Basic Creative Engineering Skills. Licht, lichtbronnen, kleurtemperatuur

Vergelijkbare documenten
Exact Periode 5. Dictaat Licht

In de figuur hieronder zie je een Elektromagnetische golf: een golf die bestaat uit elektrische en magnetische trillingen.(zie figuur).

2.1 Wat is licht? 2.2 Fotonen

Exact Periode 5 Niveau 3. Dictaat Licht

Fysica 2 Practicum. Er bestaan drie types van spectra voor lichtbronnen: lijnen-, banden- en continue spectra.

BELEIDSPLAN OPENBARE VERLICHTING BIJLAGE 2 VERLICHTINGSTECHNIEK

Exact Periode 5.2. Licht

TAD: Technologische AdviesDienst

ZX Ronde zondag 5 oktober 2014

Zonnestraling. Samenvatting. Elektromagnetisme

1 Een lichtbron zendt licht uit met een golflengte van 589 nm in vacuüm.

1 Welk van onderstaande schakelingen is geschikt om de remspanning te meten?

Verlichting. Gloeilampen en aanverwanten Gasontladingslampen

MINISTERIE VAN ONDERWIJS, WETENSCHAP EN CULTUUR UNIFORM EXAMEN VWO 2015

Basic Creative Engineering Skills

Hoofdstuk 3: Licht. Natuurkunde VWO 2011/

Basic Creative Engineering Skills. Oktober 2015 Theaterschool OTT-1 1

EXAMEN HOGER ALGEMEEN VOORTGEZET ONDERWIJS IN 1975

Exact Periode 9.2 Licht Foutenberekeningen

Basic Creative Engineering Skills

1. 1 Wat is een trilling?

1 Wat is licht? Licht is een elektromagnetische golf. Andere voorbeelden van e.m.-golven zijn radar en röntgenstraling. Zie Binas tabel 19A en 19B.

Inleiding Astrofysica College 2 15 september Ignas Snellen

natuurkunde vwo 2017-II

TEMPERATUURSTRALING Leg uit waarom je alleen metingen kunt doen aan temperatuurstraling als je meetinstrument kouder is dan het te meten voorwerp.

Begripsvragen: Elektromagnetische straling

Inleiding stralingsfysica

ENERGIE ZUINIGE VERLICHTING LED VERLICHTING

LED en Verlichting. Van fakkel naar oled. Pieter Ledeganck Charlotte Claessens.

VERLICHTINGSWIZARD Bespaar energie met de juiste lamp!

Atoomfysica uitwerkingen opgaven

De Broglie. N.G. Schultheiss

13 Zonnestelsel en heelal

1 f T De eenheid van trillingstijd is (s). De eenheid van frequentie is (Hz).

3 Het Foto Elektrisch Effect. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

- KLAS 5. c) Bereken de snelheid waarmee een elektron vrijkomt als het groene licht op de Rbkathode

Welke Lichtbronnen zijn er eigenlijk?

Licht en kleur. Inleiding. Polarisatie van licht

Infrarood temperatuurmeten:

Hoofdstuk 4: Licht. Natuurkunde Havo 2011/2012.

TasaTools. When Hardware Meets Software. Inductielampen. In dit nummer: Fabrieksverlichting Tuinverlichting Straatverlichting

De module is in 2 hoofdstukken verdeeld: Het analyseren van het verlichtingsbeleid op school Het verband tussen warmte en het maken van licht

LED. begrippen kleur levensduur rendement besparing

Temperatuurstralers. Figuur 1 Classificatie van lichtbronnen

Basic Creative Engineering Skills

TENTAMEN NATUURKUNDE

over de rol van licht in de vogelkweek

Een beginnershandleiding voor energiezuinige verlichting

Als de trapper in de stand van figuur 1 staat, oefent de voet de in figuur 2 aangegeven verticale kracht uit op het rechter pedaal.

Noorderpoort Beroepsonderwijs Stadskanaal. Reader. Reflectie en breking. J. Kuiper. Transfer Database

Introductie VSL Meten aan verlichting. Dutch Metrology Institute Oktober 2017 Kees-Peter Geluk

6/7/2018. over de rol van licht in de vogelkweek

Uitwerkingen 1. Opgave 1 Bij mist wordt het licht door de waterdruppeltjes weerkaatst. Opgave 2 Groter Kleiner. Opgave 3

Spectroscopie. ... de kunst van het lichtlezen... Karolien Lefever. u gebracht door. Instituut voor Sterrenkunde, K.U. Leuven

Examen VWO. natuurkunde 1,2. tijdvak 2 woensdag 24 juni uur. Bij dit examen hoort een uitwerkbijlage.

