Дніпропетровське відділення Малої академії наук України

секція «Фізики»

 

 

Ефективне освітлення.

За якими лампами майбутнє?

 

 

Науково – дослідна робота:

учня 10-А класу

КЗШ І-ІІІ ступенів №60

Гузмана Станіслава

Науковий керівник-

Коновалова Світлана Євгеніївна

учитель фізики

КЗШ І – ІІІ ступенів № 60

 

 

Кривий Ріг

2014рік

Зміст

Вступ...................................................3

1.Світлова дія електричного струму...............................6

1.1. Лампи розжарювання.....................................6

1.2.Люмінесцентна лампа....................................8

1.3.Світлодіод...........................................11

2. Природне та штучне освітлення. Організація і вимоги до зорової роботи учнів.....18

2.1. Природне освітлення....................................18

2.2. Штучне освітлення......................................20

2.3. Норми освітлення закладів освіти...........................22

3. Експериментальна частина.................................22

Висновки................................................25

Список використаних джерел..................................26

Додаток 1................................................27

Додаток 2................................................28

Додаток 3................................................29

Додаток 4................................................30

Додаток 5................................................31

ВСТУП

Протягом усієї історії людство в тій чи іншій мірі бачило прояви електричних явищ. Спочатку це була блискавка, яка наводила на людей жах і їй приписували божественне походження. Далі в античні часи в стародавній Греції були відкриті електричні властивості бурштину. У Середні століття багато вчених досліджували властивості магнітів, була винайдена лейденська банка - перший конденсатор електричної енергії.

Сучасне життя немислиме без радіо і телебачення, телефонів і телеграфу, всіляких освітлювальних і нагрівальних приладів, машин та пристроїв, в основі яких лежить можливість використання електричного струму.

 Протягом усієї історії людства відбувався розвиток електрики і змінювалися уявлення людини про природу електричного струму, його властивості. Можна виділити кілька таких етапів розвитку уявлень про природу електрики: античний етап, середні століття до відкриття лейденської банки і після, етап становлення сучасних поглядів про електрику.

Вивчення електричних явищ по-справжньому починається тільки в XVIII ст. Але перші відомості про ці явища були відомі вже древнім.

Стародавні греки знали властивість натертого бурштину притягати дрібні предмети.  Саме слово «електрика» походить від грецького слова «електрон», що означає по - українські бурштин.

У XVIII ст.  електрика і магнетизм вважалися хоча і схожими, але все ж маючими різну природу явищами. Правда, були відомі деякі факти, що вказують на існування начебто зв'язку між магнетизмом і електрикою, наприклад намагнічування залізних предметів в результаті ударів блискавки. Більше того, Франкліну вдалося намагнітити шматок заліза за допомогою розряду лейденської банки. Все-таки відомі факти не дозволяли впевнено стверджувати, що між електричними і магнітними явищами існує зв'язок.

Такий зв'язок вперше виявив датський фізик Ганс Крістіан Ерстед (1777 - 1851) в 1820 р. Він відкрив дію електричного струму на магнітну стрілку.

 Ерстед відкрив, що якщо над провідником, спрямованим уздовж земного меридіана, помістити магнітну стрілку, яка показує на північ, і по провіднику пропустити електричний струм, то стрілка відхиляється на певний кут.

 Після того як Ерстед опублікував своє відкриття, багато фізиків зайнялися дослідженням цього нового явища. При бурхливому розвитку теорії електрики було винайдено різні дії електричного струму, у тому числі : теплова, світлова, хімічна, магнітна та фізіологічна.

У своїй роботі ми будемо досліджувати світлову дію електричного струму та вимірювати освітленість. Освітленість — освітлення поверхні, що створюється світловим потоком, який падає на поверхню. Одиницею вимірювання освітленості є люкс (люкс = лм/м2). На відміну від освітленості, вираз кількості світла, відображеного поверхнею, називається яскравістю. Освітленість прямо пропорційна силі світла джерела світла. При віддаленні його від освітлюваної поверхні її освітленість зменшується обернено пропорційно до квадрата відстані.

Предмет дослідження:  освітленість яку можна отримати  від різних типів лампочок, внаслідок проходження електричного струму.

Об’єкт дослідження: кабінети загальноосвітнього закладу КЗШ І-ІІІ ступенів №60, різні типи ламп (лампи розжарювання, люмінесцентні лампи та світлодіоди )

Мета дослідження:

• Вивчити історію розвитку, будову та принцип роботи різних типів ламп;
• Дослідити санітарно-гігієнічні вимоги та норми освітлення закладів освіти;
• Провести вимірювання рівня освітленості при природному, штучному та комбінованому освітленні за допомогою люксметра;
• Порівняти освітленість , що дають різні типи ламп;
• Провести аналіз залежності освітленості від : розташування кабінету, типу світильників, та виду ламп;
• Визначити які лампи мають більше переваг;
• За результатами експерименту розробити загальні рекомендації що до поліпшення стану освітленості та економії електроенергії.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. СВІТЛОВА ДІЯ  ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ

1.1. Лампи розжарювання

 Справжній переворот у створенні лампочки скоїли досліди американського винахідника Едісона. Перш ніж приступити до дослідів він вивчив весь досвід газгольдерних компаній в освітленні міст і приміщень. Він розробив на папері докладні схеми електростанції і комунікаційних ліній до будинків і фабрик. Підрахував собівартість всіх матеріалів і обчислив, що ціна лампочки для споживача не повинна перевищувати 40 центів.

