағдай- жарық жиілігін немесе толқын ұзындығын анықтау. Жарық жеті түрлі түстен тұратын ақ жарық, әр түске сәйкес орташа мәндерін алу мүмкін болғанымен, ол мәндерді бұл арада пайдалануға келмейді. Себебі әр түстегі жарық энергиясы спектрлік бөлінуі, тіпті ондағы фотондар саныда бірдей емес.

Бізге бұл қиындықтан шығуға   GLX тіркегіш құралы көмектеседі. GLX құралының жарықталынуды өлшеу датчигі немесе фотодатчик арқылы лампадан белгілі қашықтықтағы ауданы белгілі беттің жарықталыну шамасын лк (люкс) бойынша өлшейміз. Бұл жарықталынуға сәйкес, сол бетке түскен жарық қуаты арасындағы байланыстылықты анықтауымыз қажет. Әрине, бұл лампаның электрлік қуатынан басқа қуат. Осы екі қуат қатынасы лампаның энергетикалық тиімділігін анықтайды, яғни:

Бетке түсетін жарық энергиясы қуатын – Р_ж анықтау үшін жарықталынудың анықтамасына сәйкес теңдеуін пайдаланамыз:

Мұндағы: Е_ж – бет жарықталынуы (лк), Ф – бетке түскен жарық энергиясы ағыны (лм), S – жарық түскен бет ауданы, біздің жағдайымызда бұл GLX құралы фотодатчигінің ауданы болып табылады және:

S  = (8)

Жалпы алғанда:   Ф –  жарық ағыны кез- келген лампа үшін тұрақты шама,   онда лампа шығаратын толық жарық ағынын анықтау үшін- лампадан кез- келген  R – қашықтықтағы  перпендикуляр бет жарықталынуын анықтаймызда, теңдеуін пайдаланамыз, ал мұндағы  радиусы болып саналатын толық сфералық бет ауданы болып табылады, яғни:

S=4·П·R²  (10)     

(4)-ші теңдеуден Ф- жарық энергиясы ағыны бойынша алынған сандық мәліметті Р_ж – жарық энергиясы қуатына айналдыру үшін ақ жарық жағдайында 1 Вт қуаттың 243 люмен жарық ағынына эквивалентті екенін пайдаланамыз, яғни:

Адам көзінің күндізгі жарық жағдайында түрлі түстерге сезімталдығын, яғни спектралдық сезімталдығын сипаттауда жарық ағынының люменге сәйкес мәнін Вт- қа айналдыру үшін қолданылатын, тәжірибеде анықталған бұл коэффициент мәндерін арнайы техникалық және физикалық анықтамалықтардан алуға болады. Әрине, әртүрлі түс немесе толқын ұзындығы беретін бірдей жарық ағынына сәйкес келетін жарық қуаты өзара тең емес. Мысалы, ең жоғары тиімділік толқын ұзындығы 555 нм жасыл жарыққа сәйкес келеді, ал толқын ұзындығы 650 нм- лік қызыл жарыққа және 470 нм- лік көк жарыққа бірдей, бірақ салыстырмалы түрде алғанда төменгі энергетикалық тиімділіктер сәйкес келер еді. Бұларды айтылу реті бойынша (6)- теңдеу түрінде көрсетсек, жарық қуатының жарық ағынына эквиваленттілігі төмендегідей теңдеулер бойынша анықталар еді:

(7) және (11)- теңдеулерден лампаның жарық беруін немесе жарықтық энергетикалық тиімділігін немесе адам көзінің табиғи күн жарығына миллиондаған жылдар бойы қалыптасқан көру жуйесінің сезімталдық- әсер сезу әрекеттеріне сәйкес жарықтық энергетикалық ПӘК- ін анықтайтын соңғы формуланы аламыз:

(6)  және  (7)- теңдеулер бойынша алынған сандық мәліметтерге тиісті түсіндірулер беріледі. Бұл ретте басты назар өзіміз пайдаланған тура қызатын, қыл сымды лампалардың жарықтық тиімділігін немесе жарық бергіштігін сипаттайтын нақты ПӘК- і өте аз,  ≈ 3,5 – 5 % мөлшерде болатындығына, яғни энергетикалық жағынан тиімсіздігіне аударылады. Казіргі уақытта Әлемнің барлық елдерінде энергетикалық жағынан тиімді, жұмыс принципі мүлде басқа лампаларға көшу жұмысы қарқынды түрде жүзеге асырылуда. Мұндай лампалар энергетикалық жағынан екі еседей тиімді болатын люминесценттік лампалар мен одан да гөрі тиімдірек жарықтықдиод (светодиод) лампалары болып табылады. Енді, адамзат өзінің цивилизациялық даму тарихында пайдаланған немесе келешекте пайдаланатын, электр энергиясын жарық энергиясына айналдыруының жұмыс принципі бір- бірінен өзгеше жарық көздеріне жеке- жеке тоқталайық.