Voorbereiding toelatingsexamen arts/tandarts. Fysica: Licht als golf en als deeltje. 24 juli dr. Brenda Casteleyn

NATUURKUNDE PROEFWERK

Kleurtemperatuur en aanpassing door middel van Filters

InfraRood cabines met Philips Vitae lampen. Hendrik-Jan Dreuning Philips Nederland

Deze isotoop ontstaat bij een vervalreactie, waarbij 57

Sportveldverlichting EEN STAND VAN ZAKEN. Hoevelaken, 29 januari 2015

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 9 januari 2008 van 9:00 12:00 uur

In deze eindtoets willen we met jullie samenvatten waar we het in het afgelopen kwartiel over gehad hebben:

Eindexamen moderne natuurkunde 1-2 vwo II

Frequentie = aantal golven per seconde op gegeven plek = v/λ = ν. Golflengte x frequentie = golfsnelheid

INDUSTRIEEL ELEKTRO TECHNISCH INSTALLATEUR

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2013 TOETS APRIL :00 12:45 uur

Sportveldverlichting. Besparen met LED-verlichting?

Voorbereidend Wetenschappelijk Onderwijs Tijdvak 1 Vrijdag 27 mei totale examentijd 3 uur

7. Hoofdstuk 7 : De Elektronenstructuur van Atomen

(Permitiviteit van vacuüm)

6 Het atoommodel van Bohr. banner. CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

13 Zonnestelsel en heelal

Inhoud. 1 Inleiding energie 19

XXX INTERNATIONALE NATUURKUNDE OLYMPIADE PADUA, ITALIË THEORIE-TOETS

formules havo natuurkunde

Profielwerkstuk LED. Oriana Ferrari, Eva Gelvort Lyceum aan Zee

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2015 TOETS APRIL :00 12:45 uur

Samenvatting Het belang van elektronen-geleiding in vaste stoffen zal iedereen onderkennen die iets afweet van elektriciteit. Elektriciteit voorziet e

Ioniserende straling - samenvatting

ELEMENTAIRE EDELSTEENKUNDE DEEL m. Eigenschappen van het licht. Historische achtergronden

Fotometrische basisgrootheden

Jaap Liefting Moderne verlichting

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 januari 2006 van 14:00 17:00 uur

STERREN & STRALING VWO

TWEEDE RONDE NATUURKUNDE OLYMPIADE 2019 TOETS APRIL 2019 Tijdsduur: 1h45

Copyright. B.L.W. Visser bv. Infrarood temperatuurmeten: Special: 2 Kleuren of Ratio Pyrometer. Straling, convectie en geleiding:

natuurkunde 1,2 (Project Moderne Natuurkunde)

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation.

Lesbrief: Fluorescentie en ph

Natuur-/scheikunde Klas men

De correcte bewering aankruisen: WAAR FOUT

golflengte nm. Fig.1 De gevoeligheidskarakteristiek van het menselijk oog. (1nm = 1 x 10 9 m)

Philips Lighting Greenkey themamiddag Duurzame Verlichting. Merijn van de Sandt - Paul Schots

Eindexamen natuurkunde havo I

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN. Tentamen Stralingsfysica (3D100) d.d. 16 november 2004 van 14:00 17:00 uur

Welkom. Kennisplatform OV. 10 januari 2014

Cover Page. The handle holds various files of this Leiden University dissertation

Fysica 2 Practicum. X-stralen

De beschrijving van de energie efficientieklasse voor betreffende lichtbronnen wordt in dit hoofdstuk verkort met EEK en in tabellen gekenmerkt.

Transcriptie:

Licht, lichtbronnen, kleurtemperatuur

Optica.. Een vak van belang Op tica (Gr.) leer (der wetten) v.h. zien en het licht. Want door het licht nemen wij van voorwerpen veel meer waar, dan immer het tastzintuig er ons van zou kunnen leeren kennen. (P. van den Burg, 1865). Communication between actor [and scenery] and audience depends on sound and sight. (Francis Reid, The Stage Lighting Handbook, 1987) 2

Wat is licht? Wat is licht? Bijvoorbeeld Het licht is dat physisch agens, dat op het gezichtsorgaan werkende, ons de voorwerpen doet aanschouwen. (Canot, ~1850) 3