З 1878 року він проводить більше 12 тис. дослідів в своїй лабораторії. Підраховано, що його помічники випробували не менше 6000 різних речовин і з'єднань, при цьому на досліди було витрачено понад 100 тисяч доларів. Спочатку Едісон замінив ламке паперове вугілля більш міцним, зготовленим з вугілля, потім став робити досліди з різними металами і, нарешті, зупинився на нитці з обвуглених бамбукових волокон. У 1879 році в присутності трьох тисяч чоловік Едісон публічно демонстрував свої електричні лампочки, освітивши ними свій будинок, лабораторію та кілька прилеглих вулиць.

 Це була перша лампочка з тривалим терміном служби, придатна для масового виробництва. Заслуга Едісона не в тому, що "винайшов" лампочку, а в тому що він дав початок промисловому виробництву ламп та її складу: кабелів, двофазних генераторів (винайдені Едісоном), електролічильників. Патрон і цоколь, а також багато інших елементів електричного освітлення, що збереглися без змін до наших днів - вимикачі, запобіжники, електричні лічильники та багато іншого - були також винайдені Едісоном.

У бізнесі, після закінчення роботи над винаходами, він залишався з принципу: обіцяв довести продажну ціну до 40 центів. Продав свою компанію Едісон «Дженерал Електрик компані» коли ціна лампи досягла 22 центи. Плата за електроенергію стягувалися за 1год горіння лампи ліхтаря. Ціна не перешкоджала збільшенню числа споживачів. Домовласники міст охоче проводили електричне освітлення.

Середня довговічність лампочки Едісона становила 800-1000 годин безперервного горіння. Майже тридцять років лампочки виготовлялися способом який був розроблений Едісоном, але майбутнє було за лампочками з металевою ниткою. Лампа розжарювання – найбільш розповсюджене в побуті, на даний момент часу, джерело світла. Вона широко використовується для місцевого освітлення

Лампа розжарювання складається з цоколя, контактних провідників, нитки розжарювання, запобіжника і скляної колби, що захищає нитку розжарювання від навколишнього середовища.

Принцип побудови 1 Скляна колба 2 Інертний газ 3 Нитка розжарювання 4 Контактний дріт (з'єднується з ніжкою) 5 Контактний дріт (з'єднується з цоколем) 6 Тримачі 7 Скляна ніжка (лопатка) 8 Вивід контакту на цоколь 9 Цоколь лампи 10 Ізоляційний матеріал 11 Контактний носик

В залежності від призначень та вимог, які ставляться до окремих типів ламп розжарювання, їх конструкція може змінюватися. Проте основні вузли всіх типів ламп розжарювання залишаються загальними. Розглянемо основні елементи лампи розжарювання:

Колба – це один із важливих елементів лампи, так як захищає тепло розжарювання від шкідливої дії повітря та навколишнього середовища. Також, від властивостей скла колби залежать оптичні характеристики лампи.

Тіло розжарювання – це джерело світлового випромінювання. Найчастіше тілом розжарювання є вольфрамовий провід. Вольфрам має великий опір та велику температуру плавлення. Через це його можна нагрівати до високих температур (близько 2800 – 3000 К), що забезпечує більш високу світлову віддачу в порівнянні з іншими металами.

Ввід – призначений для підведення струму від зовнішнього джерела живлення до тіла розжарювання. Ввід повинен бути вакуум-щільним у всьому діапазоні температур при роботі джерела світла, мати достатню механічну прочніть.

Цоколь – призначений для фіксації зовнішніх виводів ламп, створення необхідного контакту з патроном світильника та фіксації самої лампи у світильнику.

 

1.2.Люмінесцентна лампа

Першим пращуром лампи денного світла була лампа Генріха Гайслера, який у 1856 році одержав синювате світіння від заповненої газом трубки, збудженої за допомогою соленоїда. У 1893 році на всесвітній виставці в Чикаго, штат Іллінойс, Томас Едісон вперше показав людству люмінесцентне світіння. У 1894 році М. Моор створив лампу, у якій використовувався азот і вуглекислий газ, що випромінювали рожево-біле світло. Ця лампа мала досить помірний успіх. У 1901, Пітер Купер Г'юіт демонстрував ртутну лампу, яка світилася синьо-зеленим кольором, і в такий спосіб була непридатна для практичних застосувань. Її дизайн, однак, був дуже наближеним до сучасного, і лампа мала набагато вищу ефективність, ніж лампи Гайслера чи Еллінойса. У 1926 році Едмунд Джермер та його співробітники запропонували збільшити тиск у колбах, а також почали покривати їх флуоресцентним порошком, який перетворював ультрафіолетове світло, що випромінюється збудженою плазмою у однорідне біле світло. Е. Джермер сьогодні визнаний як винахідник лампи денного світла. General Electric пізніше викупила патент Е. Джермера, і під керівництвом Джорджа Е. Інмана забезпечила лампам денного світла широке комерційне використання, починаючи з 1938 року.

