Оценка элементов конструкции и технических характеристик ламп накаливания. Какой газ находится в лампе накаливания
Лампочка накаливая – предмет, знакомый всем. Электричество и искусственный свет уже давно стали для нас неотъемлемой частью действительности. Но мало кто задумывается, как появилась та самая первая и привычная нам лампа накаливания.
Наша статья расскажет вам, что собой представляет лампа накаливания, как она работает и как появилась в России и во всем мире.
Что собой представляет
Лампа накаливания — электрический вариант источника света, основная часть которого представляет собой тугоплавкий проводник, играющий роль тела накала. Проводник размещен в колбе из стекла, которая внутри бывает накаченной инертным газом или полностью лишенной воздуха. Пропуская через тугоплавкий тип проводника электрический ток, данная лампа может испускать световой поток.
Свечение лампы накаливания
Принцип функционирования базируется на том, что когда электрический ток течет по телу накала, данный элемент начинает накаливаться, нагревая вольфрамовую нить. Вследствие этого нить накала начинает испускать излучение электромагнитно-теплового типа (закон Планка). Для создания свечения температура накала должна составлять пару тысяч градусов. При снижении температуры спектр свечения будет становиться все более красным.
Все минусы, имеющиеся у лампы накаливания, кроются в температуре накала. Чем лучше нужен световой поток, тем большая температура потребуется. При этом вольфрамовая нить характеризуется пределом накала, при превышении которого этот источник света навсегда выходит из строя.
Обратите внимание! Температурный предел нагрева для ламп накаливания — 3410 °C.
Конструкционные особенности
Поскольку лампа накаливания считается самым первым источников света, то вполне закономерно, что ее конструкция должна быть достаточной простой. Особенно, если сравнивать с нынешними источниками света, которые ее постепенно вытесняют с рынка.
В лампе накаливания ведущими элементами считаются:
- колба лампы;
- тело накала;
- токовводы.
Обратите внимание! Первая подобная лампа имела именно такое строение.
Конструкция лампы накаливания
На сегодняшний день разработано несколько вариантов ламп накаливания, но такое строение характерно для самых простых и самых первых моделей.
В стандартной лампочке накаливания, кроме вышеописанных элементов имеется предохранитель, который представляет собой звено. Оно состоит из ферроникелевого сплава. Его вваривают в разрыв одного из двух токовводов изделия. Звено размещается в ножке токоввода. Оно нужно для того, чтобы предупредить разрушение стеклянной колбы во время прорыва нити накала. Это связано с тем, что при прорыве вольфрамовой нити создается электрическая дуга. Она может оплавить остатки нити. А ее фрагменты могут повредить колбу из стекла и привести к возникновению возгорания.
Предохранитель же разрушает электрическую дугу. Такое ферроникелевое звено размещается в полости, где давление равняется атмосферному. В данной ситуации дуга гаснет.
Такое строение и принцип работы обеспечили лампе накаливания широкое распространение по миру, но из-за их высокого энергопотребления и непродолжительному сроку службы, она сегодня стали использоваться гораздо реже. Связано это с тем, что появились более современные и эффективные источники света.
История открытия
В создание лампы накаливания в том виде, в котором она известна на сегодняшний день, сделали свой вклад исследователи, как из России, так и из других стран мира.
Александр Лодыгин
До момента, когда изобретатель Александр Лодыгин из России начал трудиться над разработкой ламп накаливания, в ее истории нужно отметить некоторые важные события:
- в 1809 году известный изобретатель Деларю из Англии создал свою первую лампу накаливания, оснащенную платиновой спиралью;
- через почти 30 лет в 1938 году уже бельгийский изобретатель Жобар разработал угольную модель лампы накаливания;
- изобретатель Генрих Гёбель из Германии в 1854 году уже представил первый вариант рабочего источника света.
Лампочка немецкого образца имела обугленную нить из бамбука, которая помещалась в вакуумированный сосуд. В течение пяти последующих лет Генрих Гёбель продолжал свои наработки и в конечном счете пришел к первому опытному варианту рабочей лампочки накаливания.
