Presentatie Natuurkunde
TL-lamp -Theorie-
Annejet Hasselaar | Mitchell Mac-Lean | Erwin Rietveld | Lorena Zander Klas 5b
22 januari 2010
voorwoord Normaal gesproken gaat het altijd als volgt: we gaan naar onze les natuurkunde, letten op, maken aantekeningen en gaan weer weg. Zo gaat dat een paar weken door en dan is daar de toets van het hoofdstuk. Door onze docent natuurkunde werd er deze keer echter voor een totaal andere aanpak gekozen, om ons de informatie uit het boek eigen te maken. De methode heeft de volgende naam gekregen: “Vandaag gaan we het even helemaal anders doen!� Dit naar aanleiding van een jeugdverhaal over onze docent.
02
inhoudsopgave intro
04
het elektromagnetisch spectrum
06
het atoom
08
de gasontladingsbuis
10
overige onderdelen van de TL-lamp
12
oefenopgaven
13
uitwerkingen oefenopgaven
16
nawoord
19
Nu is het onze beurt. We moeten nu zelf de les gaan verzorgen in de vorm van een presentatie over een van de vier hoofdstukken. Wij kozen hoofdstuk 7: Straling. Aan de hand van de TL-lamp proberen we zoveel mogelijk theorie uit dit hoofdstuk te behandelen. Mitchell (voorzitter), Annejet, Erwin en Lorena 5b
03
intro
“Voordat we de werking van een TL-lamp gaan uitleggen, is het handig om eerst het begrip licht op zichzelf te behandelen en daarna beter te kijken naar het atoom. We kijken hoe een atoom in elkaar zit en wat er kan gebeuren met een atoom. Daarna leggen we uit hoe een TL-lamp werkt. De werking van een TL-lamp, een gasontladingsbuis, is het belangrijkste gedeelte van onze presentatie.�
04
intro
“De presentatie mag niet te lang duren en daarom hebben we gekozen om de theorie in tweeĂŤn te delen. Er is een gedeelte dat we tijdens de presentatie behandelen en een gedeelte theorie waarin extra informatie te vinden is over de TL-lamp. Het tweede gedeelte behandelen we niet in de presentatie, maar zetten het wel in dit theorieverslag. Je hoeft dit gedeelte niet te leren.â€?
05
het elektromagnetisch spectrum Licht heeft in de loop der tijd een steeds belangrijkere rol gespeeld in het leven van de mens. Licht zorgt ervoor dat wij vormen door middel van verschillende kleuren licht kunnen zien. Zonder licht zouden we dus eigenlijk helemaal niets kunnen zien.
Het elektromagnetisch spectrum is een
dus kleine “pakketjes� stralingsenergie. De
verzameling van alle soorten elektromag-
energie die het licht overdraagt wordt dus
netische golven. Deze elektromagnetische
vervoerd door de fotonen. Fotonen zijn
golven hebben allemaal een andere (golf)
massaloze deeltjes.
lengte. Een klein deel van het elektromagnetisch spectrum bestaat uit lichtgolven.
Licht is er in verschillende kleuren. De kleur
Licht bestaat dus ook uit elektromagneti-
van het licht wordt bepaald door de golf-
sche golven. We kunnen alleen de lichtgol-
lengte. Het menselijk oog kan echter niet
ven opvangen en bijvoorbeeld geen radio-
alle lichtgolven opvangen. Er is namelijk
golven, omdat het menselijk oog alleen ge-
zichtbaar licht en onzichtbaar licht. Onder
voelig is voor de golflengte van licht.
zichtbaar licht vallen de hoofdkleuren rood, groen en blauw. Zonlicht is daarom zicht-
Elektromagnetische golven zijn dragers van
baar, omdat wij deze kleuren kunnen zien.
energie. Ze worden beschouwd als een
Infrarood en ultraviolet licht kunnen wij
stroom van deeltjes. Elk deeltje is dan een
niet zien en valt dus onder onzichtbaar
energiepakketje: een foton. Fotonen zijn
licht.