Люмінесценція – особливий вид світіння речовин без підвищення температури – відома ще з глибокої старовини. Однак пройшло багато століть, перш ніж людині вдалось цілком розкрити її природу.

Наукову розробку цього питання починають В. В. Петров, Стоці, Беккерель.

Термін "люмінесценція" і класифікацію типів світіння вперше запропонував німецький фізик Відеманн. Однак його визначення було неповним.

Під час фотолюмінесценції частинка починає інтенсивно світитися в результаті захоплення квантів активуючого світла. Причому, повертаючись до вихідного стану, вона віддає отриману енергію у виді світла, довжина хвилі якого більша довжини хвилі джерела збудження.

Отже, люмінесценцією називають світіння атомів чи молекул, яке виникає в результаті електронного переходу в частинках речовини при їх переході із збудженого стану в не збуджений.

Класифікують явища люмінесценції за часом та методом збудження. За часом післясвітіння розрізняють два типи люмінесценції – флуоресценцію – світіння яке миттєво зникає після припинення дії джерела збудження і фосфоресценцію, світіння, продовжується певний проміжок часу.

В залежності від методу збудження розрізняють фотолюмінесценцію – свічення, яке виникає при поглинанні світлової енергії; катодолюмінісценцію – основану на свіченні речовин при поглинанні катодних променів (електронів) та хемілюмінесценцію – свічення, яке виникає при протіканні хімічних реакцій. Всі люмінесцентні речовини мають загальну назву – люмінофори.

Люмінесцентна лампа  — газорозрядне джерело світла, світловий потік якого визначається в основному світінням люмінофорів під впливом ультрафіолетового випромінювання розряду: широко застосовується для загального освітлення, оскільки світлова віддача і термін служби в кілька разів більший, ніж у ламп з ниткою розжарювання того ж призначення. Люмінесцентні лампи — найрозповсюдженіше й економне джерело світла для створення розсіяного освітлення у приміщеннях нежитлових будинків: офісах, школах, навчальних і дослідницьких інститутах, лікарнях, магазинах, банках, підприємствах.

Головними перевагами люмінесцентних ламп у порівнянні з лампами з ниткою розжарювання є висока світловіддача (люмінесцентна лампа у 23 Вт дає таку ж освітленість як 100 Вт лампа розжарювання) і тривалий термін служби (6000-20000 годин проти 1000 годин). Це дозволяє люмінесцентним лампам заощаджувати значні кошти, незважаючи на вищу початкову ціну. Застосування люмінесцентних ламп особливо доцільне у випадках, коли висока освітленість потрібна в приміщенні тривалий час, оскільки вмикання для цих ламп є найнебезпечнішим режимом і постійні вмикання-вимикання сильно знижують термін їхньої служби. Найбільш розповсюдженим різновидом подібних джерел світла є ртутна люмінесцентна лампа. Вона представляє собою скляну трубку (колбу), заповнену парами ртуті, з нанесеним на внутрішню поверхню шаром люмінофора.

Принцип роботи люмінесцентної лампи

Люмінесцентні лампи - це газорозрядні джерела світла, що перетворюють електрику в оптичне випромінювання після проходження електричного струму через газ. В якості газу найчастіше використовується газоподібна ртуть. Ртуть створює ультрафіолетове випромінювання після проходження струму. Випромінювання діє на нанесений на внутрішню поверхню лампи люмінофор, змушуючи його світитися. Колір лампи залежить від виду використовуваного люмінофора.

При роботі люмінесцентної лампи між двома електродами, що розташовані на протилежних кінцях лампи виникає електричний розряд. У лампі, яка заповнена парами ртуті, змінний струм приводить до появи УФ-випромінювання. Це випромінювання невидиме для людського ока, тому його перетворять у видиме світло за допомогою явища люмінесценції Внутрішні стінки лампи покриті спеціальною речовиною — люмінофором, що поглинає УФ-випромінювання і виділяє видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок одержаного світла.

За формою люмінесцентні лампи розрізняють на трубчасті, компактні (КЛЛ) і фігурні. Діаметр трубок ламп коливається від 16 до 60 міліметрів. При цьому потужність ламп, яка може досягати 200 ват, ніяк не пов'язана з розмірами трубки.

Для запалювання лампи потрібен стартер, які знаходиться в районі цоколя лампи. Слід зазначити, що люмінесцентні лампи вітчизняного виробництва стартерами не комплектуються.