Первая практичная лампочка
Джозеф Уилсон Суон, знаменитый физик и химик из Англии, в 1860 году явил миру свои первые успехи в области разработки источника света и за свои результаты был вознагражден патентом. Но некоторые трудности, которые возникли с созданием вакуума, показали неэффективную и не долгосрочную работу лампы Суона.
В России, как уже отмечалось выше, исследованиями в области эффективных источников света занимался Александр Лодыгин. В России он смог добиться свечения в стеклянном сосуде угольного стержня, из которого предварительно был откачен воздух. В России история открытия лампочки накаливания началась в 1872 году. Именно в этом году Александру Лодыгины удались его эксперименты с угольным стержнем. Через два года он в России получает патент под номером 1619, который был выдан ему на нитевой вид лампы. Нить он заменил на стержень из угля, находившийся в вакуумной колбе.
Ровно через год В. Ф. Дидрихсон значительно улучшил вид лампы накаливания, созданную в России Лодыгином. Усовершенствование заключалось в замене угольного стержня на несколько волосков.
Обратите внимание! В ситуации, когда один из них перегорал, происходило автоматическое включение другого.
Джозеф Уилсон Суон, который продолжал свои попытки усовершенствовать уже имеющеюся модель источника света, получает патент на лампочки. Здесь в качестве нагревательного элемента выступало угольное волокно. Но здесь оно располагалось уже в разреженной атмосфере из кислорода. Такая атмосфера позволила получить очень яркий свет.
Вклад Томаса Эдисона
В 70-х года позапрошлого столетия в изобретательскую гонку по созданию работающей модели лампы накаливания включился изобретатель из Америки — Томас Эдисон.
Томас Эдисон
Он проводил исследования в вопросе применения в виде элемента накаливания нитей, произведенных из разнообразных материалов. Эдисон в 1879 году получает патент на лампочку, оснащенной платиновой нитью. Но через год он возвращается к уже проверенному угольному волокну и создает источник света со сроком эксплуатации в 40 часов.
Обратите внимание! Одновременно с работой по созданию эффективного источника света, Томас Эдисон создал поворотный тип бытового выключателя.
При том, что лампочки Эдисона работают всего лишь 40 часов, они начали активно вытеснять с рынка старый вариант газового освещения.
Результаты работ Александра Лодыгина
В то время, как на другом конце мира Томас Эдисон проводил свои эксперименты, в России аналогичными изысканиями продолжал заниматься Александр Лодыгин. Он в 90-х годах 19 века изобрел сразу несколько видов лампочек, нити которых были изготовлены из тугоплавких металлов.
Обратите внимание! Именно Лодыгин первым решился использовать вольфрамовую нить в качестве тела накаливания.
Лампочка Лодыгина
Кроме вольфрама он также предлагал использовать нити накаливания, изготовленные из молибдена, а также скручивать их в форме спирали. Такие свои нити Лодыгин размещал в колбах, из которых откачивался весь воздух. Вследствие таких действий нити предохранялись от кислородного окисления, что делало срок службы изделий значительно продолжительным.
Первый тип коммерческой лампочки, произведенный в Америке, содержала вольфрамовую нить и изготавливалась по патенту Лодыгина.
Также стоит отметить, что Лодыгиным были разработаны газонаполненные лампы, содержащие угольные нити и заполненные азотом.
Таким образом, авторство первой лампочки накаливания, отправленной в серийное производство, принадлежит именно российскому исследователю Александру Лодыгину.
Особенности работы лампочки Лодыгина
Для современных ламп накаливания, которые являются прямыми потомками модели Александра Лодыгина, характерны:
- отменный световой поток;
- отличная цветопередача;
Цветопередача лампы накаливания
- низкий показатель конвекции и проводимости тепла;
- температура накала нити — 3400 K;
- при максимальном уровне показателя температуры накала коэффициент для полезного действия составляет 15 %.
Кроме этого данный тип источника света в ходе своей работы потребляет много электроэнергии, по сравнению с другими современными лампочками. Из-за конструкционных особенностей такие лампы могут работать примерно 1000 часов.
