Как свет излучается лампой накаливания?

Я ищу лучшее понимание того, как свет производится в лампе накаливания. Более конкретно: как кинетическая энергия электронов преобразуется в свет?

  • Имеем ли мы дело с межзонными переходами или с внутризонной релаксацией с участием фотонов? Является ли это тормозным излучением (электроны теряют свою энергию в виде света при столкновении с примесями/дефектами кристалла)? Или это тепловое излучение, возникающее в результате джоулева нагрева?
  • Как влияет на эмиссию наличие примесей и дефектов кристаллической решетки? Фононы играют роль?
  • Какие свойства делают материал более подходящим для использования в качестве нити: должен ли это быть металл? Должна ли она иметь кристаллическую структуру? Будет ли излучать свет любой металл, если через него в вакууме пропустить сильный ток?

Update
Термином, описывающим процессы в лампе накаливания, является термотормозное излучение , см. посты на эту тему здесь и здесь .

Вам не нужен металл для нити. Читайте, на каких материалах тестировал Эдисон. Как хлопок. Я думаю, это то, что вызывает излучение черного тела, а не электронные переходы, потому что оно довольно универсально и не зависит от материала. По-видимому, это происходит из-за ускорения и замедления зарядов, когда они колеблются из-за температуры.
@DKNguyen, другими словами, вы предполагаете, что это черенковское излучение / тормозное излучение?
Что? Нет, я не собирался. Это не похоже на черенковское излучение, насколько я знаю, но, читая о тормозном излучении, кажется, что это то же самое.
Вы правы, черенков означает другое, я неправильно употребил термин, так как думал по-русски.
@DKNguyen, о "... как хлопок". Хлопок не проводит электричество и не может существовать при высоких температурах. Эдисон экспериментировал с углеродными нитями, которые он изготовил, нагревая различные органические волокна (предположительно, включая волос из бороды рыжеволосого шотландца) в бескислородной атмосфере до тех пор, пока они не разлагались до аморфного углерода.
@SolomonSlow Да, но все же не металл.
@uhoh спасибо, это была орфографическая ошибка.
@uhoh для большего контекста: в светодиодах свет возникает из-за переходов interbsnd, но это маловероятно в лампе накаливания (хотя можно подумать о сценарии, когда сильное электрическое поле возбуждает электроны через запрещенную зону, как в эффекте Зенера) .
Канонический вопрос (с 8 ответами): каковы различные физические механизмы передачи энергии фотону во время излучения черного тела? Ваш вопрос гораздо более конкретен, а не дубликат, но ответы могут послужить хорошей отправной точкой для конкретного ответа здесь, с (5 ответами на) Квантовая механика теплового излучения также полезна.
@uhoh спасибо за ссылки - они отвечают на многие вопросы, которые у меня были. Главный момент, который, на мой взгляд, еще нуждается в разъяснении, состоит в том, действительно ли мы имеем здесь дело с тепловым излучением, т. е. заключается ли роль электрического тока только в нагреве вещества (поскольку само протекание тока не является тепловым состоянием).
@RogerVadim спасибо за согласие. Это, конечно, ваш выбор, но я обычно жду (по крайней мере) несколько дней, чтобы получить больше ответов, комментариев и идей. Кроме того, побочным эффектом задержки принятия является то, что он возвращает его в активную очередь, и, как правило, его увидит больше глаз, что может привести к дальнейшим ответам, комментариям и пониманию. Но я вижу, что вы были здесь некоторое время, так что я думаю, это не новость для вас :-)
@R Кроме того, я обновил ответ несколькими снимками экрана, основанными на видео, на которые ссылается комментарий Руслана.
@uhoh, вы действительно ответили на вопрос, который меня беспокоил, и подкрепили его доказательствами. Я не умею формулировать вопросы - в половине случаев они заканчиваются закрытием, массовым отрицанием, или кто-то пытается убедить меня принять их ответ, потому что то, что я спросил, не то, что я имел в виду :)
@RogerVadim это приходит с практикой; Я задал более 3000 вопросов по SE, и со временем становится все легче. Обычно я жду, пока буду готов опубликовать, прежде чем писать заголовок, и часто повторяю вопрос в конце, чтобы убедиться, что то, что я закончил, все еще совпадает с тем, с чего я начал.