 

 

1.3.Світлодіод

Вперше інфрачервона емісія з напівпровідникових елементів, була зареєстрована Рубіном Браунштейном, працівником компанії Radio Corporation of America в 1955, який використовував арсенід галію (GaAs) та інші напівпровідникові сплави. Але перший світлодіод, тобто прилад, що дає випромінювання на напівпровідниковому переході, при пропусканні через нього електричного струму, як і патент на нього, був отриманий працівниками компанії Texas Instruments — Бобом Б'ярдом і Гарі Пітманом, в 1961 році. Згодом, світлодіоди що працюють на GaAs та GaP (фосфід галію), почали виготовлятися комерційно — для використання в якості індикаторів. Перший світлодіод, який працює у видимому діапазоні, був розроблений групою Ніка Голоняка, в компанії General Electric, в 1962 р. Еволюція світлодіодів у 1960–1970-х рр., поступово привела до створення світлодіодів, що мають колір від червоного до зеленого, — постійно відштовхуючи межу у сторону коротких хвиль. Іншим напрямком роботи, було підвищення ефективності світлодіодів. Найпопулярнішими матеріалами були GaP (червоний — зелений) та GaAsP (жовтий — високоефективний червоний). При цьому з'явилося багато нових застосувань світлодіодів (у калькуляторах, цифрових годинниках, тестових приладах). Хоча надійність світлодіодів завжди перевищувала надійність ламп розжарювання, неонових ламп тощо, відсоток вибраковки ранніх пристроїв був набагато вищим. В тому було винне ручне збирання того часу. Індивідуальні оператори виконували вручну такі завдання, як розподіл епоксидної смоли, розміщення її крапельки в потрібну позицію, змішування епоксидної смоли. Це призводило до дефектів, таких, наприклад, як «витік епоксидної смоли», яка викликала підтікання, та інколи навіть скорочення p-n переходу. Окрім цього, високі числа дефектів в кристалі, підкладці і епітаксійному шарі, призводили до зменшеної ефективності і коротшої тривалості життя пристрою. На початку 1980-х, з появою нового матеріалу — GaAlAs (галій-алюмінієвий арсенід), почалася революція у виробництві світлодіодів. GaAlAs дозволив підвищити ефективність у 10 разів, що привело до нових використань: у зовнішніх знаках та написах, зчитуванні штрих-коду, передачі даних через оптичне волокно, у медичному обладнанні. Але GaAlAs працював тільки у червоній ділянці спектру (660 нм) та мав короткий час життя (більш 50% падіння ефективності після 100 000 годин роботи). Частина цих проблем була вирішена завдяки появі лазерних діодів, які стали комерційно виготовлятися у 1980-х роках. Використання технологій, розроблених для лазерних діодів, дозволило зробити наступний стрибок виробникам світлодіодів . Однією з таких технологій, стало створення нового люмінесцентного матеріалу InGaAlP, який зробив можливим плавне настроювання кольору, за рахунок настроювання ширини забороненої зони. Так світлодіоди всіх можливих кольорів видимого спектру, почали виготовлятися за однією технологією, та значно зменшилась деградація приладів, навіть за умов високих температур та вологості. Наступним кроком у розвитку, стала розробка компанією Toshiba методу нанесення MOCVD (метал-оксидне хімічне парове нанесення, Metal Oxide Chemical Vapor Deposition), який зробив можливим створення складніший пристроїв, з ефективністю до 90% (тобто 90% електроенергії може бути перероблене на світло). В той самий час, корпорація Nichia запропонувала перші блакитні світлодіоди, працюючі на GaN (нітриді галію), InGaN (індій-галій-нітриді) та SiC (карбіді кремнію). Згодом з'явилися і перші білі світлодіоди, які комбінували три основні кольори. Але вони швидко були замінені широкополосними білими світлодіодами, які мають вторинний флуоресцентний шар. Одним з кроків стало також створення «Лабораторією фундаментальних досліджень», компанії NTT, світлодіода, що випромінював хвилі в ультрафіолетовій частині спектру, завдовжки 210 нм. Випромінювання з такою короткою довжиною хвилі, знайшло широке застосування в медицині і техніці. Відомо, що невидиме для людського ока ультрафіолетове випромінювання, має знезаражуючий ефект. Окрім того, ці світлодіоди змогли замінити червоні лазерні діоди, при читанні даних з оптичних дисків, чим забезпечили подальше збільшення густини запису. Сучасні напрямки розвитку, включають розробку органічних світлодіодів (які повинні дозволити виробництво дешевих та екологічно безпечних пристроїв), використання квантових точок (які дозволяють отримувати біле світло), та просування далі у короткохвильову область.

Світлодіод (англ. LED - light-emitting diode) — напівпровідниковий пристрій, що випромінює некогерентне світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні Світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіоди були удосконалені до лазерних діодів, — які працюють на тому ж принципі, але можуть напрямлено випромінювати когерентне світло. Світлодіоди є енергозберігаючими джерелами світла, таким чином, їхнє використання дозволяє істотно заощаджувати електроенергію в порівнянні з неоном, лампами й дюралайном. Світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для звичайних ламп розжарювання, аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів), дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях. Світлодіоди не бояться частих вмикань і вимикань. Термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років). Використовуючи Світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовують у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла (інформаційні табло, світлофори, ліхтарики, гірлянди тощо).