Но, несмотря на то, что по многим критериям оценки данная продукция уступает более совершенным современным источникам света, она, благодаря своей дешевизне, все еще остается актуальной.
Заключение
В создании эффективной лампы накаливания участвовали изобретатели из разных стран. Но только российский ученый Александр Лодыгин смог создать самый оптимальный вариант, которым мы, собственно, и продолжаем пользоваться по сегодняшний день.
Секреты установки точечных светильников в натяжной потолок: насколько это сложно?
Электрическая лампочка накаливания является очень важным предметом в жизни человека. С помощью нее миллионы людей могут заниматься делами независимо от времени суток. В то же время прибор очень прост в исполнении: свет испускается специальной нитью накала внутри стеклянного сосуда, из которого откачан воздух, а в ряде случаев заменен на специальный газ. Нить накала выполнена из проводника с высокой температурой плавления, что делает возможным нагрев с помощью тока до видимого свечения.
Лампа накаливания общего назначения (230 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, габаритная высота ок. 110 мм
Как работает лампочка накаливания
Метод работы данного устройства так же прост, как и исполнение. Под воздействием электричества, пропускаемого сквозь тугоплавкий проводник, последний разогревается до большой температуры. Температура нагрева определяется подводимым к лампочке напряжением.
Следуя закону Планка нагретый проводник генерирует электромагнитное излучение. По формуле при смене температуры меняется и максимум излучения. Чем больше нагрев, тем короче длина волны испускаемого света. Другими словами, от величины температуры проводника накала в лампочке зависит цвет свечения. Длина волны видного спектра достигается при нескольких тысячах градусов по Кельвину. К слову, температура Солнца около 5000 Кельвин. Лампа с такой цветовой температурой будет светить дневным нейтральным светом. При уменьшении нагрева проводника излучение станет желтеть, затем краснеть.
В лампочке только доля энергии переходит в видный свет, остальная же преобразуется в тепло. Причем только часть светового излучения видна человеку, остальное же излучение является инфракрасным. Отсюда возникает потребность повышения температуры излучающего проводника, чтобы видимого света стало больше, а инфракрасного излучения – меньше (другими словами, увеличение КПД). Но максимальная температура проводника накаливания ограничена характеристиками проводника, что не позволяет разогреть ее до 5770 Кельвин.
Проводник из любого вещества при этом будет расплавляться, деформироваться или перестанет проводить ток. В настоящее время лампочки оснащаются вольфрамовыми нитями накаливания, выдерживающими 3410 градусов по Цельсию.
Одним из главных свойств лампы накаливания является температура свечения. Чаще всего она составляет от 2200 до 3000 Кельвин, что позволяет испускать только желтый свет, а не дневной белый.
Следует заметить, что на воздухе проводник из вольфрама при такой температуре сразу перейдет в оксид, во избежание чего нужно предотвратить контакт с кислородом. Для этого из колбы лампочки выкачивается воздух, чего хватает для создания 25-ваттных ламп. Более мощные лампочки содержат внутри себя инертный газ под давлением, что позволяет вольфраму служить дольше. Данная технология позволяет немного повысить температуру свечения лампы и приблизиться к дневному свету.
Устройство лампочки накаливания
Электрические лампочки немного различаются по конструкции, но к основным составляющим относятся нить излучающего проводника, стеклянный сосуд и выводы. У ламп специального назначения может не иметься цоколь, присутствовать иные держатели излучающего проводника, еще одна колба. В некоторых лампах накаливания также имеется предохранитель из ферроникеля, стоящий в разрыве одного из выводов.
Размещается предохранитель преимущественно в ножке. Благодаря ему колба не разрушается при обрыве излучающего проводника. При обрыве нити лампы появляется электрическая дуга, плавящая останки проводника. Расплавленное вещество проводника, попадая на стеклянную колбу, способно ее разрушить и спровоцировать возгорание. Предохранитель же разрушается от большого тока электрической дуги и прекращает плавление нити накала. Но ставить такие предохранители не стали ввиду малой эффективности.
Конструкция лампы накаливания: 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.
