Frage:
Warum ändert sich die Helligkeit einer Glühbirne nicht mit der Zeit?
user181531
2018-02-28 13:27:11 UTC
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Haushaltsbirnen erhalten Wechselstrom, was bedeutet, dass sich die Spannung von Quelle und Strom im Stromkreis mit der Zeit ständig ändert, was bedeutet, dass die Stromversorgung nicht konstant ist.Wir sehen jedoch keine Helligkeitsänderungen der Glühbirne.Warum ist das so?

@NehalSamee Sie müssten die Spannung gleichrichten und glätten, um die Leistung konstant zu halten, da $ V $ ansonsten manchmal auf Null abfällt (was trivialerweise keine Leistung ergibt).Dies ist möglich, jedoch nicht mit einer normalen Glühbirne.
Einige von uns können die Veränderungen bei LED-Leuchten sehen, die billige Gleichrichter verwenden.
@NehalSamee, da das Filament nach dem Ohmschen Gesetz als einfacher Widerstand (mindestens bei 60 Hz) wirkt, $ I \ propto V $, also $ P \ propto V ^ 2 $.
@Valeus ... $ P∝I ^ {2} $ ...
@NehalSamee Es ist dasselbe, da $ \ propto $ symmetrisch ist.Insbesondere ist $ P = \ frac {V ^ 2} {R} $ und $ P = I ^ 2 R $.
Ich habe ein Labor, das ich meinen Schülern zur Verfügung stelle und das empfindliche Photometer und automatisierte Datenerfassungssysteme verwendet, die eine schnelle Probenahme ermöglichen.Stellen Sie die Abtastrate auf ungefähr 20 Hz ein und Sie sehen die Abweichung, wenn Sie Glühlampen verwenden.
@Soumya Kanti, Nein!Spannung und Strom ändern sich.Wenn die Spannung konstant ist, ist auch der Strom konstant (es sei denn, Sie verwenden einen Rheostat).220 V ist der Effektivwert der Spannung;es ist nicht konstant.
Auch bei Leuchtstoffen ist es trivial zu sehen.(Nicht nur billige LEDs)
Von Zeit zu Zeit flackere ich in fluoreszierenden Lichtern aus dem Augenwinkel.Es ist also nicht unmöglich zu sehen.Es ist nur sehr schwierig und hängt von Faktoren ab, wie aufmerksam ich bin, wie viele andere Lichter in der Nähe sind und die Details der spezifischen Lichtquelle.
@chrylis Sie sind sicher, dass es sich stattdessen nicht um niederfrequente PWM-basierte dimmbare LEDs handelt?
@Dai positiv.Sowohl Weihnachtslichter (die ersten Jahre der LED) als auch einige Geräte mit fester Helligkeit.
Fünf antworten:
Chris
2018-02-28 13:37:25 UTC
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Zwei Gründe:

  • Eine Glühbirne leuchtet nicht (direkt), weil Strom durch sie fließt, sondern weil sie heiß ist.Selbst wenn die durch die Glühbirne fließende Leistung abnimmt, dauert es einige Zeit, bis sich das Filament abgekühlt hat.Selbst wenn die Glühbirne ausgeschaltet ist, dauert es einige Zeit (einen Bruchteil einer Sekunde), bis das Licht verblasst.
  • Welche Variation im Licht ist, ist zu schnell, als dass unsere Augen es sehen könnten.

Sie können das Wechselstromflimmern in Zeitlupenvideos sehen, wenn die Kamera eine ausreichende Bildrate hat, z. B. diese.