Stukje geschiedenis In de Griekse oudheid (~300 BC) zijn er 5 lichttheorieën. O.a. de oogstralentheorie (oog is een soort radar), die door Euclides en Ptolomaeus wordt aangehangen. Tot in de 17e eeuw zijn er aanhangers. Al Hassan (965-1039) schrijft een boek met een stralentheorie, zoals wij die kennen. Sinds Al Hassan vele pogingen om een lichtstraal te definiëren, o.a. door Newton in 1704. 4

Stukje geschiedenis Grimaldi (1618-1663) ontdekt lichtbuiging: licht door een klein gaatje wordt verstrooid, zodat er een groter lichtvlek ontstaat dan je zou denken op grond van de stralentheorie. 1817 schrijft de academie der wetenschappen een wedstrijd uit met lichtbreking als onderwerp. Fresnel wint. Tot 1887 dacht men dat er een tussenstof, de aether, bestond. Het tegendeel wordt bewezen door Michelson en Morley. 5

Modellen Heden ten dage zijn er 3 fysische modellen: Stralenoptica (geometrische optica) reflectie refractie Golfoptica (fysische optica) interferentie dispersie diffractie Quantumoptica foto-elektrisch effect LED 6

Stralenoptica Stralenoptica Dit model kijkt niet naar het wezen van het licht, maar definieert lichtstralen. Rechte lijn vanuit lichtbron waarlangs lichtenergie zich voortplant. Bij overgang van het ene naar een ander medium terugkaatsing of breking volgens bepaalde wetten. 7

Golfoptica Golfoptica In dit model wordt licht beschreven als een elektro-magnetisch golfverschijnsel. Trillingsverschijnsel: licht heeft een frequentie f Licht heeft een golflengte ( = c / f ) 8

Golfoptica 9

Quantumoptica Quantumoptica In dit model wordt licht beschreven als deeltjes: de zogenaamde fotonen. Fotonen hebben energie ( E = h * f ). Fotonen hebben geen massa. Fotonen kunnen energie overdragen aan materie en energieovergangen in materie kunnen fotonen creëren. 10

Quantumoptica 11

Eigenschappen van licht Licht is elektromagnetisch verschijnsel Lichtsnelheid is constant (c 0 = 3*10 8 m/s). De golflengte bepaalt de kleur (f = c / ). Licht plant zich rechtlijnig voort (mits geen medium overgangen). 12

Spectrale Energieverdeling Een lichtgevend voorwerp zendt elektro- magnetische straling uit van verschillende golflengtes. De hoeveelheid energie varieert per golf- lengte. De verdeling van de energie over alle golf- lengtes heet spectrale energieverdeling. 13

Spectrale Energieverdeling Spectrale energieverdeling van een gloeilamp. 14

Lichtbronnen Licht wordt opgewekt door verschillende mechanismen: Temperatuurstraling Alle voorwerpen (T > 0 Kelvin) stralen!! Gasontlading Botsende gasatomen zorgen voor licht Elektroluminicentie Energieovergangen in halfgeleiders (bv. LED) 15

Temperatuurstraler Ieder voorwerp met een temperatuur groter dan 0 Kelvin (= -273 C) straalt elektromagnetische straling uit. Het spectrum varieert met de temperatuur. Hoe heter: Hoe meer energie Hoe witter 16

Black Body Radiation De reden: Als je een lichaam verwarmt zal het deze toegevoerde energie weer teruggeven aan de omgeving in de vorm van elektromagnetische straling. Een black body, of zwart lichaam, absorbeert alle opvallende elektromagnetische straling. Een zwart lichaam met een temperatuur T - in evenwicht met de omgeving - heeft een specifieke spectrale energieverdeling. 17

Black Body Radiation http://cas.sdss.org/dr6/en/proj/advanced/color/physlet/blackbody.asp 18

Black Body Radiation De stralingswet van Planck Een formule waarmee de energie P die door een zwart lichaam wordt uitgestraald bij een golflengte kan worden berekend. De wet van Stefan-Boltzmann De totale straling uitgezonden door een oppervlak A van een zwart lichaam: P = A T 4 = 56,7.10-9 W/m 2.graad 4 (constante van Stefan-Boltzmann) 19

Black Body Radiation De wet van Wien Tussen de temperatuur T en de golflengte M van het stralingsmaximum bestaat een verband: M T 3000 K. m Naarmate het voorwerp heter wordt, verschuift de top van het stralingsspectrum naar kleinere golflengtes infrarood zichtbaar ultraviolet 20

