VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Свет в окошке
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования: Каждому человеку нужен свет в доме.Условия освещенности влияют на настроение человека и его самочувствие. Однако, многообразие источников света в магазинах и обилие рекламы разных производителей, способны сбить с толку любого. Поэтому важно знать и понимать, чем мы освещаем свой дом.
Цель моей работы: исследовать искусственные источники света, изобретенные человеком, и выбрать лучший из них для освещения детской комнаты.
Задачи:
Проследить историю развития искусственного освещения
Изучить устройство и принцип работы различных осветительных приборов, выявить их достоинства и недостатки
Провести сравнительный эксперимент с использованием современных ламп
Провести анализ полученных данных
Смоделировать светильник
Практическая значимость проекта: если знать все плюсы и минусы всех видов освещения, то каждому из нас представится возможность сделать правильный выбор при приобретении и использовании осветительных приборов.
Полученный в ходе исследования материал можно использовать на уроках окружающего мира.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
В ходе работы над проектом я узнал много интересных фактов об истории освещения. Оказалось, что электрическая лампочка появилась в России всего-то около ста лет назад. А до этого времени люди освещали свои жилища с помощью огня.
Лучина и светец
В Древней Руси избы освещали при помощи лучин. Лучиной называли тонкую щепку из берёзы, сосны, осины, дуба, ясеня, клёна. Для получения тонкой щепы полено распаривали в печи над чугунком с кипящей водой и надкалывали с одного конца топором, затем раздирали на лучины руками.
Вставляли лучины в светцы. Простейшим светцом был стержень из кованого железа с развилкой на одном конце и остриём на другом. Этим остриём светец вставляли в щель между брёвнами избы. В развилку вставляли лучину. Сгорала она, конечно, очень быстро. Для падающих угольков под светец подставляли корыто с водой. Тлея, угольки падали в воду, предотвращая пожар в доме. В крестьянском быту светец сохранялся вплоть до 1917 г.
Рис. 1. Светец (фото из личной коллекции автора)
Масляные лампы
Масляные лампы делали из камня, глины, или изготавливали из меди и других металлов. В чашу наливали масло, помещали в него один конец фитиля, а свободный край поджигали. Свет от такой лампы был тусклый, но уютный – как от церковной лампады.
Н есмотря на сравнительно небольшие размеры, в зависимости от толщины фитиля светильник мог гореть от 30-40 минут до 2-3 часов. Правда, был один существенный недостаток – масляная лампа чадила и коптила стены и потолки в домах. Только после того, как было изобретено ламповое стекло, чада и копоти от масляной лампы стало значительно меньше.
Рис. 2. Масляная лампа
(фото из личной коллекции)
Свечи
В России в XII веке пользовались свечами из сала, называли их «маканцами». Для их изготовления брали говяжье, баранье, козье сало, растапливали его и макали в него фитиль, перекинутый через лучину, замораживали и так несколько раз, получали «маканцы», которые часто выходили тощими и неровными. Сальная свеча была неприятна на ощупь, оставляла на вещах жирные пятна, обладала весьма неприятным запахом.
В XV веке популярными стали свечи из пчелиного воска. Такие свечи горели ярче и дольше, меньше коптили и пахли лучше. Но как же дороги они были! Средневековые рыцари даже давали обеты – поставить в церкви пудовую свечу, что приравнивалось к пожертвованию золотом.Вот и пользовались, чаще всего, ароматными восковыми свечами богатеи, а простой люд довольствовался свечами из жира.
С развитием китобойного промысла в XVIII веке, в масляных лампах и для изготовления свечей стали использовать жир китов. Этот продукт не издавал неприятного запаха, от него не было копоти, и горел он ярче. В итоге численность китов сократилась до катастрофических пределов и многие виды оказались на грани вымирания.
Спасло китов от уничтожения появление нефтяной промышленности. В конце XIX века химикам удалось выделить нефтяной воск – парафин, из которого и по сей день изготавливается большинство свечей. А путём перегонки нефти получили керосин.
Керосиновая лампа
В 1853 году во Львове аптекари Ян Зех и Игнаций Лукасевич, занимаясь исследованиями практического применения керосина, сконструировали керосиновую лампу. Принцип действия керосиновой лампы прост: в ёмкость заливается керосин, опускается фитиль. Другой конец фитиля зажат поднимающим механизмом в горелке. Сверху горелки устанавливается ламповое стекло для защиты от ветра.