 

 

 

 

Будова та принцип роботи

Активна частина напівпровідника, випромінюючий світло кристал розміром 0,3×0,3× 0,25 мм, містить р-n перехід або гетероперехід та омічні контакти. Кристал знаходиться на дні рефлектору, має два виходи анод і катод. Фокусуюча лінза з’єднується з кристалом з метою заломлення більшої частини світлового потоку, а також захищає світлодіод.  Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду — електрони і дірки, рекомбінують, з випромінюванням фотонів. Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль, — від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS). Діоди зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC), світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи зі створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом, великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Переваги світлодіодних ламп:

1. Низьке енергоспоживання. Світлодіоди є енергозберігаючими джерелами світла, таким чином, їхнє використання дозволяє істотно заощаджувати електроенергію в порівнянні з неоном, лампами й дюралайном.

2. Робота при низьких температурних режимах. Завдяки напівпровідниковій природі світлодіодів їхня яскравість обернено пропорційна температурі навколишнього середовища, що робить їхнє застосування особливо актуальним у наших кліматичних умовах. Діапазон температури експлуатації світлодіодів від -50...+60 град. З.

3. Тривалий термін служби. Відсутність нитки розжарення й газорозрядного середовища спричиняється величезний термін служби  світлодіодів - до 100 тисяч годин, або 11 років безперервної роботи. Це перевищує роботу люмінесцентної лампи в 5-10 разів і в 100 разів - лампи накалювання

4. Висока світловіддача. Яскравість світлодіодів може конкурувати з яскравістю неону. Над яскраві світлодіоди забезпечують сильний світловий потік (50 люмен на 1 Вт спожитій енергії, у лампи накалювання - 10 люмен), що дозволяє їх застосовувати не тільки в декоративних цілях, але й для освітлення

5. Чистота кольорів Можливість одержати будь-які кольори й відтінок випромінювання, на відміну від звичайної лампи накалювання.

6. Високий рівень безпеки. Завдяки малому тепловиділенню світлодіоди і низькій живлячій напрузі існує можливість використати модулі під водою (для підсвічування фонтанів, басейнів і акваріумів).

7. Стійкість до механічних впливів Відсутність скляних деталей, ниток накалювання робить світлодіоди надстійкими до механічних впливів, ударам і вібраціям.

8. Компактні розміри. Завдяки цій властивості дуже зручно втілювати в життя будь-які творчі задуми дизайнера.

9. Простий монтаж і заміна. Легеня кріплення до будь-якої поверхні істотно полегшує монтаж і ремонт, заміну будь-яких раніше встановлених джерел світла, що значно скорочує витрати на експлуатацію й обслуговування.

10. Без інерційність. Можливість керування через контролери, димери, у тому числі с плавною зміною яскравості й кольори світіння. Управляючи інтенсивністю й режимом світіння можна досягти фантастичного ефекту «живого світла».

11. Екологічна й пожежна безпека світлодіоди не містять шкідливих речовин, побічного ультрафіолетового або інфрачервоного випромінювання й майже не нагріваються

 

2. ПРИРОДНЕ ТА ШТУЧНЕ ОСВІТЛЕННЯ.

ОРГАНІЗАЦІЯ ТА ВИМОГИ ДО ЗОРОВОЇ РОБОТИ УЧНІВ

 

2.1. Природне освітлення

 Усі навчальні приміщення загальноосвітніх навчальних закладів повинні мати природне освітлення. Незалежно від розміщення вікон (збоку, зверху) в навчальних приміщеннях світло повинно падати на робочі місця зліва. Оптимальний рівень природного освітлення забезпечується при верхньому і боковому освітленні приміщень. Забороняється облаштовувати навчальні приміщення так, щоб світловий потік був спрямований праворуч, спереду від учнів, крім майстерень з обробки металу, де повинен переважати правосторонній або прямий світлорозподіл. При загальній площі класної кімнати 64 кв. м і більше обов'язково слід передбачити додаткове освітлення через рекреаційні приміщення. Якщо глибина приміщення становить більше 6,0-6,5 м, то необхідне двобічне освітлення. Висота вікна при правосторонньому освітленні повинна бути не меншою 2,2 м при наявності глухої перегородки висотою 0,8 м від підлоги (при висоті приміщення 3,0 м). Допускається використовувати матове скло для освітлення внутрішньої світлонесучої стіни на висоті 0,8-1,0 м від глухої перегородки і далі 1,2-1,4 м віконне скло до стелі (при загальній висоті засклення 2,2 м). Можливе додаткове освітлення світлом через прохідні коридори (не рекреаційні), умивальні, роздягальні при спортивних залах. Штучне освітлення допускається тільки в актовому залі, кіноаудиторії, санітарних вузлах, приміщеннях кладових, охолоджуючих камер при кухні, допоміжних приміщеннях для працівників кухні, радіовузлах, дикторських, інвентарних і душових при спортивному залі. Орієнтація вікон навчальних приміщень повинна відповідати вимогам ДБН В.2.2-3-97. В умовах світлового поясу України (53 град. північної широти) - найбільш високий рівень природного освітлення, і тому максимальну кількість приміщень школи необхідно орієнтувати на цей бік горизонту. Для приміщень продовженого дня рекомендується східна орієнтація, для занять у першу зміну - західна. Забороняється орієнтувати навчальні приміщення на північ (за винятком кабінетів образотворчого мистецтва та креслення, де необхідно рівномірне освітлення).