3. Қыл сымды қыздыру лампалары.

Жарық беру принципі бір бірінен мүлде өзгеше түрлі жарық көздерінің жұмысын физикалық заңдылықтар тұрғысынан негіздеп көрейік. Қарапайымда, арзан қыл сымды қыздыру лампасының жарық шығаратын жұмыстық денесі аса қатты қызған, балқуға төзімді вольфрам спираль болып табылады. Ол қажетті шамадағы ток өту кезінде үш мың градус температураға дейін қызады да, оны құрайтын атомдар мен молекулалардың ретсіз жылулық қозғалысының энергиясы шұғыл артады да, осы энергияның бір бөлігі көрінетін жарық түрінде шығарылады.  Адам көзі өзінің даму эволюциясында бетінің температурасы 6000 градус болатын Күн шығаратын жарықты қабылдауға қалыптасқан. Мұны екінші сөзбен айтсақ, Күн жарығы өзінің спектрлік құрамы бойынша адам көзі қабылдауына өте тиімді болып табылады. Ал қыздыру лампасындағы қыл сым температурасы бұдан әлдеқайда төмен, сондықтанда лампа негізінен спектрдің инфрақызыл бөлігінде сәуле шығарады да, спектрдің көзге көрінерлік бөлігіне лампа энергиясының аз бөлігі ғана сәйкес келеді.

Қыл сымды қыздыру лампасының жарық бергіштігін арттыру үшін не істеу керек? Әрине, тек қана жалғыз жол бар, ол лампаның жұмыстық денесі – қыл сым температурасын арттыру. Температураны арттыру қыл сымның тез булануына, яғни жұмыс істеу уақытының азаюына әкеледі. Қыл сым жіңішкере береді де үзіледі және кедергісі өзгеруіне байланысты шығарылатын жарық құрамы да тұрақты болып қалмайды. Қыл сым булануын болдырмау үшін лампа колбасын жоғары қысымдағы инертті газдармен толтырады. Мұны қарапайым физика тілімен түсіндірсек, қыл сым бетіне ұшып шыққан вольфрам молекуласы газ молекуласына соғылады да қайтадан жұмыстық денесіне қайтып оралуға мәжбүр болады.

Бұл жағдайда қыл сымды галогендік лампаны аламыз. Галогендік лампалар қыл сымды қыздыру лампасының дамуының ең жоғарғы деңгейі болып табылады. Галогендік лампалар түрлі прожекторларда, автомашина фарларында қолданылады және өзіне берілген энергияның 10-15 процентін көрінерлік диапазонда шығарады. Тұрмыстық мақсатта қолдануда жоғары бағасы кедергі жасайды. Ал, тұрмыста қолданылатын қолданылатын қыл сымды лампалар төменгі қысымдағы инертті газбен толтырылады және олар жоғарыда айтып өткеніміздей өзінің даму шегіне жеткен, ары қарай жетілдірудің еш перспективасы жоқ. Мысалы, қыл сымды қыздыру лампаларының орташа жұмыс уақыты ~(800 – 1000)сағат мөлшерінде болады, бұл әрине аз. Сонымен қатар олар желідегі кернеу ауытқуларына да төзімсіз болып келеді. Кернеудің қалыпты мәннен сәл артуы лампаның жұмыс уақытын шұғыл қысқартады. Ал, кернеудің төмен мәні лампа жарығының спектрлік сапасына кері әсерін тигізеді, яғни  онсыз да төмен жарықтық энергетикалық ПӘК- і одан ары төмендейді.

Сондықтан жарық беру принципі қыздыру лампасынан мүлде бөлек екі түрлі жарық көздеріне тоқталсақ.

Олар: люминесценттік немесе күндізгі жарық беру лампалары мен жарықтықдиод лампалары.