Het elektromagnetisch spectrum is een verzameling van alle soorten elektromagnetische golven. Deze elektromagnetische golven hebben allemaal weer een andere (golf)lengte.
het elektromagnetische spectrum infrarood
ultraviolet
licht
800 nm
06
380 nm
het elektromagnetisch spectrum Het aantal golven dat in één seconde een
De hoeveelheid energie die een foton heeft,
bepaald punt passeert, wordt de frequentie
wordt uitgedrukt in kwantum (E). De ener-
genoemd. Hoe langer de golven, hoe min-
gie van een foton is recht evenredig met de
der golven er kunnen passeren, en hoe la-
frequentie ervan. Deze energie is te bereke-
ger de frequentie. Elektromagnetische gol-
nen met de formule van Planck.
ven hebben dus een frequentie. Fotonen hebben daarom ook een frequentie. Zo be-
E=h•f
staat rood licht uit langere lichtgolven dan blauwe lichtgolven. Blauw licht heeft dus
E:
de energie van het foton in J
een hogere frequentie. Hoe hoger de fre-
h:
de constante van Planck in J • s
quentie, hoe meer energie de fotonen hebben.
(zie BINAS tabel 7) f:
de frequentie van het foton in Hz
Elektromagnetische golven zijn dragers van energie. Ze worden beschouwd als een stroom van deeltjes. Elk deeltje is dan een energiepakketje: een foton. Fotonen zijn dus kleine “pakketjes” stralingsenergie.
Een blauwe lichtgolf is korter dan een rode lichtgolf. Blauw licht heeft dus een hogere frequentie. De fotonen van blauwe lichtgolven hebben daardoor meteen ook een hogere frequentie wat betekent dat die fotonen meer energie hebben. Blauw licht heeft dus meer energie dan rood licht.
De formule van Planck: E = h • f E:
de energie van het foton in J
h:
de constante van Planck in J • s (zie BINAS tabel 7)
f:
de frequentie van het foton in Hz
07
het atoom Om de werking van een TL-lamp duidelijk uit te kunnen leggen, moeten we eerst even goed kijken hoe een atoom in elkaar zit.
Hieronder zie je een simpele weergave van
Atomen bestaan uit: protonen
+
(positief geladen deeltjes) neutronen
o
(ongeladen deeltjes) elektronen
-
(negatief geladen deeltjes)
een atoom. Een atoom heeft een kern die bestaat uit neutronen en protonen. De kern is dus positief geladen. Behalve een kern zitten er ook elektronen in een atoom. Deze elektronen zijn negatief geladen en draaien in hun eigen baan om de kern heen. Elektronen blijven in een baan rond de kern
Een atoom is over het algemeen neutraal en
zweven, omdat de positieve kern de nega-
dus ongeladen (de verdeling tussen nega-
tieve elektronen aantrekken. Een verzame-
tieve en positieve lading is gelijk), maar er
ling van even grote banen, noem je een
bestaan ook ionen. Ionen zijn atomen met
schil. Sommige atomen hebben maar een
een ongelijke verdeling van positieve en
schil, maar er zijn er ook atomen die meer-
negatieve lading. Een ion kan dus een
dere schillen hebben zoals die op het
beetje te positief of negatief zijn.
plaatje. Dit atoom heeft drie schillen.
Een schil is een verzameling van even grote banen waar elektronen zich in bevinden. Een atoom kan een schil hebben, maar ook meer dan een.
atoom
-
proton
neutron
elektron
+
o
-
ion
08
+
atoom o
ion
-
-
kern
-
het atoom Nu gaan we kijken hoe een atoom zich gedraagt en reageert op invloeden van buiten. Dit is belangrijk om de werking van een TL-lamp nog beter te begrijpen.
Het kan voorkomen dat er in een ruimte
tron krijgt. Als een elektron zich in een ho-
vrije elektronen zitten die tegen de elektro-
ger energiebaan bevindt, komt het atoom
nen in een atoom aanbotsen. Deze vrije
in een ‘aangeslagen toestand’. Dit atoom
elektronen kunnen kinetische energie krij-
heeft een overschot aan energie (deze ener-
gen door een kathode en een anode. Als het
gie krijgt het atoom van het vrije elektron
vrije elektron genoeg kinetische energie
dat kinetische energie heeft afgegeven). In
heeft, kan hij een elektron uit het atoom
een hele korte tijd schiet het elektron weer
naar een andere baan of zelfs helemaal uit
terug naar zijn eigen, oorspronkelijke baan
het atoom slaan. Op het plaatje hieronder
en
zie je hoe een vrij elektron een elektron in
‘grondtoestand’. Als een atoom terugslaat
het atoom naar een andere baan slaat. Het
naar de grondtoestand, zendt het atoom
elektron uit het atoom is naar een hogere
het overschot aan energie uit in de vorm
‘energiebaan’ verhuisd, want hoe groter de
van een foton.