Ответы (4)

Дополнительный ответ на поясняющий комментарий ОП :

Главный момент, который, на мой взгляд, еще нуждается в уточнении, состоит в том, действительно ли мы имеем здесь дело с тепловым излучением, т. е. сводится ли роль электрического тока только к нагреву материала (поскольку само протекание тока не является тепловым состоянием).

Хороший вопрос и...

Да, мы действительно имеем дело с тепловым излучением!

Нагрев, вызванный потоком электронов проводимости в объеме нити, не связан с тепловым излучением, исходящим от нескольких десятков атомов у поверхности металла, которые производят фотоны, которые мы видим.

Мы знаем это, потому что можем провести несколько экспериментов:

  1. Когда мы включаем или выключаем ток, производимый свет увеличивается или уменьшается со шкалой времени излучения в миллисекундах, то есть, сколько времени требуется нити накала, чтобы нагреться или остыть от своего предыдущего равновесия «ВЫКЛ» или «ВКЛ». температура.
  2. Мы можем попытаться измерить мерцание лампы на частоте 100/120 Гц и увидеть, что это, возможно, процент. Лампа накаливания не выключается 100 или 120 раз в секунду. Его свет остается относительно постоянным. Мы можем создавать световые дорожки с помощью наших глаз или камер с пульсирующими источниками света, такими как некоторые марки светодиодных ламп (например, дешевые портативные лампы на батарейках), или люминесцентные лампы, или некоторые виды уличных фонарей с парами ртути или натрия, но мы не можем воспроизвести эти эффекты с помощью лампы накаливания.

Это не означает, что столкновения электронов в металлах не могут дать видимый свет, но вероятность того, что электрон проводимости может получить 2 или 3 эВ кинетической энергии, прежде чем столкнуться с другим электроном, и что это также произойдет в пределах десятков ангстрем от поверхности так что света выходит крайне мало.

По сути, вольфрам одновременно выполняет две совершенно разные функции :

  • действует как подходящий температурно-зависимый резистор, так что он достигает теплового равновесия и излучает 100 Вт или любую другую мощность, которую он должен излучать.
  • действует как тепловой излучатель, излучая свет при нагревании

обновление: комментарий @Ruslan ссылается на два отличных видео!

неповрежденная нить накаливания, светящаяся

Затем он ломается, ток не течет, и свет продолжает светиться, но начинает тускнеть:

сломанная нить накаливания все еще светится

Когда он касается другой части колбы, эта часть охлаждается быстрее за счет проводимости, чем за счет излучения, поэтому она становится темной. Но бит справа не может легко охлаждаться вдоль нити, потому что его теплопроводность низкая вдоль проволоки, поэтому она все еще светится довольно ярко:

сломанная нить накаливания все еще светится, особенно части, которые не могут охлаждаться за счет теплопроводности

Действительно, на этом видео мы видим, что мерцание не от 0 до максимума, а около 90% до максимума. А в этом мы видим, что даже после того, как нить накала оборвалась (так что ток больше не течет) она все равно продолжает светиться, хотя и теряет яркость из-за охлаждения.
@Руслан отлично! Добавлю, замечательная находка :-)

https://en.wikipedia.org/wiki/Тепловое_излучение

В зависимости от используемой теоретической системы отсчета его также можно назвать тормозным излучением (свободные электроны в металле, рассеивающиеся друг в друге).

Насколько я могу себе представить, примеси и дефекты кристаллической решетки будут влиять в первую очередь на электрические свойства.

Фононы играют роль? Не уверен, я думаю, что электроны преобладают в теплообмене в металлах. Необходим теплообмен, чтобы довести тепло до поверхности нити. Вы также можете думать о фононах, рассеивающих электроны (другими словами, о кристаллической решетке и электронном газе, обменивающихся теплом).

Это должен быть металл? Не совсем. Но он должен быть хотя бы немного проводящим для электричества.

Да, любой металл (и вообще любое твердое вещество) будет излучать свет при нагревании в вакууме (или в любой прозрачной среде), пока он остается твердым. Нужно около 750 К, чтобы получить слабый видимый свет, или ~ 3000, чтобы выглядеть как обычная лампа накаливания.