4. Люминесценттік немесе күндізгі жарық беру лампалары

Люминесценттік немесе күндізгі жарық беру лампалары казірде кең қолданыста. Алғашында сүт түстес ұзын түтіктер түрінде шығып, қоғамдық және өндірістік мекемелерде  жаппай қолданылған бұл лампалар казіргі уақытта шағын көлемді және қыл сымды лампалар патронына орнатуға лайықталып жасалып, энергия үнемдеуші лампалар деген атпен тұрмыстық мақсатта кең қолданылуға ене бастады. Мұнда түтікті толтырып тұрған газ арқылы ток- электрондар ағыны жүрген кезде жарық шығарылады. Мұның себебі, электр өрісі әсерінен жоғары жылдамдықпен қозғалған электрон газ атомымен соқтығысқанда оған өз энергиясын береді де, қозған газ атомы мұны ультракүлгін сәуле түрінде шығарады. Ал түтіктің люминиформен қапталған ішкі бөлігі ультракүлгін сәулені жұтады да, оны қайтадан көрінерлік жарық түрінде шығарады. Түтік ПӘК- і тұрғысынан алғанда бұл әрине жақсы, ультракүлгін сәулені түгелдей дерлік көрінерлік жарыққа айналдыруға принципті түрде кедергі жасайтын ештеңе жоқ.

Ал, қыздыру лампасы энергияның басым бөлігін инфрақызыл сәуле- жылу түрінде шығарады да оны ары қарай жарыққа түрлендірудің еш мүмкіндігі жоқ. Бұл, әрине, басқа зат атомдарымен өзара түрленуге түсуге қажетті инфрақызыл сәуле фотоны энергиясының аздығымен түсіндіріледі. Сонымен, казіргі люминесценттік лампалар қыздыру лампасынан 2- 4 еседей тиімдірек. Дегенмен бұл арада проблеманы түпкілікті шешу түтік толтырылатын газдың, мысалы сынап буының улылығымен және жағдайдың толық зерттеліп, шешілмегендігімен  түсіндіріледі. Казіргі заманғы люминесценттік немесе күндізгі жарық беру лампаларының «атасы» ретінде 1903 жылы американ физигі П.Хьюит жарық көзі ретінде іші сынап буымен толтырылған шыны баллондағы электродтар арасындағы разряд, яғни электр тогының жүру құбылысын пайдалануды ұсынуда енгізген жаңалығын алуға болады. Ультракүлгін сәулені көрінерлік диапазондағы жарыққа айналдыру мақсатында іші фосфордан тұратын люминифор қабатымен қапталған Хьюит лампасы люминесценттік лампалар деген ат алды да, жарықтандыру жүйесінде 1938 жылдан бастап кеңінен қолданыла бастады.  Люминесценттік лампалардың қыздыру лампасынан басты артықшылықтары қабылданған электр энергиясының ~(20 – 40) процентке жуығын жарыққа айналдыра алады, ал жұмыс уақыты алты еседей артық.  Осыған қарамастан олардың елеулі кемшіліктері де баршылық. Олардың құрылысының күрделілігі, өлшемдерінің үлкен екендігі, осыған байланысты қымбат екендігі, төмен кернеулерде жұмыс істей алмауы, қосылу кезіндегі жыпылықтауы және жұмыс кезіндегі уілдеген дыбыс шығаруы т.с.с. Бірақ казіргі уақытта бұл кемшіліктердің біршамасын реттеу мүмкін болды. Сондықтан да мамандардың пікірінше қыздыру лампаларымен салыстырғанда люминесценттік лампаларға әрқашанда бірінші таңдау берілуі керек.

5. Жарықтық диод лампалары

Дегенмен бұл сұрақты кең уақыт тұрғысынан және стратегиялық мақсатта қарастырсақ, мамандардың пікірі бойынша энергияүнемдеуші жарық көзі проблемасын шешудің ең перспективті және таяу келешекте жүзеге асырылатын жолы жарықтықдиод лампалары болып табылады. Жарықтықдиод лампасы деп электр энергиясын жарық энергиясына түрлендіретін жартылайөткізгіш диодты айтады. Бұл арада ең бастысы жарықтықдиод лампасы бірден көрінерлік диапазондағы жарық шығарады. Оның жұмыс істеу уақыты бірнеше жылға немесе теориялық тұрғыда қарастырғанда жуық мөлшерде ~100000 сағатқа тең. Әрине, практикада бұған жетуге казіргі технология тұрғысынан алғанда біршама жағдайлар кедергі жасайды. Артықшылықтары: жарықтықдиодтарда сынатындай шыны колбада жоқ, сыртқы температураны да талғамайды, ол хауіпсіз, құрамында сынап және тағыда басқа  зиянды заттарда жоқ. Қосып- ажыратқанда жанып кететін қыл сымы да жоқ, өз жұмысында жоғары кернеуді де талап етпейді, өте шағын, кез- келген жерге, мысалы, су астына да қоюға болады. Бірақ, жалғыз және шешуші кемшілігі қымбат екендігі болып табылады. Енді осы жарықтық диодтарға тереңірек тоқталсақ.