 При стрічковому заскленні, а також орієнтації на південь-схід, південь-захід, захід обов'язкове облаштування сонцезахисними засобами (штори із тканини з достатніми світло пропускними можливостями - поплін, штапель, підйомно-поворотні жалюзі тощо). При відсутності прямого попадання сонячного променя на робочі місця учнів штори повинні знаходитись в міжвіконних простінках і не закривати вікна. Ламбрекени не повинні сягати нижче верхньої частини віконної рами. Для забезпечення оптимального природного освітлення навчальних приміщень необхідно мити вікна не менше 2-х разів протягом навчального року.

 Природне освітлення повинно бути рівномірним і не створювати блиску.

 Коефіцієнт природного освітлення (КПО) в навчальних приміщеннях повинен дорівнювати 2,5% на робочих місцях 3-го ряду парт (1 м від внутрішньої стіни). При двобічному освітленні мінімальне значення КПО визначається на другому ряді парт.

 Рівномірність освітлення на робочому місці (відношення мінімального рівня освітлення до максимального) повинна складати не більше 0,3.

Достатність і рівномірність освітлення можна оцінити за світловим коефіцієнтом (СК) (відношення загальної площі вікон до площі підлоги). Найбільш раціональна форма вікон - прямокутна, висотою 2-2,5 м, при збереженні висоти підвіконника 0,8 м шириною 1,8-2,0 м, верхній край вікна повинен бути на відстані 0,15-0,3 м від стелі. Ширина простінків між вікнами повинна бути не більшою 0,5 м, висота підвіконня - 0,8 м, СК 1:4-1:5. Для забезпечення оптимального природного освітлення слід передбачити: кут, під яким видно небо з найбільш віддаленого робочого місця від вікна, повинен бути не меншим 5 град.; коефіцієнт затінення менше 3. Забороняється розміщення на підвіконні в навчальних приміщеннях високі кімнатні квіти.

 Колір поверхні стелі, стін, меблів повинен бути жовтим, зеленим або бежевим (матових пастельних тонів). Стелю, верхні частини стін, віконні рами та двері слід фарбувати у білий колір, коефіцієнт відбиття якого 0,8; в кабінетах технічних засобів навчання (ТЗН) стіна, яка є фоном до екрану (телевізор, кінопроектор) повинна бути пофарбована в жовтий або бежевий колір з коефіцієнтом відбиття 0,6; класна дошка повинна мати матову поверхню, пофарбовану в темно-зелений, коричневий колір з коефіцієнтом відбиття 0,1-0,2.

2.2. Штучне освітлення

В Україні із вересня до травня необхідно підвищувати рівень освітлення навчальних приміщень за допомогою штучного освітлення. Для освітлення третього ряду парт слід у навчальних приміщеннях передбачати окреме включення другого від вікон ряду електроламп.

Рівень штучного освітлення і електротехнічне устаткування навчальних приміщень, освітлення території школи повинні відповідати СНІП П-4-79, ДБН В.2.2-3-97 (Додаток 3).

Штучне освітлення приміщень шкіл може бути забезпечено люмінесцентними лампами та лампами розжарювання з відповідною арматурою, яка повинна давати розсіяне світло, бути безпечною та надійною. Рівень штучного освітлення навчальних приміщень шкіл при використанні ламп розжарювання 150 лк і 300 лк при лампах люмінесцентних. В кабінетах креслення, майстернях рівень штучного освітлення повинен бути відповідно 200-400 лк, 300-500 лк. У всіх приміщеннях школи слід передбачати систему загального освітлення.

Люмінесцентні світильники повинні давати розсіяне світло, а для ламп розжарювання - повністю відбите світло розповсюдження.

При штучному освітленні навчальних приміщень слід надавати перевагу люмінесцентним лампам (ЛТБ та інші), що мають позитивний висновок державної санітарно-гігієнічної експертизи.

 Із люмінесцентних світильників для навчальних приміщень можна використовувати серії ЛСО-02 (підвісний світильник розсіяного світла) і ЛПО-23 (стелевий для громадських приміщень). Для освітлення класної дошки слід використовувати люмінесцентні світильники серії ЛПО-12 несиметричного розподілу світла з люмінесцентними лампами 40 Вт і 80 Вт. Рекомендується використовувати, зокрема, штучні випромінювачі з 3500 град. К незалежно від принципу генерування видимої радіації. У класних приміщеннях можуть використовуватися люмінесцентні лампи типу ЛН (люмінесцентні лампи натурального кольору), освітлення ЛБ (білого кольору), ЛХБ (холодно білого кольору), ЛТПЦ (тепло-білого кольору), МОД (2 х 40 Вт), ШПД (2 х 40 Вт).

