В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.
Лампа накаливания на 36 Вт
Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение . Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления . Идеальная температура в 5770 K недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления - вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
При практически достижимых температурах 2300-2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура .
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид . По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампы делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше (что приводит к быстрому её перегоранию) и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.
Конструкция
Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, заполненной буферным газом и ограждающей нить накала от окружающей среды.
Колба
Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Буферный газ
Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами . Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (молярные массы : азот: 28,0134 /моль ; аргон: 39,948 /моль ; криптон : 83,798 /моль ; ксенон : 131,293 /моль)
Нить накала
Двойная спираль лампы накаливания (Osram 200 Вт) с контактными проводниками и держателями нити
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.
В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мигающем режиме.
Цоколь
Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки питающей цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель . Он представляет собой отрезок тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 .
КПД и долговечность
Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД , но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) сильно уменьшает КПД , но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом , благодаря чему ток в лампу идет только в течении половины периода.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода плавные пускатели. Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт , а 100-ваттная - более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности. Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.
| тип | КПД | Светотдача( |
|---|
Определение
- источник света, преобразующий энергию проходящего по спирали лампы электрического тока в тепловую и световую. По физической природе различают два вида излучения: тепловое и люминесцентное.
Тепловым называют световое излучение, возникающее
при нагревании тел. На использовании теплового излучения основано свечение электрических ламп накаливания.Достоинства и недостатки
Достоинства ламп накаливания:
при включении они зажигаются практически мгновенно;
имеют незначительные размеры;
стоимость их невысока.Основные недостатки ламп накаливания:
лампы обладают слепящей яркостью, отрицательно отражающейся на зрении человека, поэтому требуют применения соответствующей арматуры, ограничивающей ослепление;
обладают незначительным сроком службы (порядка 1000 часов);
срок службы ламп существенно снижается при повышении напряжения питающей электросети.Световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%.
Таким образом, основной недостаток ламп накаливания - низкая светоотдача. Ведь лишь незначительная часть потребляемой ими электрической энергии превращается в энергию видимых излучений, остальная часть энергии переходит в тепло, излучаемое лампой.
Принцип действия.
Принцип действия ламп накаливания основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через нить, в световую. Температура разогретой нити достигает 2600...3000 "С. Но нить лампы не плавится, потому что температура плавления вольфрама (3200...3400 °С) превышает температуру накала нити. Спектр ламп накаливания отличается от спектра дневного света преобладанием желтого и красного спектра лучей.
Колбы ламп накаливания вакуумируются или заполняются инертным газом, в среде которого вольфрамовая нить накала не окисляется: азотом; аргоном; криптоном; смесью азота, аргона, ксенона.Устройство и работа ламп накаливания
Лампа накаливания (рис.) светится потому, что нить из тугоплавкой вольфрамовой проволоки раскаляется проходящим через нее током. Чтобы спираль быстро не перегорела, из стеклянного баллона выкачан воздух либо баллон заполнен инертным газом. Спираль укреплена на электродах. Один из них припаян к металлической гильзе цоколя, другой - к металлической контактной пластине. Их разделяет изоляция. Один из проводов присоединен к гильзе цоколя, а другой - к контактной пластине, как показано на рис. Тогда ток, преодолевая электрическое сопротивление НИТИ, раскаляет ее.
Обозначения ламп накаливания
В обозначении ламп накаливания буквы означают: В - вакуумная; Г - газонаполненная; Б - биспиральная; БК - биспиральная криптоновая (имеет повышенную светоотдачу и меньшие размеры по сравнению с лампами В, Б и Г, но стоит дороже); ДБ - диффузная (с матовым отражательным слоем внутри колбы); МО - местного освещения.
За буквами следуют две группы цифр. Они указывают диапазон напряжений и мощность лампы.
Пример. «В 220...230-25» обозначает напряжение 220...230 В, мощность 2-5 Вт. В обозначении может также присутствовать дата выпуска лампы, например, IX 2005.
Лампы мощностью до 150 Вт выпускаются: в бесцветных прозрачных баллонах (световой поток ламп не уменьшается); в матированных изнутри баллонах (световой поток ламп уменьшается на 3%); в опаловых колбах; окрашенных в молочный цвет баллонах (световой поток ламп уменьшается на 20%).