IMHO würde ein schönes Analogon Ihre Hände (Handflächen) aneinander reiben.Sie spüren eine konstante Hitze, obwohl sich Bewegung und Richtung der "aktiven Elemente" ändern.
sehr guter Link!
Ein weiterer Punkt, den ich für relevant halte, ist, dass die Beziehung zwischen elektrischer Leistung und Leuchtkraft weder linear ist, noch dass die Beziehung zwischen Leuchtdichte und wahrgenommener Helligkeit linear ist.
Das Filament kann in Bezug auf Wärme fast wie ein Kondensator (der als Tiefpassfilter wirkt) behandelt werden.Wärme verlässt das Filament exponentiell, genau wie Ladung einen Kondensator exponentiell verlässt.
In Bezug auf Ihren zweiten Punkt schwöre ich, dass ich das Flackern von Leuchtstofflampen sehen kann.Es verursacht fast Kopfschmerzen.
@Vaelus: Das stimmt nicht.Die Schwarzkörperstrahlung ist proportional zur 4. Potenz der Temperatur und nicht linear.Der Zerfall ist also überexponentiell.
@user2023861 Leuchtstofflampen haben Mechanismen zur Regulierung des durch die Lampe fließenden Stroms.Dank dieser Mechanismen gibt es bei AFAIK keinen Grund zu der Annahme, dass ein Flackern * notwendigerweise * bei den 100-120 ~ \ rm Hz $ liegt, bei denen einfache Glühbirnen liegen würden.Ältere können definitiv ein hörbares Summen abgeben, das mit der Induktion von Kopfschmerzen zusammenhängen kann.
Wenn Sie einen Stab vor (einigen) LED-Lampen schwenken (mit Blick auf das reflektierte Licht), können Sie leicht erkennen, dass das Licht nicht konstant ist.Versuch es!
NightLightFighter
2018-02-28 16:33:03 UTC
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Wir haben bereits gute Antworten, aber ich werde dem eine Anekdote hinzufügen:

Ich habe einmal mit mehreren Lichtquellen und einer wissenschaftlichen Kamera herumgespielt.Das Gesamtexperiment war nicht allzu wissenschaftlich und ich hatte nur ein Beispiel für jede Lichtquelle, aber es kann als Ausgangspunkt dienen.

Ich fand das:

  • Eine Glühlampe hat nur ein Flackern von ~ 5-10% ihrer Gesamthelligkeit.Dies ist auf seine thermische Masse zurückzuführen, die das Filament zum Leuchten bringt.

  • Eine Leuchtstoffröhre hat eine Variation von etwa 40% ihrer Gesamthelligkeit.Das Plasma und die fluoreszierende Beschichtung behalten eine gewisse Helligkeit bei, bis die nächste Stromwelle trifft.

  • Eine billige LED mit einem gleichgerichteten Eingangsstrom, aber ohne Kondensator, um die Situation auszugleichen, fällt wirklich auf die Helligkeit Null ab.

Günstige LED-Weihnachtslichter flackern bei 60 Hz. Wenn Sie also eine Telefonkamera verwenden, die mit 60 Bildern pro Sekunde aufzeichnet, kann dies zu einem Weihnachtsbaum führen, der vollständig schwarz ist oder nur sehr langsam ein- und ausgeblendet wird.Es hat ein paar Minuten Spaß gemacht in dieser Ferienzeit.
@JPhi1618 Abhängig von der Netzfrequenz, an vielen Stellen sind es stattdessen 50 Hz.
Eine korrigierte LED (sowie eine Glühlampe oder ein fluoreszierendes Licht) flackert tatsächlich bei 100/120 Hz, nicht wahr?
@leftaroundabout Nur wenn der Hersteller die zusätzlichen 3 Cent für einen Vollbrückengleichrichter (4 Dioden) anstelle von 1 Diode ausgeben konnte.
@jpa ... oder 0 Dioden, außer den LEDs selbst ... Im Ernst, das wäre lächerlich, denn selbst wenn sie nur einen einzigen Widerstand als "Konstantstromversorgung" enthalten, wird dieser direkt bei 230 V verwendet (oder120 V mit höherem Strom) würde einen Leistungswiderstand erfordern, der teurer wäre als die dafür erforderlichen aktiven Komponenten.
@leftaroundabout Wenn die LED tatsächlich über eine vollständig gleichgerichtete Stromversorgung verfügt (an die ich mich in meinem Fall derzeit nicht erinnern kann), flackert sie mit der doppelten Frequenz der angelegten Netzquelle.Das beschriebene Phänomen JPhi1618 wird dadurch jedoch nicht wesentlich beeinflusst.120-Hz-LED-Flimmern, das mit ~ 60 Hz (mit entsprechend hoher Verschlusszeit) aufgenommen wurde, wird nur doppelt so schnell ein- und ausgeblendet wie ein 60-Hz-Flimmern.Dies ist jedoch immer noch willkürlich langsam, wenn die Videobildrate in Richtung der * exakten * Halbflimmerfrequenz geht.
oerkelens
2018-02-28 17:15:37 UTC
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Als Ergänzung zu Chris 'Antwort

die Intensität ändert sich , aber sie ändert sich sehr schnell und nicht um so viel