Для ламп розжарювання найбільш раціональні світильники переважно відбитого світлорозподілу.

У навчальних приміщеннях світильники слід розміщувати в 2 ряди паралельно до лінії вікон на відстані 1,5 м від зовнішньої і внутрішньої стін, 1,2 м - від класної дошки, 1,6 м - від задньої стіни. Відстань між рядами світильників повинна бути 2,5-2,65 м.

Питома потужність люмінесцентного освітлення повинна бути 24-28 Вт/кв. м, при лампах розжарювання - 48 Вт/кв. м.

При освітленні приміщення люмінесцентними лампами повинно бути передбачено додаткове освітлення класної дошки спеціальними лампами із світильниками несиметричного світло розповсюдження ; при освітленні лампами розжарювання - додаткові лампи.

 

2.3. Норми освітлення закладів освіти

1. Класні кімнати, кабінети, аудиторії загальноосвітніх шкіл, шкіл інтернатів, середнє –спеціальні та професійно - технічних  закладів, лабораторії, учбові кабінети фізики, хімії, біології та інші              150-300

2. Аудиторії, учбові кабінети, лабораторії технікумів і вищих учбових закладів              300

3. Кабінети інформатики та обчислювальної техніки 200

4. Учбові кабінети креслення та малювання 400

5. Лаборантські при учбових кабінетах 150-300

6. Лабораторії органічної та неорганічної хімії, препараторські 300

7. Майстерні по обробці металів та деревини 300

8. Кабінети обслуговуючої праці 150-300

9. Спортивні зали  200

 

3. Експериментальна частина

1. Характеристика розташування та освітлення навчальних кабінетів.

Будівля розташована так, що преважна частина кабінетів розташована у південно-східному напрямку, частина вікон орієнтована на південний-захід та північний-схід.

Природне освітлення у кабінетах тільки бокове, розмір вікон відповідає санітарно гігієнічним нормам. Штучне освітлення здійснюється за допомогою світильників різних форм та розміщення (підвісні та стельові) за використанням ламп розжарювання та ламп денного світла.(Додаток №1)

2. Визначення освітленості навчальних кабінетів.

Освітлення навчальних кабінетів може бути природним, штучним або сумісним тому за допомогою люксметра була виміряна освітленість при різних типах ламп. Результати вимірювань показано в таблиці.(Додаток №2)

Порівняємо освітленість та побудуємо графіки. (Додаток №3, 4, 5).

При порівнянні освітленості ми визначили, що кращу освітленість мають кабінети розташовані у південно-східному напрямку.

Порівняння штучного освітлення показало, що освітлення у кабінетах зі стельовими світильниками рівень освітлення не достатній, та не має великої різниці між світловим потоком лампи розжарювання та люмінесцентної лампи.

Визначивши середнє значення освітленості у приміщеннях школи порівняли їх з нормами освітлення.(результати подані у таблиці №2)

Виміряли освітленість, що дають різні типи ламп, визначили енерго ефективність, терміни роботи та норми спожитої енергії.( результати подані у таблиці №3)

3. Обчислення коефіцієнту природного освітлення та рівномірності освітлення.

Для оцінки і нормування природного освітлення, у зв'язку з його сезонної і добової мінливістю, служить відносна одиниця - коефіцієнт природної освітленості (КПО), який являє собою відношення між освітленістю усередині приміщення і одночасної зовнішньої освітленістю (під відкритим небом) без урахування освітленості від прямих сонячних променів. Менш точною, але більш простий є оцінка природного освітлення по світловому коефіцієнту (СК), який представляє собою відношення між площею світлових прорізів і площею підлоги. Коефіцієнт природного освітлення (КПО) в навчальних приміщеннях повинен дорівнювати 2,5% на робочих місцях 3-го ряду парт (1 м від внутрішньої стіни).Коефіцієнт рівномірного освітлення на робочому місці це відношення мінімального рівня освітленості до максимального і не повинен перевищувати 0,3. ( Результати  наведені у таблиці №1).

Обчислили коефіцієнт природного освітлення (КПО) та коефіцієнт рівномірності освітлення (КРО).