Колба
Стеклянная колба лампы накаливания защищает излучающий проводник от окисления и разрушения. Размер колбы зависит от скорости осаждения материала проводника.
Газовая среда
Первые электрические лампочки выпускались с вакуумной колбой, в наше время так изготовлены только маломощные приборы. Лампы помощнее выпускаются наполненными инертным газом. От величины газовой молярной массы зависит излучение тепла проводником накаливания. Чаще всего в колбах находится смесь аргона и азота, но может быть и просто аргон, а также криптон и даже ксенон.
Молярные массы газов:
- N2 - 28,0134 г/моль;
- Ar: 39,948 г/моль;
- Kr - 83,798 г/моль;
- Xe - 131,293 г/моль;
Отдельно стоит рассмотреть галогенные лампы. В их сосуды закачиваются галогены. Вещество проводника накаливания испаряется и вступает в реакцию с галогенами. Получившиеся соединения при большой температуре вновь разлагаются и вещество возвращается на излучающий проводник. Это свойство позволяет увеличить температуру проводника, вследствие чего возрастает КПД и длительность работы лампы. Помимо этого, использование галогенов позволяет уменьшить размер колбы. Из минусов стоит отметить маленькое сопротивление проводника накала на старте.
Нить накала
Формы излучающего проводника бывают разные, в зависимости от специфики лампочки. Чаще всего в лампочках используется нить круглого сечения, но иногда может встретиться и ленточный проводник.
Первые лампочки выпускались даже с углем, нагревающимся до 3559 градусов по Цельсию. Современные лампочки комплектуются вольфрамовым проводником, иногда – осмиево-фольфрамовым. Вид спирали неслучаен – он существенно снижает габариты проводника накала. Существуют биспирали и триспирали, полученные методом повторного закручивания. Данные типы проводника накаливания делают возможным увеличение КПД за счет уменьшения теплоизлучения.
Свойства лампочки накаливания
Лампочки выпускаются для различных целей и мест установок, чем обусловлено их различие по напряжению цепи. Величина силы тока высчитывается по закону известного Ома (напряжение делим на сопротивление), а мощность с помощью несложной формулы: напряжение умножаем на ток или напряжение в квадрате делим на сопротивление. Для изготовления лампочки накаливания нужной мощности подбирается провод с необходимым сопротивлением. Обычно используется проводник толщиной 40-50 мкм.
При старте, то есть включении лампочки в сеть, происходит бросок тока (на порядок больше номинального). Это получается за счет низкой температуры нити накала. Ведь при комнатной температуре проводник имеет небольшое сопротивление. Ток снижается до номинального только при нагреве нити накала за счет увеличения сопротивления проводника. Что касается первых угольных ламп, то там было наоборот: холодная лампочка имела большее сопротивление, чем горячая.
Цоколь
Цоколь лампы накаливания имеет стандартизированные форму и размер. Благодаря этому возможна замена лампочки в люстре или другом приборе без проблем. Наиболее популярны цоколи лампочек с резьбой, имеющие маркировки E14, E27, E40. Цифры после буквы «Е» обозначает внешний диаметр цоколя. Существуют и цоколи лампочек без резьбы, удерживаемые в патроне силой трения или другими приспособлениями. Лампочки с цоколями Е14 чаще требуются при замене старых в люстрах или торшерах. Цоколь Е27 используется повсеместно – в патронах, люстрах, специальных приборах.
Обратите внимание, что в Америке напряжение цепи 110 вольт, поэтому они пользуются цоколями, отличными от европейских. В американских магазинах найдутся лампочки с цоколями Е12, Е17, Е26 и Е39. Сделано это затем, чтобы случайно не спутать европейскую лампочку, рассчитанную на 220 вольт и американскую на 110 вольт.
Коэффициент полезного действия
Энергия, подводимая к лампочке накаливания тратится не только на производство видного спектра света. Часть энергии тратится на испускание света, часть превращается в тепло, но самая большая доля тратится на инфракрасный свет, недоступный человеческому глазу. При температуре проводника накаливания 3350 Кельвин КПД лампочки всего 15%. А стандартная 60-ваттная лампа с температурой свечения 2700 Кельвин имеет КПД около 5%.