Die Änderung reicht aus, um messbar zu sein, und kann in gewisser Weise sehr praktisch sein.

In den Tagen des Grammophons (der großen schwarzen Discs, auf denen vor der CD Musik abgespielt wurde) konnten einige Plattenspieler so eingestellt werden, dass sie sich mit der richtigen Geschwindigkeit drehen, und sie konnten auf 33 oder 45 umgeschaltet werdenU / min.Um die Geschwindigkeit fein einzustellen, hatte die Basis des Plattentellers ein Muster, das scheinbar stillstand, wenn sich der Tisch mit der richtigen Geschwindigkeit drehte.Oft gab es 4 Muster, eines für 33 und 45 U / min für 50-Hz- und 60-Hz-Stromnetze.

Dieses Youtube zeigt, wie dies mit dem kleinen Licht neben dem Plattenteller funktioniert, aber die Muster wurden ursprünglich für die Verwendung mit normalen Glühlampen hergestellt - und es hat funktioniert.

Diese Seite bietet etwas mehr Erklärungen.

Sehr interessant!Mein Vater hatte einen Plattenteller mit kleinen Streifen, aber in diesem Fall fuhr er ein Servo, das vermutlich versuchte, einen konstanten Durchschnitt von Hell / Dunkel zu halten.
_Grammophon_?Dies ist definitiv etwas, das auch bei vielen weniger antiquierten Plattenspielern mit elektronischem Tonabnehmer verwendet wurde.Im Allgemeinen jedoch eher mit einer LED als mit einer Glühbirne, da diese viel stärker flackert.
Der berühmte (für uns ältere Musiker) StroboConn-Tuner verwendete diese Methode ebenfalls.
queezz
2018-02-28 13:34:17 UTC
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Update. Um gute Kommentare zu meiner Antwort zusammenzufassen.

Eine sehr gut formulierte Antwort von @Chris und einige reale Zahlen von @NightLightFighter decken die Physik der Frage sehr gut ab. Hier sind einige verschiedene Aspekte davon.

Time-Faktor.

Die Frequenz des Wechselstroms beträgt 50-60 Hz, daher ist die Frequenz der elektrischen Leistung doppelt so hoch. Wie Chris sagt, wird der Glühbirnenfaden durch den elektrischen Strom erwärmt und strahlt Licht aus, wie es jeder beheizte Körper tut.

Intensity factor.

Wenn die Leistung minimal ist, kühlt sich das Filament hauptsächlich durch Strahlung ab (die Wärmeleitfähigkeit des Filaments ist nicht zu gut und die Konvektion ist insbesondere aufgrund der Schutzglasabdeckung nicht sehr effektiv). Die charakteristische Zeit dieser Abkühlung ist im Vergleich zur Periode der elektrischen Leistung erheblich langsamer, so dass die Änderung der Filamenttemperatur nicht zu hoch ist und nur eine geringe Änderung der Strahlungsintensität verursacht. Laut @NightLightFighter ist es nur

~ 5-10% seiner Gesamthelligkeit.

Leuchtstoffröhre.

Nochmals vielen Dank an @NightLightFighter

Eine Leuchtstoffröhre hat eine Variation von etwa 40% ihrer Gesamthelligkeit.

Biologischer Faktor.

Wir sehen nicht mit unseren Augen, wir sehen mit unserem Gehirn.

