交流電路中白熾電燈是否閃爍的實(shí)驗(yàn)研究

有一種說(shuō)法：接在民用交流電路上的白熾燈在1 s內(nèi)明暗閃爍100次，由于人眼的視覺暫留而不能覺察.筆者認(rèn)為這種說(shuō)法不妥.

白熾電燈的發(fā)光原理是：當(dāng)電流通過燈絲時(shí)，電流的熱效應(yīng)使燈絲的溫度升高到1 700℃以上處于白熾狀態(tài)而發(fā)光(物體溫度達(dá)到1 700℃以上發(fā)白光，這種狀態(tài)叫白熾狀態(tài)).民用交流電周期為0.02 s，電流由最大值變?yōu)榱闼脮r(shí)間僅0.005 s，在如此短暫的時(shí)間里燈絲的溫度不可能降低到不能發(fā)光的狀態(tài)，實(shí)際溫度的降低是不明顯的.通常電燈的燈絲緊密繞成螺旋狀就是為了減少散熱， 而且，功率較小的白熾燈雖然燈絲很細(xì)，但燈泡內(nèi)是真空，散熱較慢;功率較大的燈絲相對(duì)粗些，散熱也慢.因此，燈絲應(yīng)該保持相對(duì)穩(wěn)定的溫度而持續(xù)發(fā)光，白熾燈是不會(huì)閃爍的.

為了驗(yàn)證以上的分析結(jié)論，筆者用數(shù)碼相機(jī)(FUJIs 7 000)對(duì)準(zhǔn)白熾電燈的燈絲拍攝燈絲的發(fā)光情況(事先用高速快門拍攝了電腦的顯示器畫面,是水平方向完整分布的窄條紋,說(shuō)明相機(jī)是中心式快門)，具體操作步驟如下.

(1)將一只60 W的白熾燈接在220 V的照明電路上，接通電路使之正常發(fā)光；

(2)把相機(jī)安裝在三腳架上，使燈絲平面與相機(jī)鏡頭光軸垂直,并調(diào)整好距離；

(4)保持相機(jī)的位置不動(dòng)，隨機(jī)按動(dòng)快門，盡量多拍攝(實(shí)際拍攝了500幅)；

(5)將照片存入電腦，仔細(xì)比較所有圖片，看燈絲的亮度是否一致.圖1為隨機(jī)取出的30幅在不調(diào)整亮度只調(diào)整大小的條件下，利用Photoshop軟件組合而成的一張圖片.

圖1 隨機(jī)取出的30幅燈絲亮度圖片

仔細(xì)觀察可以看出：所有的圖片中的燈絲亮度差異較小，沒有明顯差別， 更沒有一幅圖片顯示燈絲不亮.可以說(shuō)明燈絲在交流電路中的亮度基本穩(wěn)定,沒有明暗閃爍現(xiàn)象.

為了更準(zhǔn)確地說(shuō)明白熾電燈在交流電路中的亮度情況,下面再進(jìn)一步用CBL(Calculator-Based Laboratory)系統(tǒng)測(cè)量出白熾電燈發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化的實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2 實(shí)驗(yàn)操作

將光傳感器的探頭盡量接近白熾燈，測(cè)繪出白熾燈發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像和數(shù)據(jù)表.(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由中國(guó)人民解放軍防化指揮工程學(xué)院物理教研室孫作江老師提供)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(實(shí)際測(cè)量了500組，表格列出第101～160組)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 白熾燈發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化圖像

4 實(shí)驗(yàn)分析

如圖3所示，白熾燈在發(fā)光的過程中，發(fā)光強(qiáng)度存在著明顯的周期性變化.其周期可由表1中的數(shù)據(jù)得出，由于設(shè)定的采集時(shí)間為0.05 s，即時(shí)間軸的長(zhǎng)度為0.05 s，圖中所示大約為5.5個(gè)周期，從而可以估算出，白熾燈的波動(dòng)周期大約為0.0091 s，即“波動(dòng)頻率”為

這是因?yàn)槲覀兯褂玫慕涣麟姷念l率為50 Hz左右(由于市電頻率不穩(wěn)定，所以具體頻率也不太穩(wěn)定).

5 結(jié)論

表1詳細(xì)列出了構(gòu)成圖3的數(shù)據(jù)資料，從表1中相關(guān)的數(shù)據(jù)可以看出，圖中發(fā)光強(qiáng)度的最小值并不為零，而仍是很大的值，且發(fā)光強(qiáng)度的最小值與發(fā)光強(qiáng)度的最大值的比為

即電燈最暗時(shí)的亮度為最亮?xí)r的73%以上；而發(fā)光強(qiáng)度的最小值與發(fā)光強(qiáng)度的平均值的比為

即電燈最暗時(shí)的亮度為平均亮度的86%以上.數(shù)據(jù)也說(shuō)明了燈絲在交流電路中的亮度是基本穩(wěn)定的,沒有出現(xiàn)通常所說(shuō)的明暗閃爍現(xiàn)象.