Kleurtemperatuur Een heet voorwerp zendt dus zichtbaar licht uit. Voor een zwart lichaam kan met de wet van Planck precies berekend worden hoeveel zichtbaar licht wordt uitgestraald. Er geldt hoe, heter hoe witter! 3000 K 3500 K 4000 K 21

Kleurtemperatuur Definitie Kleurtemperatuur De kleurtemperatuur van een lichtbron is de absolute temperatuur (in Kelvin dus) van een zwarte straler, waarbij deze licht uitzendt met dezelfde kleurindruk als de beschouwde lichtbron. Manier om lichtbronnen te vergelijken 22

Kleurtemperatuur Een deel van de lichtbronnen zijn temperatuurstralers: het licht wordt opgewekt door een heet voorwerp. In het algemeen zijn het geen echte zwarte stralers, maar ze hebben bij benadering eenzelfde continu spectrum. Lichtbron Kleurtemperatuur Kaars 2.000 K Gloeilamp 2.800 K Halogeenlamp 3.000 K Zon 6.000 K 23

Gloeilamp Een gloeilamp heeft een positieve weerstandskarakteristiek. De stroom wordt van nature begrensd. 24

Gloeilamp Kenmerken van een gloeilamp Een gloeidraad (in feite een elektrische weerstand) Meestal wolfraam, dubbel gespiraliseerd Temperatuur gloeidraad ca. 2.500 C De draad verdampt Zwarting van het glas, daarom glas ver van de gloeidraad en relatief grote lampen. Slechts ca. 5% van vermogen omgezet in licht. Specifieke lichtstroom slechts 10-20 lm/w De elektrische weerstand neemt toe met de temperatuur van de gloeidraad. 25

Halogeenlamp Een halogeenlamp is in feite een bijzondere gloeilamp waarbij aan het vulgas halogenen zijn toegevoegd (Fluor, Chloor, Broom of Jodium). Tussen de halogenen en de verdampte wolfraam deeltjes vindt een reactie plaats, die er voor zorgt dat de wolfraam weer terugkeert naar de gloeidraad: de halogeencyclus. Hierdoor kan de temperatuur iets naar omhoog en kan de glasbol kleiner worden. 26

Halogeencyclus Halogeen Cycle Animation 27

Halogeenlamp Voordelen Levensduur 5 tot 20 keer groter. Temperatuur gloeidraad kan hoger. Hogere kleurtemperatuur ( 3000 i.p.v. 2800 K ). Hoger rendement ( 15 tot 20 % i.p.v. 5 %). Hoger specifieke lichtstroom (20-25 lm/w) Nadelen Bol van kwartsglas is gevoelig voor huidvet (deritrificatie). 28

Halogeenlamp - Karakterisiteken 29

Halogeenlamp - Spectrum 30

Gasontlading Basisprincipe Gasatomen komen in botsing met stroom geleidende elektronen en ionen en raken hierdoor in een aangeslagen toestand. Vervolgens vallen ze weer terug naar de grondtoestand onder uitzending van licht. Kathode Anode - + R 31

Vrije weglengte Vrije elektronen bewegen naar de anode en worden versneld door het potentiaalverschil. Na zeker tijd botsen ze met de aanwezige atomen en verliezen daarbij (een deel) van hun bewegingsenergie (de kinetische energie). De gemiddelde afstand die de elektronen daarbij afleggen heet de vrije weglengte. Hoe groter het potentiaalverschil tussen anode en kathode hoe meer kinetische energie het elektron kan krijgen gedurende de vrije weglengte. 32

Soorten botsingen Versnelde elektronen botsen met gasatomen. Er bestaan verschillende soorten botsingen: 1. Elastische botsingen (er ontstaat warmte) 2. Uittredende botsingen (aangeslagen toestand) 3. Ioniserende botsingen (nieuwe elektronen) 4. Hernieuwd aanslaan (atoom was metastabiel) 5. Botsing van ion met kathode (secundair elektron) 6. Recombineren (samengaan elektron met ion) 7. Foto-ionisatie of -emissie (absorberen lichtkwant) 33

Soorten botsingen Ioniserend Uittredend / Aangeslagen 34

Soorten botsingen Elektronen bevinden zich in banen rond de kern. In elke baan is het elektron met een zekere energie aan de kern gebonden. Aan een gebonden elektron moet energie toegevoerd worden om hem uit zijn baan te krijgen. Als er voldoende energie wordt toegevoerd om een elektron geheel los te krijgen van de kern (bindingsenergie), is het atoom geïoniseerd. Als er minder energie wordt toegevoerd kan het elektron in een hogere baan terecht komen: de aangeslagen toestand. 35