КПО=(Е_вн /Е_зовн.) × 100%

КРО=Е_min/Е_max

Середнє значення коефіцієнт природного освітлення:

КПО=(50/1800)×100%=2,8%

Середнє значення коефіцієнт рівномірності освітлення:

КРО=50/180=0,27 

Таблиця 2

№з/р	Назва приміщення	Норми освітлення, лк	Загальне освітлення, лк
1	Класні кімнати загальноосвітніх шкіл	150-400	180-400
2	Кабінет інформатики	200	150
3	Учбові кабінети креслення та малювання	400
4	Майстерні	150-300	180
5	Кабінети обслуговуючої праці	300	240
6	Спортивні зали	200	150

 

Таблиця 3

№ з/р	Назва лампи	Енерго-ефективність Лм/В	Освітле-ність, люкс	Термін роботи	Спожита енергія
1	Лампа розжарювання	10	300	1 – 2  місяці	75
2	Люмінесцентна лампа	67	400	2 роки	15
3	Світлодіод	90	1000	11 років	10

ВИСНОВКИ

 

Результати вивчення теоретичних засад та вимірювання освітленості для різних типів ламп довели, що вочевидь світлодіодні лампи мають переваги над лампами розжарювання та люмінесцентними лампами, вчені прогнозують, що через 4-5 років ми будемо користуватись переважно світлодіодними лампами. У чому ж полягають переваги світлодіодних ламп, вони:

• Економічні;
• Мають високу світлову віддачу;
• Компактні;
• Безпечні;
• Тривалий термін експлуатації (11 років);
• Не реагують на багаторазові вмикання та вимикання;
• Мають різний кольоровий спектр;
• Екологічні ( не містять шкідливих речовин ртуть та фосфор);
• Можуть працювати за низьких та дуже низьких температур.

Проаналізувавши результати експерименту ми вважаємо, що:

• Споруди загальноосвітніх закладів треба проектувати так, щоб вікна навчальних кабінетів були орієнтовані на південний схід або захід;
• Використовувати світильники з розсіяним світлом, розташовувати їх по можливості нижче до парти учнів;
• Виконуючі програму енергозбереження провести заміну ламп розжарювання на енергозберігаючі або світлодіодні;
• Для збільшення природного освітлення мити вікна не менше двох разів за рік;
• Завідуючим кабінетами вчасно виконувати заміну відпрацьованих ламп.

 

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

 

1.   Антонов-Романовський В.В. «Оптика і спектроскопія» 1957р.

2. Барашков Н. Н. Люминесцентный аналіз. – М.: Хімія, 1983, - 423 с.

3.В.Старий. Темна сторона енергоощадних люмінесцентних ламп

4. Грабовський Р. І. Курс фізики. Учбов. Посібник для с/г інс.-тов. М., «Вища школа», 1974.552с.

5. Гончаренко С.У. Фізика: Підруч. для 11 кл. серед. загальноосв. шк.-К.: Освіта, 2002.-319с.

6. Мала гірнича енциклопедія: В 3-х т./ За ред. В. С. Білецького.- Донецьк: «Донбас», 2004. - С.425

7. Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

8. Основи охорони праці. В.Ц. Жидецький, В.С. Джигирей, О.В. Мельников. - Вид. 2-е, стереотипне. - Львів: Афіша, 2000. - 348 с.

9. Стаття про люмінесцентні лампи та світлодіоди (wikipedia), укр.

10. Степанов Б.І. «Класифікація вторинного світіння» 1959р.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОДАТОК 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поверх №	Кабінет №	Вдень						Ввечері
		Природне			Сумісне			Штучне
		Ряд			Ряд			Ряд
		І	ІІ	ІІІ	І	ІІ	ІІІ	І	ІІ	ІІІ
1	2	100	50	30	340	90	50	75	75	75
	7	220	35	5	230	90	50	80	80	80
	завуч	180	120	70	2430	240	120	100	100	100
2	11	120	80	30	250	70	40	70	70	70
	12	80	50	30	420	110	50	90	90	90
	15	160	130	60	660	130	90	80	80	80
	16	180	120	70	420	190	120	100	100	100
	17	400	150	90	520	140	110	120	120	120
3	29	400	110	40	420	130	90	50	50	50
	31	190	130	60	220	180	100	50	50	50
	32	180	120	60	180	90	50	80	80	80
	33	50	30	20	130	70	40	60	60	60
	26	350	140	70	380	130	130	90	90	90
	майстерня	40	20	5	130	70	40	20	20	20

ДОДАТОК 2

 

 

 

 

 ДОДАТОК 3

 

 

 

 

 

 

 

 

№ кабінету	І ряд	ІІ ряд	ІІІ ряд
2	100	50	30
7	220	35	5
завуч	180	120	70
11	120	80	30
12	80	50	30
15	160	130	60
16	180	120	70
17	400	150	90
29	400	110	40
31	190	130	60
32	180	120	60
33	50	30	20
26	350	140	70
майстерня	40	20	5

 

 

 

 

 

 

 ДОДАТОК 4

 

 

 

 

 

 

 

№ кабінету	І ряд	ІІ ряд	ІІІ ряд
2	340	90	50
7	230	90	50
завуч	230	240	120
11	250	70	40
12	420	110	50
15	660	130	90
16	420	190	120
17	520	140	110
29	420	130	90
31	220	180	100
32	180	90	50
33	130	70	40
26	380	130	130
майстерня	130	70	40

ДОДАТОК 5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№ кабінету	Е , лк
2	75
7	80
завуч	100
11	70
12	90
15	80
16	100
17	120
29	50
31	50
32	80
33	60
26	80
майстерня	20