Әрине, кез- келген тұрмыстық приборларда қолданылатын қызыл, жасыл нүктелік жарықтықдиод индикатор лампаларымен бәріміз таныспыз. 90- жылдары жарықтық диод лампалары арқылы көк және ақ түстерді алу проблемасы шешілген соң танымал жарық көздерін жарықтықдиод лампаларымен алмастыру уақыты жеткені белгілі болды.

Енді жарықтықдиод қалай жұмыс істейді және неліктен өте жақсы дегенге келсек. Жарықтықдиодтарда принципінде айнымалы токты түзетуде қолданылатын жартылайөткізгіш диод сияқты диодтар қолданылады, тек ол кремнийден емес, арнайы, «түзуаймақтық» деп аталатын жартылай өткізгіштерден жасалады. «Түзуаймақтық» жартылай өткізгіштердің жарық шығару принципін былайша түсіндіруге болады. Қалыпты жағдайда жартылай өткізгіш атомының жоғарғы энергетикалық деңгейлері түгелдей дерлік бос болады да, төменгі валенттілік деңгейлері үнемі электрондармен толық болады. Бірақ, жартылай өткізгіш табиғатына сәйкес валенттік деңгейде немесе аймақта бос орындар кездеседі. Физика тілімен оны «кемтік» деп атайды және ол өзін оң заряд тәрізді ұстайды. Қажет бағыттағы мөлшерлі кернеу берілгенде жоғары деңгейге көтерілген электрондар «кемтіктерге» қарсы қозғалып, рекомбинация процесі өтеді де, электронның төменгі деңгейге көшуде «жоғалтқан» энергиясы кремнийлі диодтарда жылу түрінде, ал жарықтықдиодтарда жарық түрінде бөлініп шығады.  Осы соңғы сөйлем жарықтық диод лампасының жұмыс принципін сипаттайды және бұған қарағанда ол электр энергиясын жарық энергиясына түрлендірудің ең қарапайым және ең тура жолы болып табылады. Идеал моделдеу жағдайында жоғары деңгейден «кемтікпен» кездесуге түскен әр электрон артық энергиясын жарық сәулесі кванты- фотон түрінде шығарады деп түсіндіруге болады. Шығарылатын фотон жиілігі, өмірге жақын қарапайым тілмен айтсақ, жарық түсі, оның энергиясымен анықталатындықтан, энергияның сақталу заңына сәйкес:

теңдеуі бойынша біздің жарықтықдиод ұштарына қандай мәнді кернеу беретіндігімізге тәуелді болады. Ал, тәжірибелер көрсеткеніндей бұл кернеудің мәні ~(2- 4)В мөлшерінде болады.  Яғни, диод ұштарына полярлылығын сақтай отырып, қандай кернеу түсірсек, жарықтықдиодтан тек соған сәйкес жиіліктегі жарық аламыз. Бұл, әрине, жарықтықдиод кемшілігі болады, бірақ жарық дисперсиясына кері құбылыс жүзеге асырылмайды деп кім айтады. Яғни, бұл бағытта проблема толық шешілген.

Жарықтықдиод лампалары шығаратын жарық жиілігі көрінетін жарық кванттарына сәйкес келуі үшін қолданылатын негізгі жартылай өткізгіштің рұқсат етілмеген аймағының ені салыстырмалы түрде алғанда үлкен (Е >1,8 эВ) болуы керек. Осы шектеу жағдайына сәйкес жарықтықдиод лампаларында төмендегідей жартылайөткізгіш материалдар қолданылады: галлий фосфиді (GaP), кремний карбиді (SiC), сол сияқты галлий – мышяк - фосфор (GaAsP) және  галлий - мышьяк- алюминий (GaAsAl)  қатты ертінділері мен рұқсат етілмеген аймағының ені салыстырмалы түрде алғанда ең үлкен (Е >3,4 эВ) галлий нитриді (GaN)  және т.б.