Lijnenspectrum Niet ieder energieniveau is een mogelijke toestand van het elektron. Als een elektron terugvalt van een hogere in een lagere baan, wordt het energieverschil uitgezonden als elektromagnetische straling. Doordat slechts bepaalde overgangen mogelijk zijn, ontstaat een spectrum van lichtlijnen. Ieder element heeft zijn eigen unieke lijnenspectrum 36

Starten In aanvang zijn er weinig vrije elektronen en is de stroomgeleiding slecht. Door het spanningsverschil te verhogen zullen de aanvankelijk weinige vrije elektronen genoeg energie verzamelen gasatomen te kunnen ioniseren. Door de ionisatie neemt het aantal elektronen toe en de elektrische weerstand af. Een gasontladingslamp heeft een negatieve weerstandskarakteristiek. De stroom moet na het ontsteken begrensd worden. 37

Opbouw Opbouw lamp in het algemeen: Twee elektroden anode en kathode In een glazen buis Gevuld met gas. 38

Typen Enkele typen gasontladingslampen zijn: TL Fluorescentielamp HID (High-intensity discharge lamps ) Haloïde metaaldamplampen HMI (Hydrargyrum medium-arc iodide) HQI (Hydrargyrum quartz iodide) Xenon lampen (projectoren) Hoge en lage druk natrium lampen Laser 39

TL Een TL-buis is een lage druk kwikontladingslamp, met daaraan toegevoegd een mengsel van edelgassen. Twee gloeidraden zorgen voor elektronen. Aan de binnenzijde is de buis voorzien van een fluorescentiepoeder. De gasontlading levert UV-licht (een lijnenspectrum met een grote piek bij 254 nm). Het fluorescentiepoeder zet het UV om in zichtbaar licht. De UV fotonen brengen de atomen in het poeder in een aangeslagen toestand. Bij het terugvallen ontstaat zichtbaar licht. 40

TL Het spectrum is afhankelijk van het fluorescentie poeder, vandaar dat verschillende lichtkleuren bestaan Bron spectrum Fluoriscentie spectrum 41

TL - Starten 42

TL voor- en nadelen Voordelen Hoger rendement ( ca. 27 %). Van 36 W wordt ca. 10 W omgezet in licht de overige 26 W in warmte. Hogere specifieke lichtstroom (50-100 lm/w). Verschillende kleurtemperaturen verkrijgbaar. Nadelen Minder natuurgetrouwe kleurweergave. Spectrum wijkt af van daglicht. Lastiger dimbaar. 43

Metaal Haloïde Lampen Haloïden plus andere metalen, zoals Natrium, Thallium (zogenaamde zeldzame aarden) aanwezig. 44

Metaal Haloïde Lampen Voordelen Hoge specifieke lichtstroom 60-110 lm/w Zeer grote vermogens verkrijgbaar (dus grote lichtstroom). Hoge kleurtemperatuur. Nadelen Opstarttijd nodig (enkele minuten) Alleen mechanisch dimbaar. Iets minder natuurgetrouwe kleurweergave. Herstarten lamp pas na enige tijd. Theaterschool 45

Xenon Het spectrum van een Xenon gasontladingslamp lijkt sterk op dat van daglicht. Theaterschool 46

LED Light Emitting Diode Licht ontstaat in diode overgang Aan de basis staan halfgeleiders en de kwantumtheorie Theaterschool 47

LED Doteren (verontreigingen) P materiaal (extra gaten ) N materiaal (extra elektronen ) Theaterschool 48

LED Verarmingslaag / Depletion Layer Spanningsval verschilt per type LED/overgang 49

LED opbouw 50

LED Lichtopbrengst Brekingsindex halfgeleider 2,5-3,5 Max. grenshoek bij overgang naar lucht: 23,6 Brekingsindex epoxy: 1,4-1,8 Max. grenshoek bij overgang naar epoxy: 46,1 51

LED Lichtopbrengst Voordelen Zeer robuust 50.000 branduren Efficiënt in theorie 100% efficiëntie haalbaar (260 300 lm/w) nu tussen gloeilamp en TL in (~50 lm/w) Dimbaar zonder verandering kleur Nadelen Nog duur Grote vermogens nog niet breed beschikbaar Warmte afvoeren is lastig 52

LED Wit Licht Fosfor converter PRS Photon Recycling Semiconductor 53

LED Wit Licht 54