Das menschliche Sehen ist ein komplexes System, über das noch nicht alles verstanden ist. Die Fähigkeiten unserer Vision sind jedoch gut untersucht, und die eigentliche Antwort auf die Frage lautet, dass sie nicht gut genug sind, um das Flackern der Glühbirne (in den meisten Fällen) zu sehen. In dieser in Nature, Scientific Reports, 2013 veröffentlichten Studie wurde festgestellt, dass Menschen einige Änderungen im angezeigten Bild auf einem Monitor erkennen können, die räumlich einheitlich sind und eine Modulationsschwelle von etwa 63 Hz aufweisen. Und für Bilder mit scharfen räumlichen Kanten sogar bis zu 500 Hz!

Ich gehe davon aus, dass es sicher ist, sich die Glühlampe als ein „räumlich einheitliches“ Bild vorzustellen. Spekulationen zufolge sind die Änderungen der Lichtintensität im Vergleich zum Durchschnittswert viel geringer und treten mit einer Rate von ~ 100-120 Hz auf, die nach den zitierten Untersuchungen höher ist als unsere Fähigkeiten.

Bei der Leuchtstoffröhre sind die Änderungen der Lichtintensität erheblich größer, und man kann davon ausgehen, dass dieser Fall näher an Bildern mit „räumlichem Rand“ aus der Forschung liegt. Daher könnte die Erkennungsschwelle höher sein. Dies kann der Grund sein, warum manche Menschen mit einer solchen Beleuchtung Kopfschmerzen haben können.

Vision capabilities from https://www.nature.com/articles/srep07861

Die Frequenz des Blinkens ist doppelt so hoch wie die Frequenz der Versorgung.
Das stimmt natürlich.Und wir können Ereignisse unterscheiden, die langsamer als 30-40 ms sind, also ist es bei 100-120 Hz viel zu schnell.Der Unterschied in der Helligkeit ist ebenfalls wichtig und im Vergleich zur durchschnittlichen Helligkeit geringer.Chris fasste das alles gut zusammen.
Im Gegenteil, es gibt Untersuchungen, dass [selbst unter guten Umständen manche Menschen 500 Hz beobachten können] (https://twitter.com/alt_kia/status/957289283840167937), und ich persönlich hatte starke Kopfschmerzen, weil ich schneller als 60 Hz flackerte.
Das könnte sein, dass sogar einzelne Photonen beobachtet werden könnten.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4960318/ Eine häufige Erfahrung mit üblicheren Einstellungen besagt jedoch, dass unsere Augen nicht so schnell sind.Gutes Beispiel - Filme.Selbst 24 Bilder pro Sekunde reichen aus, um das Auge zu täuschen.
Sah nur auf die Zeitung.Interessant!Und ich denke, die Glühbirne fällt in eine räumlich einheitliche Kategorie, so dass ~ 63 Hz an der Grenze der Erkennung durch diese Studie liegen.Und wir haben die doppelte Frequenz.
@queezz: sehen wir nicht mit unseren Augen, wir sehen mit unserem Gehirn.Unsere Augen arbeiten auch nicht mit einer bestimmten Bildrate.Unterschiedliche photorezeptive Zellen (Stäbchen gegen Zapfen), unterschiedliche Bereiche des Auges und unterschiedliche Lichtverhältnisse verändern das Verhalten der visuellen Wahrnehmung auf unterschiedliche Weise.
@queezz Der Trick bei Filmen ist Bewegungsunschärfe.
@whatsisname Sicher, die Biologie ist kompliziert.Ich würde sagen, dass das Sehen ein komplexes System ist, das Augen und Gehirn umfasst, und dass alle enthaltenen Teile eine gewisse physische Reaktionszeit auf Reize haben.Um einige Probleme zu lösen, müssen wir jedoch einige Vereinfachungen vornehmen, um die wichtigsten Parameter zu berücksichtigen.Wenn wir dies tun, können wir einige Bildraten für unsere Körperoperation zuweisen.Jedenfalls geht dies jetzt viel tiefer in die Biologie.
@queezz: Wenn Sie einige Probleme lösen möchten, müssen Sie ein Modell auswählen, das in der Domäne, in der sich Ihr Problem befindet, ziemlich genau ist.Das Zuweisen von Bildraten zu unseren Augen ist nicht ausreichend genau.
@whatsisname Warum nicht?Wie in der von chrylis zitierten Studie https://www.nature.com/articles/srep07861 gezeigt, kann der Mensch Veränderungen in den "einheitlichen" Objekten mit einer Frequenzgrenze von etwa 63 Hz feststellen.Die Glühlampe scheint in diesen "einheitlichen" Typ zu fallen.
@queezz-Glühbirnen fallen * nicht * in die Kategorie "Raumuniform".In dem Naturartikel, den Sie in Ihrer Antwort zitiert haben, bezieht sich die Zusammenfassung auf LED-Flimmern, das aufgrund der Sakkaden des Beobachters (schnelle Augenbewegung) mit sehr hohen Raten beobachtbar ist.Wenn Sie ein paar Meter von einer Glühbirne entfernt sind, ist sie fast "punktförmig" (wie eine LED), was so weit wie möglich von "räumlich einheitlich" entfernt ist.Trotzdem können Sie das Flackern nicht sehen, da eine kontinuierliche Helligkeitsmodulation von +/- 5% nicht leicht zu erkennen ist - insbesondere angesichts unserer logarithmischen Helligkeitswahrnehmung.
@NightLightFighter Ihr Argument ist ansprechend.Filament ist wahrscheinlich ein Punkt wie.Es ist auch sehr hell, näher an der Sättigung.Wir sehen auch Umgebungslicht, Reflexionen und Brechungen.Und dieses Licht ist gleichmäßig, seine Helligkeit ist leichter zu beurteilen.
Acccumulation
2018-03-02 01:57:27 UTC
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Dies ist eher eine biologische als eine physikalische Frage. Glühbirnen flackern, wir können es einfach nicht erkennen. Das menschliche visuelle System benötigt eine gewisse Zeit zum "Auffrischen"; Intensitätsänderungen innerhalb dieses Zeitraums werden herausgemittelt. Beispielsweise scheinen Lüfterblätter bei hohen Geschwindigkeiten teilweise transparent zu werden, und Objekte dahinter werden einfach etwas weniger deutlich als flackern.