Бұл айтылғандардан жарықтықдиод лампаларының жарқын келешегін, айқын басымдылығын сипаттайтын мынадай жағдайларды бөліп айтуға болар еді:

• Жарықтықдиод лампасы деген мөлдір корпусқа орнатылған кішкентай ғана жартылай өткізгіш кристалы болып табылады және қажет жағдайда корпустың тиісті аумағын бағытталған жарық алу үшін линза түрінде жасауға болады.

• Энергияның сақталу заңы тұрғысынан алғанда жарықтықдиод ПӘК- ін 100 процентке жуық мәнде алуға ештеңе кедергі жасамайды. Казіргі уақытта ~100 процент алыс болғанымен, казіргі технология заманы бұл уақыттың ~10- 15 жыл ғана қашықтықта екенін көрсетеді.

• Жарықтықдиод таза спектрлік, яғни белгілі бір жиіліктегі жарық береді. Бұл қасиеті, әрине, зор мүмкіндіктерге жол ашады.

• Кернеуді өзгертпей- ақ, энергетикалық деңгейлерінің сипаттамалары әртүрлі (яғни, рұхсат етілмеген «аймақ» ені әртүрлі) жартылай өткізгіш материалдарын пайдалану арқылы шығарылатын жарық түстерін реттеуге болады.

Енді осынша жақсы қасиеттері бар жарықтықдиод лампалары неге осы кезге дейін қолданыс таппаған дегенге келсек, жоғарыда көрсетілген қасиеттері нақты талап етілетін жағдайларда, бұдан ондаған жыл бұрын олар өзінің жеңісті жолын бастады деп айтуға болады. Бұл, әрине өткен ғасырдың тоқсаныншы жылдары жаппай қолданылуы басталған- көшедегі светофор шамдары. Казірде бұрынғы бірнеше кВт қуатты талап ететін светофор лампалары орнында бірнеше ғана 20 Вт- тық жарықтықдиодтар немесе жарықтықдиод лампалары тұр дегенге сенудің өзі қиын.

Бірақ, солай, себебі ПӘК-і өте жоғары және светофорларда қолдануда жарықтықдиод лампаларының тек белгілі бір жиіліктегі, яғни нақты қызыл, сары және жасыл сәуле шығару қасиеті нақты қолданыс тапты. Бұрынғы светофорлар болса қажет түстерді алу үшін ондағы лампалардың үстіне түсті фильтрлер қоюға тура келер еді, бұл көп мөлшердегі электр энергиясы шығынына әкелер еді. Ал, жарықтықдиодтық светофорлар жуық мөлшерде 20Вт ғана қуат пайдалана отырып, ұзақ уақыт бойы еш бұзылмай жұмыс істейді. Сонымен қатар жарықтықдиод лампалары автомашиналардың жарықтандыру жүйесіндегі қылсымды қыздыру лампаларының орнын толығынан ала бастады. Мысалы, казіргі уақытта жаңа автомашиналардың басым бөлігі жарықтықдиод лампаларымен шығарылады.

Сонымен қатар, жарықтық диод лампаларына қатысты айта кететін бір жағдай, олар ~(2 – 4)В кернеумен коректенетіндіктен арнайы коректендіру платасының бар болуы. Мұнымен бірге жарықтықдиод лампасы токты пайдаланатын құрал болғандықтан, ток күшінің шектелуі қамтамасыз етілуі керек. Бұл көп жағдайда жарықтық диодқа тізбектей жалғанған резистор арқылы жүзеге асырылады.

Енді, жарықтықдиод лампаларын пайдаланып ақ жарықты қалай алуға болады дегенге келсек, оның екі жолы бар. Ең тура негізгі жол-  жарықтың дисперсия құбылысына кері процесті жүзеге асыру, яғни түрлі түстерді қосып ақ жарық алу. Екінші жол- жарықтықдиодқа люминифор қабатын жағу арқылы. Мысалы, көк түс беретін жарықтықдиод алынады да, люминифор қабаты көк жарықтың біраз бөлігін сары жарыққа түрлендіреді және олардың қосылуы  нәтижесінде ақ жарық алынады. Мұндай принципте жұмыс істейтін жарықтықдиодтар орнатылған қалта фонарьлары казірде кеңінен қолданылуда.