afstand tussen de kern en het elektron, hoe
Een foton heeft ook energie en kan daar-
kleiner de aantrekkingskracht van de kern
mee ook een atoom ook in een aangeslagen
op het elektron, hoe meer energie het elek-
toestand brengen.
het
atoom
komt
weer
in
de
Een atoom dat van de aangeslagen toestand terugslaat naar de grondtoestand, zendt het overschot aan energie uit in de vorm van een foton.
het kern
-
elektron kern
wordt uit zijn baan geslagen
-
09
de gasontladingsbuis De TL-lamp is een gasontladingsbuis. Een
Er ontstaan nieuwe vrije elektronen die op
gasontladingsbuis is een buis waarin gas zit
hun beurt versneld worden en ook ionisatie
‘opgesloten’. In dit gas zitten altijd wat vrije
veroorzaken. Er is een ‘lawine-effect’ van
elektronen en ionen. In TL-lampen zit
vrije elektronen.
meestal het kwikgas. Wat ook mogelijk is, is dat het vrije elektron In zo’n gasontladingsbuis zit een kathode
niet genoeg kinetische energie heeft om
en een anode. Door een spanning tussen
het elektron uit het atoom te slaan, maar
kathode en anode aan te leggen, worden
het elektron alleen naar een andere schil
de vrije elektronen versneld. Op weg naar
kan slaan. Door wat we hiervoor behandeld
de anode bewegen de elektronen steeds
hebben, weet je dat het elektron door het
sneller en botsen met gasatomen. Hebben
verhuizen naar een hogere energiebaan in
die elektronen genoeg kinetische energie,
een hoger energieniveau komt. Als het
dan kunnen ze een elektron uit een van de
atoom weer terugslaat naar de grondtoe-
schillen van het atoom wegslaan. Het
stand, zend het een overschot aan energie
atoom wordt dan ‘geïoniseerd’.
uit in de vorm van een foton, een lichtdeel-
de werking van een gasontladingsbuis kathode
-
anode
-
elektron gaat van negatief naar positief
gas
+ + + + + + +
In een gasontladingsbuis zitten een kathode en een anode. Deze zorgen ervoor dat het vrije elektron gaat versnellen. In de gasontladingsbuis zit ook een gasatoom. Het hangt van de hoeveelheid kinetische energie af, die het losse elektron bevat, of het een elektron uit het gasatoom naar een hogere energiebaan kan slaan, of zelfs helemaal uit het atoom.
10
-
als het elektron genoeg kinetische energie heeft, kan het een andere elektron uit zijn baan slaan
+ + + + + + +
- gas
Als het losse elektron erin slaagt om een elektron uit het atoom naar een hogere energiebaan te slaan, bevindt het atoom zich in de aangeslagen toestand. Het atoom heeft dan een beetje extra energie, maar zal na een tijdje weer terugvallen in de grondtoestand. Het zendt het overschot aan energie uit door middel van een foton.
-
gas
wanneer het atoom van de aangeslagen toestand terugslaat naar de grondtoestand, zendt het atoom een foton uit
f
+ + + + + + +
Een foton is een stralingsdeeltje met een bepaalde frequentie. In TL-lampen zit het gas kwik. Het kwikatoom straalt zijn eigen soort foton uit en dus ook golven met hun eigen frequentie en lengte. De golven die kwikgas uitstraalt, heeft de frequentie van fotonen uit ultraviolet licht. Ultraviolet licht valt niet onder zichtbaar licht. De golflengte zal dus veranderd moeten worden, zodat we het licht wel kunnen zien. Hiervoor is er een fluorescerend laagje aangebracht aan de binnenkant van de TL-lamp (op het plaatje groen). Als er ultraviolette licht op dit laagje valt, gaat de stof zelf fotonen en dus elektromagnetische golven uitzenden die vallen onder zichtbaar licht.
-
een fluorescerende laag zorgt ervoor dat ultraviolet licht wordt omgezet in zichtbaar licht
gas
+ + + + + + +
f 11
dit is extra informatie die je niet hoeft te leren
overige onderdelen van de TL-lamp Een TL-lamp kan niet zomaar op het lichtnet aangesloten worden. Er moeten nog een aantal onderdelen aan te pas komen zoals de starter en het voorschakelapparaat.