Естественно, КПД лампочки прямо зависит от степени нагрева излучающего проводника, но при более сильном нагреве нить не прослужит долго. При температуре проводника в 2700К лампочка будет светить около 1000 часов, а при нагреве до 3400К срок службы сокращается до нескольких часов. При поднятии напряжения питания лампы на 20% сила свечения увеличится примерно до 2 раз, а срок работы уменьшится аж до 95%.
Для повышения срока работы лампочки следует понизить напряжение питания, но с этим понизится и КПД прибора. При последовательном подключении лампочки накаливания будут работать до 1000 раз дольше, но их КПД окажется в 4-5 раз меньше. В некоторых случаях такой подход имеет смысл, к примеру, на лестничных пролетах. Большая яркость там не обязательна, а вот срок службы лампочек должен быть немалым.
Для достижения данной цели последовательно с лампочкой нужно включить диод. Полупроводниковый элемент позволит отсечь ток половины периода, протекающий по лампе. В результате мощность снижается наполовину, а за ней и напряжение снижается примерно в 1,5 раза.
Однако, такой способ подключения лампы накаливания невыгоден со стороны экономики. Ведь такая цепь будет потреблять больше электроэнергии, что делает выгоднее замену сгоревшей лампочки новой, нежели потраченные киловатт-часы на продление жизни старой. Поэтому для запитки лампочек накаливания подается напряжение, немного побольше номинального, что позволяет экономить электроэнергию.
Сколько служит лампа
Длительность эксплуатации лампы снижается многими факторами, например, испарением вещества с поверхности проводника или дефектами проводника накала. При разном испарении материала проводника появляются участки нити с большим сопротивлением, обуславливающим перегрев и еще интенсивнее испарение вещества. Нить накала под действием такого фактора истончается и местно целиком испаряется, чем обуславливается сгорание лампы.
Сильнее всего проводник накала изнашивается при запуске из-за броска тока. Во избежание этого применяются приборы плавного запуска лампы.
Вольфрам характеризуется удельным сопротивлением вещества в 2 раза большим, чем, например, алюминий. При подсоединении лампы в сеть ток, протекающий по ней, на порядок больше номинального. Броски тока и являются причиной перегорания лампочек накаливания. Для защиты цепи от бросков тока в лампочках иногда стоит предохранитель.
При внимательном рассмотрении электрической лампочки плавкий предохранитель виден более тонким проводником, идущим к цоколю. При включении в сеть обычной электрической 60-ваттной лампочки мощность нити накала может достигать 700 ватт и выше, а при включении 100-ваттной – более 1 киловатта. При нагреве излучающий проводник увеличивает сопротивление и мощность уменьшается до нормы.
Чтобы обеспечить плавный запуск лампы накаливания, можно воспользоваться терморезистором. Коэффициент температурного сопротивления такого резистора должен быть отрицателен. При включении в цепь терморезистор холодный и обладает большим сопротивлением, поэтому лампочка не получит полное напряжение до прогрева данного элемента. Это только основы, тема плавного подлючения лампочек накаливания огромная и требует более глубокого изучения.
| Тип | Относительная световая отдача % | Световая отдача (Люмен/Ватт) |
|---|---|---|
| Лампа накаливания 40 Вт | 1,9 % | 12,6 |
| Лампа накаливания 60 Вт | 2,1 % | 14,5 |
| Лампа накаливания 100 Вт | 2,6 % | 17,5 |
| Галогенные лампы | 2,3 % | 16 |
| Галогенные лампы (с кварцевым стеклом) | 3,5 % | 24 |
| Высокотемпературная лампа накаливания | 5,1 % | 35 |
| Абсолютно чёрное тело при 4000 K | 7,0 % | 47,5 |
| Абсолютно чёрное тело при 7000 K | 14 % | 95 |
| Идеально белый источник света | 35,5 % | 242,5 |
| Источник монохроматического зелёного света с длиной волны 555 нм | 100 % | 683 |
Благодаря таблице, которая приведена ниже, можно приблизительно узнать соотношение мощности и светового потока для обычной лампочки «груши» (цоколь E27, 220 В).
