交流電路中白熾電燈是否閃爍的實驗研究

有一種說法：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.筆者認為這種說法不妥.

白熾電燈的發(fā)光原理是：當(dāng)電流通過燈絲時，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間僅0.005 s，在如此短暫的時間里燈絲的溫度不可能降低到不能發(fā)光的狀態(tài)，實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，但燈泡內(nèi)是真空，散熱較慢;功率較大的燈絲相對粗些，散熱也慢.因此，燈絲應(yīng)該保持相對穩(wěn)定的溫度而持續(xù)發(fā)光，白熾燈是不會閃爍的.

為了驗證以上的分析結(jié)論，筆者用數(shù)碼相機(FUJIs 7 000)對準(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,說明相機是中心式快門)，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)把相機安裝在三腳架上，使燈絲平面與相機鏡頭光軸垂直,并調(diào)整好距離；

(4)保持相機的位置不動，隨機按動快門，盡量多拍攝(實際拍攝了500幅)；

(5)將照片存入電腦，仔細比較所有圖片，看燈絲的亮度是否一致.圖1為隨機取出的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 隨機取出的30幅燈絲亮度圖片

仔細觀察可以看出：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)確地說明白熾電燈在交流電路中的亮度情況,下面再進一步用CBL(Calculator-Based Laboratory)系統(tǒng)測量出白熾電燈發(fā)光強度隨時間的變化的實驗來說明.

1 實驗裝置

實驗裝置如圖2所示.

圖2 實驗裝置圖

2 實驗操作

將光傳感器的探頭盡量接近白熾燈，測繪出白熾燈發(fā)光強度隨時間變化的圖像和數(shù)據(jù)表.(實驗數(shù)據(jù)由中國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 實驗結(jié)果

表1 實驗數(shù)據(jù)(實際測量了500組，表格列出第101～160組)

3 實驗結(jié)果

圖3 白熾燈發(fā)光強度隨時間的變化圖像

4 實驗分析

如圖3所示，白熾燈在發(fā)光的過程中，發(fā)光強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)定的采集時間為0.05 s，即時間軸的長度為0.05 s，圖中所示大約為5.5個周期，從而可以估算出，白熾燈的波動周期大約為0.0091 s，即“波動頻率”為

這是因為我們所使用的交流電的頻率為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)光強度的最小值并不為零，而仍是很大的值，且發(fā)光強度的最小值與發(fā)光強度的最大值的比為

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

即電燈最暗時的亮度為平均亮度的86%以上.數(shù)據(jù)也說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)通常所說的明暗閃爍現(xiàn)象.