De starter De starter is een glazen buisje gevuld met
Als ze elkaar raken, stopt de gasontlading
neon- of kwikdamp en twee contacten van
weer en ontstaat er een kortsluiting. Daar-
bimetaal. Bij een spanning van minstens
door koelt het bimetaal weer af. Als die
200 volt, ontstaat er een gasontlading in de
weer genoeg is afgekoeld, buigt die weer
buis. Dat betekend dat er een elektrische
terug. Dan ontstaat er in samenwerking
stroom door een gas loopt. Door de gasont-
met het voorschakelapparaat een hoge
lading worden de bimetalen verwarmt, zo-
spanningimpuls. Er zit ook een condensator
dat ze naar elkaar toe buigen en contact
in de starter om storingen te voorkomen,
maken.
bijvoorbeeld met de radio. De condensator loopt parallel aan de bimetalen.
Bimetaal Een bimetaal bestaat uit twee verschillende metalen heel vast met mekaar verbonden zijn. De twee metalen hebben verschillende uitzettingscoĂŤfficiĂŤnten. Dat betekend dat de ene eerder uitzet dan de andere als de temperatuur stijgt. Omdat de ene eerder uitzet dan de andere, zal het bimetaal buigen.
Het voorschakelapparaat Door de hoge spanningimpuls die er wordt
stroom op de goede sterkte blijft. Elke TL-
gemaakt met de starter, gaat de gasontla-
lamp heeft een speciaal voorschakelappa-
dingsbuis, dus de TL-lamp, branden. Als de
raat nodig. Zonder het voorschakelapparaat
gasontlading het eenmaal doet in de buis,
zou de stroom in de buis zo hoog worden,
zorgt het voorschakelapparaat dat de
dat hij zelfs zou ontploffen. BAM!
12
oefenopgaven Om je voor te bereiden op de toets over onze presentatie kun je onderstaande oefenopgaven maken. Het is de bedoeling dat je ze kunt maken zonder terug te bladeren.
1
Het elektromagnetisch spectrum
A
Wat is het elektromagnetisch spectrum?
B
Wat zijn elektromagnetische golven?
C
Wat zijn fotonen?
D
Waarom heeft blauw licht meer energie dan rood licht?
2
Het atoom
A
Hoe is een atoom opgebouwd?
B
Wat is een schil?
C
Op welke twee manieren kan een atoom in de aangeslagen toestand komen?
D
Waar komt het overschot aan energie vandaan dat een atoom in de aangeslagen toestand heeft?
E
Wat doet een atoom dat van de aangeslagen toestand terugslaat naar de grondtoestand?
3
De gasontladingsbuis (inleiding)
A
Wat is een gasontladingsbuis?
B
Wat voor gas zit er meestal in een TL-lamp?
C
Zet de juiste benamingen in de onderstaande tekening
-
-
gas
+ + + + + + +
13
oefenopgaven
4
De gasontladingsbuis (werking)
A
Om welke reden zitten er een kathode en een anode in een gasontladingsbuis?
B
Welke twee dingen kunnen er in het atoom gebeuren als een versneld elektron er tegenaan botst?
C
Leg uit hoe een foton ontstaat.
D
Wat voor soort fotonen zendt een kwikatoom uit?
E
Waarom is dit licht onbruikbaar (voor mensen)?
F
Waarmee kan dit licht bruikbaar worden gemaakt (dus dat mensen het kunnen zien)?
5
De formule van Planck
A
Wat is de formule van Planck? Schrijf ook op waar elke letter voor staat.
B
Bereken de energie van fotonen van oranje licht.
C
Bereken de frequentie van fotonen met een energie van 4,14 • 10-19 J.
6
Experiment spaarlamp in magnetron Bij het experiment zag je dat de spaarlamp licht gaf toen de magnetron aanstond. Leg in je eigen woorden uit hoe dit kan. Leg ook uit wat dit te maken heeft met de werking van de TL-lamp.
14
“Op de volgende pagina’s vind je de uitwerkingen van de oefenopgaven. We raden je aan om eerst de oefenopgaven te maken en daarna pas te controleren aan de hand van de uitwerkingen! Dit is de meest effectieve manier om te kijken of je de toetsstof goed kent.”
15
uitwerkingen oefenopgaven Om te kijken of je de oefenopgaven goed snapt en de goede antwoorden hebt gegeven, kun je je antwoorden controleren met de hier onderstaande uitwerkingen.