| Мощность (Вт) | Световой поток (лм) | Световая отдача (лм/Вт) |
|---|---|---|
| 200 | 3100 | 15,5 |
| 150 | 2200 | 14,6 |
| 100 | 1200 | 13,6 |
| 75 | 940 | 12,5 |
| 60 | 720 | 12 |
| 40 | 420 | 10,5 |
| 25 | 230 | 9,2 |
| 15 | 90 | 6 |
Какие бывают лампочки накаливания
Как упоминалось выше, из сосуда лампы накаливания откачан воздух. В некоторых случаях (например, при маленькой мощности) колбу так и оставляют вакуумной. Но гораздо чаще лампа наполнена специальным газом, который продляет длительность работы нити накаливания и улучшает светоотдачу проводника.
По типу заполнения сосуда лампочки делят на несколько видов:
Вакуумные (все первые лампочки и маломощные современные)
Аргоновые (в ряде случаев заполняются смесью аргон+азот)
Криптоновые (данный тип лампочек на 10% сильнее светит, чем вышеупомянутые лампы с аргоном)
Ксеноновые (в таком исполнении лампы светят уже в 2 раза сильнее, чем лампы с аргоном)
Галогеновые (в сосуды таких лампочек помещают йод, возможно, бром, позволяющие светить аж в 2,5 раза сильнее все тех же аргоновых. Данный тип лампочек является долговечным, но требует хорошего накала нити для работы цикла галогенов)
Ксенон-галогенные (такие лампы наполняют смесью ксенона с йодом или бромом, считающимся лучшим газом для лампочек, потому что светит такой источник в 3 раза ярче стандартной аргоновой лампы)
Ксенон-галогеновые с ИК отражателем (огромная доля свечения лампочек накаливания находится в ИК секторе. Отражая его обратно, можно существенно увеличить КПД лампы)
Лампы с проводником накаливания с преобразователем ИК излучения (на стекло колбы наносится спецлюминофор, излучающий при разогреве видный свет)
Плюсы и минусы ламп накаливания
Как и у прочих электроприборов, у лампочек существует масса плюсов с минусами. Именно поэтому часть людей пользуются данными источниками света, а другая часть сделала выбор в пользу более современных осветительных приборов.
Плюсы:
Хорошая цветопередача;
Масштабное налаженное производство;
Низкая стоимость изделия;
Небольшие размеры;
Простота исполнения без лишних узлов;
Стойкость к радиации;
Имеет только активное сопротивление;
Мгновенный пуск и перезапуск;
Стойкость к перепадам напряжения и сбоям в сети;
В составе нет химически вредных веществ;
Работа как от переменного, так и от постоянного тока;
Отсутствие полярности входов;
Возможно производство под любое напряжение;
Не мерцает от переменного тока;
Не гудит от переменного тока;
Полный световой спектр;
Привычный и удобный цвет свечения;
Стойкость к импульсам электромагнитного поля;
Возможно подключение регулировки яркости;
Свечение при заниженных и завышенных температурах, стойкость к образованию конденсата.
Минусы:
- Заниженный световой поток;
Короткая длительность работы;
Чувствительность к дрожанию и ударам;
Большой скачок тока при пуске (на порядок выше номинального);
При разрыве проводника накала возможно разрушение колбы;
Срок работы и поток света зависит от напряжения;
Пожароопасность (полчаса свечения лампы накаливания разогревает ее стекло в зависимости от величины мощности: 25вт до 100 градусов по Цельсию, 40вт до 145 градусов, 100вт до 290 градусов, 200вт до 330 градусов. При контакте с тканью нагрев становится более интенсивным. 60- ваттная лампочка может, например, поджечь солому через час работы.);
Необходимость термостойких патронов и крепежей лампы;
Маленький КПД (соотношение силы видимого излучения к объему потребляемой электроэнергии);
Несомненно, главным плюсом лампы накаливания становится ее низкая стоимость. С распространением люминесцентных и, тем более, светодиодных лампочек ее популярность существенно снизилась.