Осынша жақсы қасиеттері бар жарықтықдиодтық лампалар біздің пәтерлеріміз бен кеңселерімізге қашан келеді дегенге келсек, бұған дәл жауап айта қою оңай емес. Бұған себепкер, әрине оның қымбат бағасы.  Оптикалық электрониканың дамуы казіргі деңгейінде тоқтап қалды десек, бұл лампалар ешқашанда жаппай пайдалануға келмес еді. Бірақ казіргі қарқындап дамыған технологиялар заманында жарықтықдиод лампаларының ПӘК- і үнемі артып, бірлік жарық ағынына сәйкес келетін бағаның кеми беретініне еш күмән жоқ. Зерттеулердің көрсеткеніндей әр он жыл сайын бұл бағаның жуық мөлшерде он еседей кеміп отыратыны анықталған. Казіргі уақытта жарықтықдиод лампаларының тиімділігі қыздыру лампаларынан артық болғанымен люминесценттік лампаларға жете қойған жоқ. Бірақ, бұл бағыттағы алға басушылық өте жедел іске асуда. Бұл арада асқынжарқын (сверхьяркий) жарықтықдиод лампаларын өндіру жыл сайын 30- 40 процентке өсіп отырғанын айтудың өзі- ақ жеткілікті шығар. Казірде мамандар арасындағы орташа оптимистік пікір бойынша жуық мөлшерде ~ 2020 жылдары жарықтық диод лампалары жеке үйлердің жарықтандыру жүйесінде кеңінен қолданылатын болады.

Бұл айтылғандардан көріп отығанымыздай, үйлердің жарықтандыру жүйесіндегі жарықтықдиод лампаларын қолдану принципінде жасалған энергияүнемдеуші лампа ондаған тіпті одан да көп, жеке  жарықтықдиодтар жиынтығынан және оларды коректендіру платасынан тұратын, қыздыру лампасымен салыстырғанда недәуір күрделі жүйе болып табылады.

Тағы бір айта кететін жағдай, казіргі жарықтықдиод лампаларының құрылымының гетероструктуралы, яғни бір кристалдық решеткада  орналасқан түрлі жартылай өткізгіш материалдардың бірінің үстіне бірі өсірілу нәтижесінде бірнеше қабатты болып келуі. Алғашқы гетероструктураны 1960 жылдары Ж.И.Алферов алды және бұл еңбегі үшін 2000 жылы Нобель силығын алды. Казіргі уақытта қымбаттылығы кедергі болып тұрған  жарықтықдиод лампаларын аса жарықталынуды, көп күтім мен шығынды қажет етпейтін орындарда, мысалы, подъездер мен лифтілерде, жерасты өтулерінде және т.б. қоғамдық орындарда кеңінен қолдануға болады.

6. Қыл сымды қыздыру лампасы мен люминесценттік лампаның

жарық бергіштік коэффициенттерін салыстыру.

Жарық көздерінің энергетикалық жағынан үнемділіктерін салыстырудың ең тура жолы олардың негізгі сипаттамаларының бірі – жарық бергіштік коэффициенттерін салыстыру болып табылады.

Оның қолайлылығы лампа беретін жарық ағыны люмендерді жарықтық ваттарға айналдырудың қажеті жоқ.

Жарық көзінің жарық бергіштік коэффициенті деп лампа беретін Ф толық жарық ағынының (люмен есебімен) лампыны коректендіруге (ватт есебімен) жұмсалатын электрлік қуатына қатынасымен анықталады:

Жарық көзі неғұрлым үнемді болса, соғұрлым   жарық бергіштік коэффициентіде жоғары болатыны түсінікті.

Қыздыру лампысы ретінде қуаты 100 Вт- тық мөлдір шыны колбалы лампаны, ал  люминесценттік лампа орнына казірде мектеп және тағыда басқа түрлі мекемелерде кең қолданыстағы ұзындығы 120см- лік  газразрядтық лампаны алдық. Екі лампа үшінде қашықтық 1м деп аламыз.

Толық жарық ағыны:  Ф = 4П·R²·E   болғандықтан,    – тен:

Бұл теңдеу 1м қашықтық үшін нүктелік жарық көзі болып табылатын қыздыру лампасыеа өзгеріссіз қолданылады.