1
Het elektromagnetisch spectrum
A
Het elektromagnetisch spectrum is een
verzameling van alle soorten elektro-
magnetische golven. Deze elektromagnetische golven hebben allemaal weer een andere (golf)lengte. B
Elektromagnetische golven zijn dragers van energie. Ze worden beschouwd als een stroom van deeltjes. Elk deeltje is dan een energiepakketje: een foton.
C
Fotonen zijn kleine “pakketjes” stralingsenergie.
D
Een blauwe lichtgolf is korter dan een rode lichtgolf. Blauw licht heeft dus een hogere frequentie. De fotonen van blauwe lichtgolven hebben daardoor meteen ook een hogere frequentie wat betekent dat die fotonen meer energie hebben. Blauw licht heeft dus meer energie dan rood licht.
2
Het atoom
A
Een atoom heeft een kern die is opgebouwd uit protonen en neutronen. Om de kern zweven elektronen. Deze negatieve deeltjes worden aangetrokken door de positief geladen kern.
B
Een schil is een verzameling van even grote banen waar elektronen zich in bevinden.
C
Een atoom kan in de aangeslagen toestand komen doordat een vrij elektron een elektron in het atoom naar een andere schil en dus hoger energieniveau botst. Ook kan een foton een elektron in het atoom naar een andere schil botsen.
D
Het atoom dat zich in de aangeslagen toestand bevindt, krijgt zijn extra beetje energie van het vrije elektron. Deze heeft namelijk een beetje van zijn kinetische energie afgegeven aan het atoom.
E
Een atoom dat van de aangeslagen toestand terugslaat naar de grondtoestand, zend het overschot aan energie uit in de vorm van een foton.
3
De gasontladingsbuis (inleiding)
A
Een gasontladingsbuis is een buis waarin gas zit ‘opgesloten’.
B
In TL-lampen zit meestal het kwikgas.
C
Zie de afbeelding op de volgende pagina
16
uitwerkingen oefenopgaven
-
-
kathode
vrij elektron
+ + + + + + +
gas
anode
gasatoom
4
De gasontladingsbuis (werking)
A
Door een spanning tussen kathode en anode aan te leggen, worden de vrije elektronen versneld. Op weg naar de anode bewegen de elektronen steeds sneller en botsen met gasatomen.
B
Het atoom kan ge誰oniseerd worden als het vrij elektron genoeg kinetische energie heeft om het elektron uit het atoom te slaan. Als het vrije elektron wat minder kinetische energie heeft, botst het een elektron in het atoom alleen naar een andere schil.
C
Een atoom dat van de aangeslagen toestand terugslaat naar de grondtoestand, zendt het overschot aan energie uit in de vorm van een foton.
D
Het kwikatoom straalt zijn eigen soort foton met zijn eigen frequentie uit. Het foton dat kwikgas uitstraalt heeft de frequentie van fotonen uit ultraviolet licht.
E
Ultraviolet licht valt niet onder zichtbaar licht.
F
Met een fluorescerend laagje dat aangebracht is aan de binnenkant van de TL-lamp. Als er ultraviolet licht op dit laagje valt, gaat de stof zelf golven uitzenden met golflengtes die vallen onder zichtbaar licht.
17
uitwerkingen oefenopgaven 5
De formule van Planck
A
E=h•f E:
de energie van het foton in J
h:
de constante van Planck in J • s (zie BINAS tabel 7)
f: B
de frequentie van het foton in Hz
In Binas tabel 19A staat dat oranje licht een frequentie heeft van 05,00 • 1015 Hz. Oranje licht bestaat dus uit fotonen met een energie van: E= h • f
C
E= 6,62607 • 10-34 x 0,500 • 1015 = 3,31• 10-19 J.
De frequentie van de fotonen vind je uit: E= h • f
6
→
→
f = E/h = 4,14 • 10-19 / 6,62607 • 10-34 = 6,25 • 10-16 Hz
Experiment spaarlamp in magnetron Een spaarlamp is eigenlijk een opgevouwen TL-lamp. Aan de binnenkant van een TLlamp zit een fluorescerend laagje. Een magnetron zendt elektromagnetische golven uit. Deze elektromagnetische golven bestaan uit fotonen. Als er fotonen op het fluorescerende laagje vallen, gaat de stof zelf elektromagnetische golven uitzenden die vallen onder zichtbaar licht.
18
nawoord
“Dit was onze presentatie over de TL-lamp. We hopen dat je het interessant en leerzaam vond. We wensen je veel succes met het leren van de toetsstof!�
19