А знаете ли Вы как создаются лампы накаливания? Нет? Тогда вот вам ознакомительное видео от Discovery
И помните лампочка, засунутая в рот, назад не вылезет, поэтому не стоит этого делать. 🙂
В лампе накаливания используется эффект нагревания тела накаливания при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накаливания повышается после замыкания электрической цепи. Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля, излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Спектральная плотность мощности излучения (Функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 °C (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению абсолютно чёрного тела с температурой поверхности фотосферы Солнца 5770 . Однако не известны твердые вещества, способные без разрушения выдержать температуру фотосферы Солнца, поэтому рабочие температуры нитей ламп накаливания лежат в пределах 2000-2800 °C. В телах накаливания современных ламп накаливания применяется тугоплавкий и относительно недорогой вольфрам (температура плавления 3410 °C), рений (температура плавления примерно та же, но выше прочность при пороговых температурах) и очень редко осмий (температура плавления 3045 °C). Поэтому спектр ламп накаливания смещён в красную часть спектра. Только малая доля электромагнитного излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение . Чем меньше температура тела накаливания, тем меньшая доля энергии , подводимой к нагреваемой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение , и тем более «красным» кажется излучение.
Для оценки физиологического качества светильников используется понятие цветовой температуры . При типичных для ламп накаливания температурах 2200-2900 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен для человека и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма (нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье).
В атмосферном воздухе при высоких температурах вольфрам быстро окисляется в триоксид вольфрама (образуя характерный белый налёт на внутренней поверхности лампы при потере ею герметичности). По этой причине, вольфрамовое тело накала помещают в герметичную колбу, из которой, в процессе изготовления лампы откачивается воздух и заполняется инертным газом - обычно аргоном . На заре индустрии ламп их изготавливали с вакууммированными колбами; 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 уменьшает скорость испарения вольфрамовой нити. Это не только увеличивает срок службы лампы, но и позволяет повысить температуру тела накаливания. Таким образом, световой КПД повышается, а спектр излучения приближается к белому. Внутренняя поверхность колбы газонаполненной лампы медленнее темнеет при распылении материала тела накала в процессе работы, как у вакуумированной лампы.
Все чистые металлы и их многие сплавы (в частности, вольфрам) имеют положительный температурный коэффициент сопротивления , что означает увеличение электрического удельного сопротивления с ростом температуры. Эта особенность автоматически стабилизирует электрическую потребляемую мощность лампы на ограниченном уровне при подключении к (источнику с низким выходным сопротивлением), что позволяет подключать лампы непосредственно к электрическим распределительным сетям без использования ограничивающих ток балластных реактивных или активных двухполюсников , что экономически выгодно отличает их от газоразрядных люминесцентных ламп . Для нити накаливания осветительной лампы типично сопротивление в холодном состоянии в 10 раз меньше, чем в нагретом до рабочих температур.
Для изготовления обычной лампочки требуется как минимум 7 металлов .
Конструкция
Конструкции ламп 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. Крючки-держатели тела накала ламп накаливания (в том числе ламп накаливания общего назначения) изготовляются из молибдена . 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. В настоящее время отказываются от применения предохранителей из-за их малой эффективности.
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).
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении через тело накала 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 растёт) 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.
Разновидности
Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):
- Вакуумные (самые простые)
- Аргоновые (азот-аргоновые)
- Криптоновые
- Ксенон-галогенные с отражателем ИК-излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК-диапазон, то отражение ИК-излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
- Накаливания с покрытием, преобразующим ИК-излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.
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 около 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 счёт 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
- коммутаторные лампы - разновидность сигнальных ламп. Они служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первое число означает рабочее напряжение в вольтах, второе - силу тока в миллиамперах;
- Фотолампа , перекальная лампа - разновидность лампы накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу (до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру (3300-3400 К, по сравнению с 2700 К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой эффективности. В фотолабораториях обычно осуществлялось питание таких ламп в двух режимах:
- Проекционные лампы - для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
- Двухнитевые лампы . В автомобиле - может быть у лампы переднего света одна нить для дальнего света, другая для ближнего, или, к примеру, одна нить для габаритного огня, другая для стоп-сигнала. Кроме того, такие лампы могут содержать экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей. В самолёте посадочно-рулёжная фара имеет основную нить, на которой лампа работает без внешнего охлаждения и дополнительную, включаемую вместе с основной, позволяя получить более мощный свет, но только при внешнем охлаждении - обдуве набегающим потоком воздуха. В звёздах Московского Кремля используются специально сконструированные двухнитевые лампы, обе нити включены параллельно.