Ал, люминесценттік лампа нүктелік жарық көзі шартын қанағаттандыру үшін, оның бетін қара қағазбен жауып, диаметрі қыл сымды лампаның қылсымы өлшеміне сәйкес келетін мөлшерде саңылау жасап (d=2,5см), соны жарық көзі ретінде пайдаланамыз.

(15) – теңдеудегі Р – электрлік қуат орнына, оның   бөлігін аламыз.

Жарықталыну шамасын GLX құралы арқылы немесе шамалар тек салыстырылатын болғандықтан, микроамперметр мен ФС-К1 фотокедергісі арқылы да өлшеп алуға болады. Өлшеулер люминесценттік лампа арқылы жарықталыну 5лк, ал қыздыру лампасыныкі 130лк екенін көрсетті. Онда, қыздыру және люминесценттәк лампылардың жарық бергіштік коэффициенттерін сәйкес к₁ және к₂ деп белгілесек:

Сан мәндерін қойсақ:

Яғни, люминесценттік лампаның жарық бергіштік коэффициенті қыл сымды қыздыру лампасыныкінен 3,7 есе артық екенін аламыз. 

Осы айтылғандарды негізге ала отырып, жоғарыда айтылып өткен лампа түрлерінің негізгі сипаттамаларын төмендегідей таблица түрінде ұсынамыз:

1таблица: Негізгі сипаттамасы

6.Энергияүнемдеуші лампаларды жаппай қолдану нақты қандай үнем берер еді?

Қыл сымды қыздыру және күндізгі жарық беру лампасына қатысты  өзіміз алған ПӘК- теріне сүйене отырып, бір жыл уақыт ішінде: а) орташа жанұя б) Семей қаласы тұрғындары в) Қазақстан халқы қаншама электр энергиясын үнем жасайтынын және ол ақшаға шаққанда қандай болатынын есептеп көрейік.

Орташа жанұя төрт адамнан және кухня және кіре беріс залды қосқанда бес бөлмелі үйде тұрады деп алсақ, әр бөлмедегі 100 Вт-тық лампа күн сайын орта есеппен алты сағаттан жанғанда, бір ай немесе 30 күн ішіндегі пайдаланылатын электр энергиясы:

W_эл1 =N· Р·t = 5·100·30·6 Вт·сағ = 90 000 Вт·сағ = 90 кВт·сағ       болар еді.

Біз, жарықтандыру жүйесіндегі энергияүнемдеуші лампыларды ғана қарастырып отырғандықтан, әрине басқа электр энергиясын тұтынатын құралдарды қарастырмаймыз. Егер осы лампалар орнына әрқайсысы 10Вт қуат тұтынатын энергияүнемдеуші лампылардан екеуден қолдансақ, бір ай ішіндегі электр энергиясы шығыны:

W_эл1 =N· Р·t = 2·5·10·30·6 Вт·сағ = 18 000 Вт·сағ = 18 кВт·сағ    ғана   болар еді.

Әрине, 1  кВт·сағ  электр энергиясының құны ~(8-10) тенге тарифын қолдансақ, үнемделген   ∆W_эл ~72 кВт·сағ   электр энергиясы ~ 700 тенгені құрар еді. Бұл, көп қаржы да емес, сонымен қатар біршама жанұя үшін сонша елемейтіндей де нәрсе емес.

Егер осы есептеуді ~320 000 халқы бар өзіміздің Семей қаласы үшін қолдансақ, энергияүнемдеуші лампыларға көшу нәтижесінде үнемделген электрэнергиясы мөлшері:

∆W_{элСемей} =  ·72 кВт ·сағ = 5 760 000  кВт·сағ- ты берер еді.

Әрине, бұл  кВт·сағ- тарды қаржыға айналдырсақ, ~ 55 млн тенгемен санасуға тура келер еді.

Сонымен қатар осы есептеуді ~ 16 млн халқы бар бүкіл ел үшін қолдансақ, энергияүнемдеуші лампыларға көшу нәтижесінде үнемделген электрэнергиясы мөлшері:

∆W_{элҚазақстан} =  ·72 кВт ·сағ = 288 000 000  кВт·сағ- ты берер еді.

Бұл  кВт·сағ- тарды қаржыға айналдырсақ, бір ай ішінде үнемделген электр энергиясы құны  ~ 2,8  миллиард тенгені құрар еді. Егер осы есептеулерді бір жыл уақыт аралығы үшін қолдансақ,  ~3 456 000 000  кВт·сағ электр энергиясы немесе ~ 30  миллиард тенге қаржы үнемделгенін көрер едік.