Лампы мощностью, до 200 Вт изготавливают как с резьбовыми, так и со штифтовыми нормальными цоколями. Лампы мощностью более 200 Вт выпускаются только с резьбовыми цоколями. Лампы мощностью более 300 Вт выпускаются с цоколем диаметром 40 мм.Примеры исполнения стандартных ламп накаливания
Примеры исполнения ламп накаливания приведены на рис. 2. На рис. 2.а,б - лампы одинаковой мощности, но на рис. 2.а - газонаполненная с аргоновым, а на рис. 2.б - с криптоновым наполнителем (криптоновая). Размеры криптоновой лампы меньше. Лампа на рис. 2.в напоминает свечу. Такие лампы часто применяют в люстрах и настенных светильниках. На рис. 2.г,д,е изображены, соответственно, биспиральная, биспиральная криптоновая, и зеркальная лампы.
Электрическая лампа является незаменимым элементом в электрификации любого помещения. Сегодня существуют различные виды ламп. Из них любой хозяин подберет варианты, оптимальным образом дополняющие уют в доме. Лампы могут иметь разные технические характеристики. Подобрав их правильно, удастся к тому же сэкономить деньги на оплате электрической энергии.
Несмотря на разнообразие видов, у них есть одинаковые части: это цоколь с резьбой и патрон. Соответствующая информация всегда содержится на самих лампах.
Цоколи
Для бытовых нужд бывают лампы с маленьким, средним и большим цоколем. Этим характеристикам соответствуют размеры Е14, Е27 и Е40. Число здесь означает миллиметровый диаметр. Размер Е27 является наиболее распространенным. Е40 используют на уличных лампах с мощностью в 300, 500 и 1000 Вт.
Кроме вкручиваемых в патрон цоколей, бывают варианты штырькового типа. Их виды: G5, G9, 2G10, 2G11, G23, R7s-7. Такие цоколи нужны для экономии места. здесь крепится в светильнике при помощи штырьков.
Мощность
Это одна из главных характеристик. Производитель ее указывает на цоколе или баллоне. лампы определяет, какой будет исходить от нее. Светоотдача и уровень излучаемого света — разные понятия. Ведь энергосберегающая лампочка, имеющая мощность 5 Вт, может светить не хуже лампы накаливания на 60 Вт. Параметр светоотдачи, к сожалению, не фиксируется. Поэтому в этом остается полагаться лишь на собственный опыт использования тех или иных вариантов, а также на советы продавцов.
Светоотдача
Параметр означает, что на 1 Ватт лампа выдает соответствующее количество люменов. Сравнив показатели разных видов, можно заметить, что энергосберегающая будет от четырех до девяти раз экономичнее лампы накаливания. Если последняя на 60 Ватт даст приблизительно 600 люмен, то энергосберегающая те же результаты покажет при параметрах 10-11 Ватт.
Электрическая мощность, напряжение
Эти появились первыми в домах в девятнадцатом веке. Они, конечно, очень изменились с тех пор. Однако принцип действия остался тем же.
Все они состоят из стеклянного баллона, внутри которого — вакуумное пространство, цоколя с контактами и предохранителями, а также нитями накаливания, испускающими свет. Спираль изготовлена из вольфрамовых сплавов, которая с легкостью выдержит рабочую температуру +3200 градусов по Цельсию. Электрическая схема ламп такова: при прохождении через проводник с малым сечением и проводимостью электрического тока часть энергии переходит на разогрев спиральной детали. Поэтому он начинает светиться. Чтобы нить не перегорела в этот же миг, в лампы накачивают инертный газ.
Несмотря на такое простое устройство электрической лампы, придумано множество их видов, отличающихся друг от друга по формам, габаритам и используемым материалам. Кроме того, лампы изготавливают с разной мощностью. Она варьируется от 40 до 250 Вт, если предназначена для бытового освещения. Для промышленных нужд делают более мощные установки.
Простая схема электрической лампы может выглядеть следующим образом.