Рис. 3. Памятник изобретателям керосиновой лампы в г. Львове
К еросиновое освещение получило молниеносное распространение – использовать для освещения керосин оказалось гораздо дешевле, чем свечи или масло, а горели керосиновые лампы намного ярче. Стали бурно развиваться мастерские по производству ламп. Менялись материалы для изготовления, а также декор и техника украшения. Керосиновые лампы из фарфора, стекла и золота украшали быт зажиточных людей, а из железа, чугуна и даже дерева — обычных крестьян.
Рис. 4. Керосиновые лампы. Экспонаты музея «Огни Москвы»
К еросиновые лампы используются до сих пор там, где нет электричества, в качестве аварийных источников освещения на случай отключения электроэнергии.
Рис. 5. Моя коллекция керосиновых ламп
Электрические лампы. Лампа накаливания
В создании электрической лампы накаливания принимали участие изобретатели из разных стран. Особого внимания заслуживает изобретение российского ученого Александра Николаевича Лодыгина.
Рис.6. Лодыгин А.Н. и его лампа
В качестве нити накаливания Лодыгин применил угольный стержень, который поместил в герметично закрытый сосуд. Продолжая работать с тугоплавкими металлами, Лодыгин создает лампочку с вольфрамовой нитью накаливания. В 1906 году он продает свой патент компании из США – General Electric, основателем которой был Томас Эдисон. Именно Эдисон сумел наладить промышленное производство ламп накаливания.
Изобретенную Лодыгиным лампу во всем мире называют лампой Эдисона. А в России в послереволюционные годы лампу накаливания называли «лампочка Ильича», в честь Владимира Ильича Ленина, создавшего план электрификации всей страны.
Электрическая лампа накаливания вытеснила источники света, в которых применялся открытый огонь. Этому периоду посвящено замечательное стихотворение С.Я. Маршака «Вчера и сегодня».
Л ампа с вольфрамовой нитью накала, используется и сегодня. Однако, она потребляет слишком много электроэнергии. Всего 5% энергии накаливания тратится на освещение помещения, тогда как 95% расходуются на выделение тепла. Со временем из-за образующегося тепла и большого нагрева вольфрамовая нить перегорает. И именно в этом и заключается главный недостаток лампы накаливания.
Рис.7. Современная лампа накаливания
Галогенныелампы также относятся к лампам накаливания. Их отличие лишь в том, что для увеличения срока службы в их колбу добавляют буферный газ – пары галогенов (брома или йода). Благодаря этому срок эксплуатации лампы увеличивается, а расход электроэнергии снижается.
Недостатки галогенных ламп:
Сильно нагревается во время работы, что может привести к пожару.
Колбу нельзя трогать руками. На лампе остаются пятна жира из-за этого она быстро перегорает.
Люминесцентные лампы
Многочисленные изобретатели продолжали совершенствовать лампочки. В середине ХХ века появилась люминесцентная лампа.
Принцип работы этой лампы в корне отличается от лампы накаливания. Она состоит из 3 основных компонентов: цоколя, колбы и электронного пускового блока.
Цоколь предназначен для подключения лампы к сети.
Э лектронный блок обеспечивает зажигание (пуск) и дальнейшее горение лампы.
Колба в виде изогнутой трубки наполнена парами ртути и инертным газом, а её внутренние стенки покрыты люминофором. Под действием высокого напряжения в лампе происходит движение электронов. Столкновение электронов с атомами ртути образует невидимое ультрафиолетовое излучение, которое, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.
Сейчас достаточно широко используют, так называемые «энергосберегающие» лампы, которые, по сути, являются компактными люминесцентными лампами (КЛЛ).
Рис.8. Строение люминесцентной лампы
Люминесцентные лампы выпускаются разнообразных видов и форм. Они используются для освещения жилых помещений, офисов, торговых залов, магазинов, производственных помещений, наружного освещения.
Рис.9. Разнообразие внешнего вида люминесцентных ламп
Потребляют такие лампы гораздо меньше электроэнергии, чем лампы накаливания. Главный их недостаток в том, что люминесцентные лампы сделаны с использованием ртути, и поэтому их нельзя выбрасывать в мусорное ведро, они подлежат утилизации на специальных предприятиях.
Светодиодные лампы
Т яга человечества к знаниям привела к тому, что был открыт еще один источник света – светодиод –кристалл, который при пропускании через него тока излучал свет. Первые светодиоды были очень дороги и поэтому применялись редко. Со временем технологии совершенствовались, и сейчас светодиоды стали доступны настолько, что их начали использовать в качестве источника света в быту.