Егер мәселеге тереңірек үңілсек, әрине, бұл арада, басты мақсат  кВт ·сағ немесе қаржы үнемдеуде емес, көлемдіэнергия талап етпейтін жаңа технологияларға және оның негізіндегі жаңа энергияүнемдеуші құралдарға жаппай көшу болып табылмақ. Ал, босаған миллиардтаған кВт ·сағ электрэнергиясы жаңа мақсаттарға арналуы тиіс.

Қорытынды.

Біз жүргізген зерттеу жұмысының қортынды нәтижелеріне талдау жасасақ, мынадай жағдайларды ерекше атап айтуға болады:

• Адамзат тарихында қыл сымды қыздыру лампасы қолдануға енгізілгеннен бергі уақыт 1,5 ғасырға тақап қалды десек, бұл лампалар шын мәнінде өзінің даму шегіне жетті, ары қарай оның жұмысын, тиімділігін жетілдірудің еш технологиялық мүмкіндігі жоқ. Яғни, ерте ме, кеш пе қыздыру лампаларының орнын технологиялық жетілдіру мүмкіндігі бар жұмыс принципі жаңа лампылар басуы тиіс.

• Егер баға жағын ескермесек, казірдің өзінде- ақ, соңғы уақыттарда шағын көлемді, арнайы стартерсіз және қыздыру лампасы патронына орнатуға лайықталып жасалған, жарық бергіштік коэффициенті қыздыру лампасынан ~ еседей жоғары люминесценттік лампыларды тұрмыстық жарықтандыруда кеңінен қолдануға ештеңе бөгет жасамайды. Бірақ, бұл лампалардың өз елімізде шығарылмауы, сонымен қатар құрамында улы сынап бар болуына байланысты оларды утилизациялау проблемасы барлығына байланысты бұл мәселені де толық шешімін тапты деп айтуға болмайды. Адамзат алдындағы басты міндет- мақсаттардың бірі энергияүнемдеу  проблемасының ролі және маңызы уақыт озған сайын арта беретіндіктен, бұл мәселелердің де өз шешімін табатынына еш күмән жоқ.

• Аса қымбаттылығына, жасалу технологиясының күрделілігіне қарамастан жарықтандыру жүйесіндегі жарқын келешек жарықтықдиод лампаларыныкі екендігіне мамандар еш күмән келтірмейді. Қысқаша айтсақ, ~ 20-40 жыл өткеннен кейін тұрмыстық жарықтандыру жүйесінде кең қолданылатын жарықтық диод лампаларының жұмыс істеу уақыты ~0,5 млн сағатқа жуық, ал энергетикалық тиімділігі 100 процентке жуық болуы әбден мүмкін.

• Казіргі қарыштап дамыған алуан түрлі технологиялар заманында бұл процестердің біз жобалаған уақыттардан әлдеқайда тез немесе баяу өтуі де мүмкін. Жұмыс принципі мүлде басқа жаңа жарық көзі ашылуы да мүмкін. Біз энергия үнемдеуші лампалардың жұмыс принципінің физикалық негіздері және оларды тұрмыстық жарықтандыруда қолдану мүмкіндіктерін зерттей келіп, жалпы тұжырымдар беруге тырыстық. Егер бұл материалдардан әркім өзіне қажетін тапса, зерттеу жұмысымыз мақсатына жетті деп білеміз.

• Қазақстан Республикасының Президенті Нұрсұлтан Әбішұлы Назарбаев 2010 жылы 7 декабрде Ел Ордамыз Астанадағы «НАЗАРБАЕВ УНИВЕРСИТЕТІ» коммерциялық емес акционерлік қоғамында студенттер мен оқытушылар арасында дәріс оқу кезінде айтып өткеніндей,  энергияүнемдеуші жарық көздеріне және жалпы алғанда, энергияүнемдеуші технологияларды батыл енгізу мақсатындағы жұмыстарға жүйелі де, мақсатты қарайтын уақыт жетті.

«Біздің жаңа отындық элементтерді, энергияүнемдеуші жарық көздерін, асқынөткізгіштерді жасауға толық мүмкіндіктеріміз бар» деп нақты атап көрсетіп, тапсырма берді Елбасы.