Бывают декоративные лампы в виде свечей, баллон которых имеет вытянутую, а не круглую форму, и похож по форме на свечу. Обычно их используют в небольших светильниках. Стекла могут окрашиваться в разные цвета. В состав стекол зеркальных ламп входит отражающее покрытие, чтобы направлять свет компактным пучком. Чаще всего они применяются для потолочного освещения, чтобы направлять весь свет вниз. Электрическая лампа накаливания имеет низкое напряжение. Те, которые предназначены для местного освещения, имеют напряжение всего 12, 24, 36 В. Их применяют при авариях, в ручных приборах и так далее. Вместе с малым потреблением энергии они дают совсем небольшое освещение.
Также отличаются электрические лампы сопротивлением, которое изменяется вместе с напряжением и мощностью, но не линейным образом.
Такие лампы имеют целый ряд недостатков. В первую очередь у них низкий коэффициент полезного действия — он не превышает 2-3 % от энергии потребления. Остальное отдается выработке тепла. Во-вторых, они являются небезопасными с точки зрения риска возникновения пожара. Обычная газета способна загореться уже через двадцать минут после того, как будет приложена к лампе с мощностью в 100 Вт. Лампы также не являются долговечными, так как служат всего от 500 до 1000 часов.
Зато они стоят очень дешево и не требуют никаких дополнительных настроек и подключений. Поэтому, несмотря на имеющиеся недостатки, многие потребители отзываются об этих лампах положительно и продолжают пользоваться именно ими.
Галогенные лампы
Данный вид имеет тот же принцип работы, что и в предыдущем случае. Разница заключается лишь в составе газа внутри баллона. Здесь к инертному газу добавляют йод или бром. Таким образом увеличивается температура нитей накаливания и снижаются испарения вольфрама. Поэтому их срок службы в разы больше по сравнению с лампами накаливания.
Так как температура стекла увеличивается очень быстро, их изготавливают из кварца. Такой материал не выносит никаких загрязнений.
Галогенные лампы, в свою очередь, подразделяются на разные виды. Это и линейные варианты, используемые в стационарных или переносных прожекторах, и лампы с зеркальным покрытием, которые часто устанавливают в гипсокартонные конструкции. Среди недостатков у них можно выделить чувствительность к перепадам напряжения. Поэтому при применении желательно использовать дополнительно специальный трансформатор, где будет выравниваться сила тока электрической лампы.
Часто такие лампы устанавливают для автомобильных фар. И хотя автовладельцы положительно о них отзываются, они не видят особой разницы между экономичными вариантами и дорогими, с различными напылениями и другими эффектами.
Люминесцентные лампы дневного света
Если галогенные лампы имели аналогичный принцип действия с лампами накаливания, то данный вид существенно отличается по своей работе. Здесь под воздействием тока в колбе из стекла горят не вольфрамовые нити, а пары ртути. Так как свет излучается в ультрафиолете, различить его фактически невозможно. Ультрафиолет вынуждает излучать свет люминофор, покрытие на стенках трубок. Его мы и видим. Способ соединения в этом случае также существенно отличается. На трубках находятся штырьки, которые нужно вставить в патрон и повернуть.
Лампы дневного света работают при низкой температуре, поэтому к ним легко прикасаться. Благодаря большой поверхности удается добиться ровного рассеянного света, хорошего для глаз человека. Срок службы в десять раз превышает аналогичный показатель у ламп накаливания.
Но такие лампы напрямую к сети не подключаются. Для них применяют специальные балласты и стартеры, поджигающие их при включении. Большинство светильников, предназначенных для люминесцентных ламп имеют встроенные устройства свечения, напоминающие электронные пускорегулирующие аппараты.
Несмотря на дороговизну, покупатели светильников с такими лампами отмечают их естественность для зрения. Поэтому их потребители остаются верными своему выбору.
Маркировка у них следующая:
- ЛБ означает белый свет;
- ЛД — дневной;
- ЛЕ — естественный;
- ЛХБ — холодный;
- ЛТБ — теплый.
После букв следуют цифры, первая из которых означает степень передачи света, а следующие — соответствующую температуру свечения. Чем выше светопередача, тем освещение является более естественным для восприятия. Разная температура даст разный цвет. Так, очень теплый белый получится при 2700К, теплый — при 3000К, естественный — при 4000К, дневной — при 5000К.