В отличие от других источников света, освещение при помощи светодиодов имеет ряд преимуществ:
незначительные потребления энергии,
длительная продолжительность работы,
безопасное использование – светодиодные лампы не содержат ядовитых веществ, поэтому они не представляют опасности в случае выхода из строя или разрушения.
Рис.10. Строение светодиодной лампы
Эксперимент с использованием различных ламп
В музее света «Огни Москвы» мне удалось провести опыт, который наглядно показывает, какая из современных ламп потребляет наименьшее количество электроэнергии.
В эксперименте участвовали три основных типа источников света, используемых для внутреннего освещения: лампа накаливания, люминесцентная (энергосберегающая) и светодиодная лампа.
Каждая лампа подключена к ваттметру, который измеряет мощность потребителей электроэнергии.
Когда я переключал тумблер, загоралась соответствующая лампа, и стрелка ваттметра отклонялась в сторону.
Вот какие показания ваттметра мне удалось получить:
Л ампа накаливания – 43 Ватт
Люминесцентная лампа – 9 Ватт
Светодиодная лампа – 5 Ватт
Вывод: при одинаковой силе света, светодиодная лампа потребляет в 8 раз меньше электричества, чем лампа накаливания.
Рис.11. Установка для эксперимента
Все данные, полученные в результате моего исследования, я внес в таблицу.
Таблица 1. Сравнение современных ламп
|
Название: |
Накаливания |
Люминесцентная |
Светодиодная |
|
Часы работы: |
1 000 часов |
10 000 часов |
25 000 часов |
|
Мощность: |
40 Ватт |
9 Ватт |
5 Ватт |
|
Достоинства: |
Приятный для глаз свет Доступная по цене |
Экономит электроэнергию |
Экономит электроэнергию Безопасная Длительная работа |
|
Недостатки: |
Часто перегорает Нагревается при работе Хрупкая Тратит много электроэнергии |
Содержит ртуть: 1) требуется специальная утилизация 2) вред здоровью при повреждении лампы |
Высокая стоимость |
Проанализировав полученные данные, я пришел к выводу, что для освещения в детской комнате целесообразнее выбрать светодиодные лампы.
Изготовление светодиодного светильника
Светодиоды настолько безопасны, что при определенных навыках, собрать светодиодную лампу может даже ребенок. Мне представилась такая возможность на занятиях по электронике в инженерном клубе «Мегавольт». Работа шла в два этапа:
Изготовление лампы
Изготовление корпуса светильника.
Для своей лампы я спаял 36 светодиодов на специальной пластине, затем припаял пластину к драйверу лампы. Корпус светильника я изготовил из деревянного щита. На рисунке 12 представлено фото моего светильника.
Рис.12. Светодиодный светильник
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе исследования мною были собраны интересные факты из истории развития осветительных приборов, сделаны фотографии из личной коллекции, изучено устройство и принципы работы современных электрических ламп, выявлены их преимущества и недостатки.
Экспериментальным путём было доказано, что при одинаковой силе света, светодиодная лампа потребляет в 8 раз меньше электричества, чем лампа накаливания. Анализ данных, полученных в результате исследования, позволяет сделать вывод, что для освещения в детской комнате целесообразнее выбрать светодиодные лампы, так как они наиболее безопасны и экономят электроэнергию.
На основе полученных знаний, мною был смоделирован настольный светильник со светодиодной лампой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Жукова, Л.Н. Лодыгин Жизнь замечательных людей / Л.Н. Жукова. – Москва: Молодая гвардия, 1989. – 304 с.
Маршак, С. Вчера и сегодня / С. Маршак. – Москва: Дом, 1995. – 128 с.
Виртуальный музей русского народного быта и культуры "Русская изба" г. Павловск [Электронный ресурс] /. — Электрон. текстовые дан. — Павловск: Режим доступа: http://muzey.pav8.caduk.ru/p6aa1.html, свободный
Статьи Электрооборудование [Электронный ресурс] /. — Электрон. текстовые дан. — Режим доступа: http://www.vashdom.ru/articles/grpindex17.htm, свободный
Livejournal. Огни Москвы. Часть 1. От лучины до керосиновой лампы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://foto-programmer.livejournal.com/2823.html. – Дата доступа: 17.01.2020.
Livejournal. Огни Москвы. Часть 2. Век электричества [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://foto-programmer.livejournal.com/3165.html, свободный