Лучшим материалом для нити накала лампы накаливания будет:

  • более или менее проводящий, поэтому его можно нагреть электричеством
  • быть абсолютно отражающей или прозрачной для невидимых электромагнитных волн и черной для видимого спектра.
  • устойчив к разложению, плавлению или испарению при заданной температуре (равной желаемой цветовой температуре лампы, для большинства практических целей 3000..6000К)

Поскольку у нас нет идеального материала, мы используем вольфрам и очень стараемся, чтобы он испарялся медленнее, используя инертные газы и галогены. С другой стороны, газы делают лампы менее эффективными, потому что они уносят часть тепла от нити накала. Вот почему у нас есть лучшие или худшие газы для наполнения ламп.

В прошлом использовались или рассматривались другие материалы, такие как тантал или карбонизированные натуральные нити, такие как хлопок и шерсть.

Говоря о тормозном излучении, я имел в виду, что электроны, разгоняемые электрическим полем, теряют свою скорость, ударяясь о примеси, и излучают при этих столкновениях. Тепловое излучение предполагает несколько иной сценарий: рассеяние электронов на примесях приводит к нагреву, и результирующее излучение ничем не отличается от излучения любого нагретого объекта (т. е. не обязательно нагреваемого электрическим током).
Я не уверен, как вы решили, что именно электрон-электронное рассеяние (тормозное излучение) между свободными электронами производит фотоны, которые мы видим как свет накаливания для вольфрама, а не переходы полос. Это потому, что это металл и поэтому имеет низкий коэффициент излучения? А как насчет темных (с высокой излучательной способностью) изоляторов с очень небольшим количеством свободных электронов, будет ли эта эмиссия иметь другую температуру? Я думаю, что этот ответ нуждается в некоторой поддержке, за исключением первого предложения, все это не связано с производством фотонов. Так что временное, обратимое, -1пока это не будет решено более определенно. Спасибо!
@RogerVadim нить излучает тепловое излучение в значительной степени независимо от механизма нагрева. Излучение происходит в поверхностном слое, а нагрев происходит во всем объеме нити - процессы практически независимы. То, что вы себе представляете (рассеяние электронов, ускоренных электрическим полем для непосредственного производства света), в значительной степени происходит в газах (см., например, тлеющий разряд), и из-за этого механизма вы не получаете ни теплового спектра, ни омического сопротивления.
@uhoh, вот почему я сказал «в зависимости от используемой теоретической рамки». Процесс излучения в металле можно рассматривать как тормозное излучение (свободно-свободное рассеяние), а также как полосовые переходы. В изоляторе, ну... вы не можете использовать свободно-свободный (плазмоподобный) подход, потому что там нет чего-то похожего на плазму.
Можно ли добавить цитату или ссылку, подтверждающую, что «... (т) процесс излучения в металле можно рассматривать в значительной степени как тормозное излучение (свободно-свободное рассеяние), а также как переходы зон». Это не прозрачно для меня (косой каламбур), и это Stack Exchange, поэтому какая-то дополнительная поддержка в виде объяснения или цитирования источника того, почему это так, была бы очень полезна. Спасибо!
Я предполагаю, что излучательная рекомбинация — это слово, обычно используемое для зонных переходов, которые производят свет, но интересно, можно ли рассматривать это как электронно-дырочное рассеяние и, следовательно, подобное тормозному излучению?
@fraxinus Я принял ответ at_uhoh, потому что он касался конкретного момента, который беспокоил меня больше всего. Тем не менее, я признаю, что ваш ответ очень полный и охватывает большинство вопросов в OP (и вы также рассмотрели сложный вопрос в комментарии выше). Спасибо.
@а дырочки? Какие дырки в металле? ps моя вина, я имел в виду переход ВНУТРИ зоны проводимости.
@fraxinus это горячий металл, а не абсолютный ноль, так что есть дыры. И если мы говорим, что межзонные или внутризонные переходы (из вопроса ОП) находятся на столе, то электрон лучше перейти в какое-то состояние, где электрона еще нет. Если вы чувствуете, что в горячем металле не может быть никаких зон с дырками на 2-3 эВ ниже какого-либо электрона, то можете сразу исключить межзонные или внутризонные переходы.