Энергосберегающие лампы
Когда появились эти компактные лампы, они произвели настоящий фурор на рынке. Виды их чрезвычайно разнообразны. А достоинства их очевидны: теперь нет необходимости устанавливать дополнительный балласт и использовать специальные светильники. Они легко вкручиваются в обычный цоколь. В то же время, как и у всех видов, у них имеются недостатки. Это плохая работа при низкой температуре, долгий запуск, несовместимость со световыми регуляторами, высокая цена, ртутные соединения в составе, несхожесть с естественным светом.
Такие лампы хоть и набирают популярность, но люди все-таки с некоторой оглядкой относятся к ним и, пользуясь, обычно имеют в запасе обычные лампочки.
Светодиодные электрические лампы
Данный вид появился во второй половине двадцатого века. По действию они представляют собой полупроводник, где часть энергии выделяется в виде излучения, воспринимаемого человеческим глазом. Цвет получается разный, в зависимости от материала полупроводника.
Эти модели лучше ламп накаливания по всем показателям:
- длительности срока службы;
- светоотдаче;
- прочности;
- экономичности и так далее.
Светодиодные лампы бывают разными в зависимости от мощности, размера, производительности и так далее.
Но помимо всех этих очевидных преимуществ, существует один значительный недостаток: цена, которая выше стоимости обычных ламп накаливания в 100 раз. Такой существенный минус, естественно, уменьшает количество потребителей. Но тем не менее светодиоды набирают все большее количество поклонников.
Нередко бывает так, что используемое в быту устройство, имеющее большое значение для всего человечества, ничем не напоминает нам о его создателе. А ведь в наших домах электрическая лампочка зажглась благодаря усилиям конкретных людей. Их заслуга для человечества неоценима - наши дома наполнились светом и теплом. История представленная ниже, познакомит вас с этим великим изобретением и с именами тех, с кем оно связано.
Что касается последних, можно отметить два имени - Александра Лодыгина и Томаса Эдисона. Хотя заслуга русского ученого была очень велика, пальма первенства принадлежит именно американскому изобретателю. Поэтому мы вкратце расскажем о Лодыгине и подробно остановимся на достижениях Эдисона. Именно с их именами связывается история ламп накаливания. Говорят, что на изобретение электрической лампочки у Эдисона ушло огромное количество времени. Ему пришлось провести около 2 тысяч опытов, прежде чем на свет появилась знакомая нам всем конструкция.
Изобретение, сделанное Александром Лодыгиным
История ламп накаливания очень похожа на истории других сделанных в России изобретений. Александр Лодыгин, русский ученый, смог заставить угольный стержень светиться в стеклянном сосуде, откуда был откачан воздух. История создания лампы накаливания начинается в 1872 году, когда ему удалось это сделать. Александр получил патент на электрическую угольную лампу накаливания в 1874 году. Немного позже он предложил заменить вольфрамовым угольный стержень. Вольфрамовая деталь и сейчас используется в лампах накаливания.
Заслуга Томаса Эдисона
Однако именно американский изобретатель, смог создать долговечную, надежную и недорогую модель в 1878 году. Кроме того, ему удалось наладить ее производство. В его первых лампах в роли нити накаливания была обугленная стружка, сделанная из японского бамбука. Вольфрамовые нити, привычные нам, появились значительно позже. Они стали использоваться по инициативе Лодыгина, упоминавшегося выше русского инженера. Не будь его, кто знает, как сложилась бы история ламп накаливания дальнейших лет.
Американский менталитет Эдисона
Американский менталитет существенно отличается от русского. У гражданина США Томаса Эдисона в дело шло все. Интересно, что, размышляя о том, как сделать более прочной телеграфную ленту, этот ученый изобрел вощение бумаги. Затем эта бумага использовалась в виде обертки для конфет. Семь столетий западной истории предшествовали изобретению Эдисона, и не столько развитием технической мысли, сколько постепенно формировавшимся у людей активным отношением к жизни. Многие талантливые ученые упорно шли к этому изобретению. История происхождения лампы накаливания связана, в частности, с именем Фарадея. Он создал фундаментальные труды по физике, без опоры на которые вряд ли было бы осуществимо изобретение Эдисона.