Als Beispiel gibt es dieses Ding namens Blochs Gesetz. "Im Grunde ist es eines der wenigen Gesetze in der Wahrnehmung", sagt mir Professor Thomas Busey, stellvertretender Abteilungsleiter am Department of Psychological and Brain Sciences der Indiana University. Es heißt, dass bei einem Lichtblitz von weniger als 100 ms ein Kompromiss zwischen Intensität und Dauer besteht. Sie können eine Nanosekunde unglaublich helles Licht haben und es erscheint genauso wie eine Zehntelsekunde schwaches Licht. "Im Allgemeinen können Menschen nicht innerhalb einer Zehntelsekunde zwischen kurzen, hellen und langen, schwachen Reizen unterscheiden", sagt er. Es ist ein bisschen wie die Beziehung zwischen Verschlusszeit und Blende in einer Kamera: Wenn Sie viel Licht mit einer großen Blende hereinlassen und eine kurze Verschlusszeit einstellen, wird Ihr Foto genauso gut belichtet wie wenn Sie eine kleine Menge davon aufnehmen Licht mit einer schmalen Blende und einer langen Verschlusszeit.

https://www.pcgamer.com/how-many-frames-per-second-can-the-human-eye-really-see/

Beachten Sie, dass 100 Millisekunden = 1/10 Sekunde = 10 Hertz. Standard-Wechselstrom in den USA beträgt 60 Hz für die Spannung, was bedeutet, dass sie 120 Hz für die Leistung beträgt (die Leistung ist proportional zum Quadrat der Spannung und wechselt daher mit der doppelten Rate). Das bedeutet, dass eine Glühbirne mit der 12-fachen Schwellenrate flackert. "Normale" Bildraten für Videos reichen von 20 bis 30 Hz (obwohl High-End-Systeme höhere Bildraten haben können), aber Sie bemerken wahrscheinlich kein Flimmern beim Ansehen von Filmen.



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