Единственным условием возникновения излучения в изоляторах или проводниках является ускорение зарядов или магнитных полей. Связанные электроны, окружающие ядро, можно стимулировать к излучению за счет теплового возбуждения ядра. Вращения, вибрации и т. д. Все атомы имеют либо дипольные, либо мультипольные магнитные моменты, они также будут излучать, когда их возбуждает тепло. Это излучение теплового спектра, при определенных условиях оно может иметь «спектр черного тела». Очевидно, что электрон, переходящий из одного неизлучающего стабильного атомного состояния в другое неизлучающее стабильное атомное состояние, также будет кратковременно излучать, эта форма излучения является источник линейчатых спектров.

Спасибо. Другими словами, вы думаете, что роль электрического тока здесь заключается только в нагреве материала?
Это верно. Пламя свечи излучается, потому что голубоватое пламя нагревает частицы углерода почти до белого цвета.

Я хотел бы обратиться к тому, что не упоминается в других ответах, а именно к тому, как электрический ток нагревает нить на молекулярном уровне и почему она может хранить эту энергию и почему она продолжает светиться после того, как вы ее выключите (нет тока).

Часть столкновений приводит к возбуждению металлических электронов на более высокие энергетические уровни, которые могут производить световое излучение при возвращении на более низкий стабильный энергетический уровень. Непрерывные столкновения между электронами создают сопротивление потоку подвижных электронов, и атомы нити колеблются за счет взаимодействия с движущимися электронами. Энергия колебаний приводит к выделению значительного количества тепла, а характеристика резистивных ламп накаливания заключается в том, что только около десяти процентов потребляемой ими энергии превращается в свет, а большая часть остатка излучается в виде тепла (инфракрасного электромагнитного излучения).

https://micro.magnet.fsu.edu/primer/java/lightsources/filament/index.html

Как видите, мы имеем дело с тепловым излучением, и кинетическая энергия электронов (в токе, когда они разлетаются/сталкиваются с молекулами) передается молекулам:

  1. вибрационный (это самое важное в вашем случае)

  2. вращательный

  3. поступательные энергии.

Обратите внимание, что есть и электронные переходы, но я их не упоминаю.

Для молекулы с N атомами положения всех N ядер зависят в общей сложности от 3N координат, так что молекула имеет 3N степеней свободы, включая поступательное движение, вращение и колебание.

https://en.wikipedia.org/wiki/Молекулярная_вибрация

Теперь, когда вы выключаете лампу (нет тока), молекулы все еще сохраняют дополнительную энергию, которая была передана им электронами тока (посредством рассеяния/столкновений), и поскольку нить накала пытается достичь теплового равновесия с окружающей среде (остывание), эта дополнительная энергия заставляет молекулы нити продолжать расслабляться, испуская фотоны (молекулы расслабляются до более низкого уровня энергии, испуская фотоны, в том числе видимого диапазона).

Сендрей... Я не верю, что радиационные переходы происходят в вольфрамовой нити при температуре 3000 градусов. Если бы это было так, мы бы видели линейчатые спектры в излучении. Спектр представляет собой непрерывный спектр черного тела без различимых узких полос. Излучение индуцируется механическим, ангармоническим, ньютоновским движением. Причина свечения нити накала после отключения тока — простая тепловая инерция. Ваша кожа в настоящее время испускает излучение черного тела по этому механизму, как мы говорим, очевидно, при более низкой температуре. Даже жидкий гелий будет излучать спектр абсолютно черного тела.
@barry правильно, спасибо, возбуждение (как вы говорите, вызвано) рассеянием электронов. Я описываю релаксацию молекул, называемую радиационным переходом. Но я отредактирую, чтобы уточнить.
@ ÁrpádSzendrei Спасибо за это дополнение. Действительно, механизм передачи энергии между током и нитью является частью моего вопроса. Что меня смущает, так это то, что я думаю о проводящем ток материале как о металле, т. е. о кристаллическом твердом теле. Так что перенос тепла происходит в основном за счет электронов, хотя могут играть роль и колебания решетки, и не совсем ясно, какие «молекулы» в данном случае излучают свет.
Как свет излучается лампой накаливания?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v