Другие изобретения, сделанные Эдисоном
Томас Эдисон появился на свет в 1847 году в Порт-Херон, небольшом американском городке. В самореализации Томаса сыграло роль то, что молодой изобретатель обладал способностью мгновенно находить инвесторов для своих идей, даже самых дерзких. И они были готовы рискнуть немалыми суммами. Например, еще будучи подростком, Эдисон решил печатать газету в поезде во время движения и затем продавать ее пассажирам. А новости для газеты следовало собирать прямо на остановках. Сразу же нашлись люди, которые ссудили деньги на покупку небольшого печатного станка, а также те, которые пустили Эдисона в багажный вагон с этим станком.
Изобретения до Томаса Эдисона делались либо учеными и были побочным продуктом осуществленных ими открытий, либо практиками, которые совершенствовали то, с чем им приходилось работать. Именно Эдисон сделал изобретательство отдельной профессией. У него было множество идей, и практически каждая из них делалась ростком для последующих, которые требовали дальнейшей разработки. Томас в течение всей своей долгой жизни не заботился о своем личном комфорте. Известно, что, когда он посетил Европу, будучи уже в зените славы, то был разочарован ленью и щеголеватостью европейских изобретателей.
Сложно было найти область, в которой Томас не совершил бы прорыв. Подсчитано, что этот ученый ежегодно делал около 40 крупных открытий. В общей сложности Эдисон получил 1092 патента.
Дух американского капитализма толкал вверх Томаса Эдисона. Ему удалось разбогатеть еще в возрасте 22 лет, когда он придумал котировочный "тиккер" для бостонской биржи. Однако самым важным изобретением Эдисона было именно создание лампы накаливания. Томасу удалось с ее помощью электрифицировать всю Америку, а затем и весь мир.
Строительство электростанции и первые потребители электроэнергии
История создания лампы начинается со строительства небольшой электростанции. Ученый соорудил ее у себя в Менло-Парке. Она должна была обслуживать нужды его лаборатории. Однако получаемой энергии оказалось больше, чем было необходимо. Тогда Эдисон начал продавать излишек соседям-фермерам. Вряд ли эти люди понимали, что стали первыми платными потребителями электроэнергии в мире. Эдисон никогда не стремился стать предпринимателем, однако когда он нуждался для своей работы в чем-либо, он открывал небольшое производство в Менло-Парке, впоследствии разраставшееся до больших размеров и шедшее своим путем развития.
История изменения устройства лампы накаливания
Накаливания представляет собой источник света, где преобразование в световую энергию электрической происходит из-за накаливания тугоплавкого проводника электрическим током. Световая энергия впервые была получена таким способом при пропускании тока сквозь угольный стержень. Этот стержень был помещен в сосуд, из которого предварительно был откачан воздух. Томас Эдисон в 1879 году создал более-менее долговечную конструкцию с использованием угольной нити. Однако имеется довольно длительная история возникновения лампы накаливания в современном виде. В качестве тела накала в 1898-1908 гг. пытались применять разные металлы (тантал, вольфрам, осмий). Вольфрамовую нить, зигзагообразно расположенную, начали использовать с 1909 года. Лампы накаливания начали наполнять в 1912-13 гг. (криптоном и аргоном), а также азотом. В это же время вольфрамовую нить стали делать в виде спирали.
История развития лампы накаливания далее отмечена ее усовершенствованием путем улучшения световой отдачи. Это осуществлялось с помощью повышения температуры тела накала. Срок службы лампы при этом сохранялся. Заполнение ее инертными высокомолекулярными газами с добавлением галогена привело к уменьшению загрязнения колбы частицами вольфрама, распыляющегося внутри нее. Кроме того, это уменьшило скорость его испарения. Применение тела накала в виде биспирали и триспирали привело к сокращению теплопотерь через газ.
Такова история изобретения лампы накаливания. Наверняка вам интересно будет узнать и о том, что представляют собой различные ее разновидности.
Современные разновидности ламп накаливания
Множество разновидностей электрических ламп состоит из определенных однотипных частей. Они различаются формой и размерами. На металлическом или стеклянном штенгеле внутри колбы закреплено тело накала (то есть сделанная из вольфрама спираль) с помощью держателей, выполненных из молибденовой проволоки. К концам вводов прикреплены концы спирали. Для того чтобы создать вакуумноплотное соединение с лопаткой, выполненной из стекла, средняя часть вводов выполняется из молибдена или платинита. Колба лампы во время вакуумной обработки наполняется инертным газом. Затем штенгель заваривается и образуется носик. Лампа для крепления в патроне и защиты носика снабжается цоколем. Он прикрепляется цоколевочной мастикой к колбе.
Внешний вид ламп
Сегодня существует множество накаливания, которые можно разделить по областям применения (для автомобильных фар, общего назначения и др.), по светотехническим свойствам их колбы или по конструктивной форме (декоративные, зеркальные, с рассеивающим покрытием и др.), а также по форме, которую имеет тело накала (с биспиралью, с плоской спиралью и др.). Что касается габаритов, выделяют крупногабаритные, нормальные, малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные. Например, к последним относятся лампы, имеющие длину менее 10 мм, диаметр которых не превышает 6 мм. Что касается крупногабаритных, к ним принадлежат такие, длина которых составляет более 175 мм, а диаметр - не менее 80 мм.
Мощность ламп и срок службы
Современные лампы накаливания могут работать при напряжении от долей единицы до нескольких сотен вольт. Их мощность может составлять десятки киловатт. Если увеличить напряжение на 1 %, повысится на 4 %. Однако при этом срок службы сократится на 15 %. Если включить лампу на короткий срок на напряжение, которое превышает на 15 % номинальное, она будет выведена из строя. Именно поэтому так часто перепады напряжения вызывают перегорание лампочек. От пяти часов до тысячи и более колеблется срок их службы. Например, на короткое время рассчитаны самолетные фарные лампы, а транспортные могут работать очень долго. В последнем случае их следует устанавливать в местах, которые обеспечивают легкость замены. Сегодня световая отдача ламп зависит от напряжения, конструкции, продолжительности горения и мощности. Она составляет около 10-35 лм/Вт.
Лампы накаливания сегодня
Лампы накаливания по своей световой отдаче, безусловно, проигрывают источникам света, работающим от газа (люминесцентная лампа). Тем не менее они проще в эксплуатации. Для ламп накаливания не требуется сложной арматуры или пусковых устройств. По мощности и напряжению для них практически не существует ограничений. В мире сегодня каждый год производится около 10 млрд ламп. А число их разновидностей превышает 2 тысячи.
Светодиодные лампы
История происхождения лампы уже написана, тогда как история развития этого изобретения еще не завершена. Появляются новые разновидности, которые становятся все более популярными. Речь идет в первую очередь о светодиодных лампах (одна из них представлена на фото выше). Они известны также как энергосберегающие. Эти лампы обладают светоотдачей, превышающей более чем в 10 раз светоотдачу ламп накаливания. Однако у них имеется недостаток - источник питания должен быть низковольтным.
Лампа накаливания
Ла́мпа нака́ливания - электрический источник света , в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама .
Принцип действия
В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов. При температуре 5770 (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение.
Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение . Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления . Температура в 5771 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления - вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
Для оценки данного качества света используется цветовая температура . При типичных для ламп накаливания температурах 2200-3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид . По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом , аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.
Конструкция
Конструкция современной лампы. На схеме: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.
Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.
В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы - как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга , которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.
Колба
Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.
Газовая среда
Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N 2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы : N 2 - 28,0134 /моль ; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).
Галогенная лампа
Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама , иногда осмиево -вольфрамового сплава . Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).
Электротехнические параметры
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений . Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R ) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R . Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление , для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон .
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока . При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.
В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.
Цоколь
В США и Канаде используются иные цоколи (это частично обусловлено иным напряжением в сетях - 110 В, поэтому иные размеры цоколей предотвращают случайное ввинчивание европейских ламп, рассчитанных на иное напряжение): Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul) . Также, аналогично Европе, встречаются цоколи без резьбы.
Номенклатура
По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:
- лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;
- декоративные лампы , выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром около 45 мм;
- лампы местного освещения , конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
- иллюминационные лампы , выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками (цветным цапонлаком), их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
- зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;
- сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами;
- транспортные лампы - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);
- прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счет особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки;
- лампы для оптических приборов , к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);
Специальные лампы
Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)
История изобретения
Лампа Лодыгина
Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна.
КПД и долговечность
Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД , но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом , благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
Так как стоимость потребленной за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается, и лампа выходит из строя.
Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода устройства плавного запуска.
Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60