- Лампа-фара . Лампа сложной специальной конструкции, применяемая на подвижных объектах, фигурная колба которой выполнена в виде части корпуса фары с отражателем. Конструктивно содержит в себе нить(и) накала, отражатель, рассеиватель, элементы крепления, клеммы и т. д. Лампы-фары широко применяются в современной автомобильной технике и уже достаточно давно в авиации.
- Малоинерционная лампа накаливания , лампа накаливания с тонкой нитью - использовалась в системах оптической записи звука методом модуляции яркости источника и в некоторых экспериментальных моделях Фототелеграфа . Благодаря малой толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения, модулированного сигналом звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц), приводила к изменению яркости в соответствии с мгновенным напряжением сигнала . С начала XXI века не находят применения благодаря наличию намного более долговечных твердотельных излучателей света и намного менее инерционных излучателей других типов.
- Нагревательные лампы - основной источник тепла в блоках термозакрепления лазерных принтеров и копировальных аппаратов . Лампа цилиндрической формы неподвижно устанавливается внутри вращающегося металлического вала, к которому прижимается бумага с нанесённым тонером . За счёт тепла, передающегося от вала, тонер расплавляется и впрессовывается в структуру бумаги.
- Лампы специального спектра излучения . Применяются в разнообразной технике.
История изобретения
Перегоревшую лампу, колба которой сохранила целостность, а нить разрушилась лишь в одном месте, можно починить путём встряхиваний и поворотов, таких, чтобы концы нити вновь соединились. При прохождении тока концы нити могут сплавиться и лампа продолжит работу. При этом однако может выйти из строя (расплавиться/обломиться) предохранитель, входящий в состав лампы.
Последовательное подключение
При последовательном подключении ламп накаливания сильно снижается их световая эффективность и меняется цветовая температура. Данный способ используется с целью продлить срок службы ламп или получить освещение более низким накалом (например, при создании интерьера под старину). Для освещения хорошо использовать подключение по две лампы последовательно, но и три лампы могут дать достаточный свет. Данные виды освещения крайне неэффективны и скорее могут найти применение в качестве источников тепла, когда свет от ламп нежелателен (например, при обогреве лампами картофеля в погребе). Ниже приводятся параметры ламп накаливания при последовательном подключении.
Данные приводятся относительно стандартных ламп 95Вт со светоотдачей 13,8лм/Вт (1311лм) и температурой тела накала 2700°C (на практике может быть ниже) при которой пик излучения приходится на длину волны 975нм.
Две лампы 1870°C (жёлтый свет), 2,75лм/Вт, одна лампа 33,25Вт 91,4лм, две 66,5Вт 183лм. Пик излучения 1352нм. Срок службы 35-45 тыс. часов.
Три лампы 1480°C (жёлто-оранжевый свет), 0,845лм/Вт, одна лампа 18,07Вт 15,27лм, три 54,2Вт 45,8лм. Пик излучения 1653нм. Срок службы 250-350 тыс. часов (практически не ограничен).
Четыре лампы 1250°C (оранжевый свет), 0,195лм/Вт, одна лампа 11,74Вт 2,29лм, четыре 46,94Вт 9,15лм. Пик излучения 1903нм. Срок службы не ограничен.
Пять ламп 1090°C (красновато-оранжевый свет), ≈0,044лм/Вт, одна лампа 8,5Вт ≈0,374лм, пять 42,49Вт ≈1,87лм. Пик излучения 2126нм. Срок службы не ограничен.
Шесть ламп 960°C (красно-оранжевый свет), светоотдача в пределах ≈0,0075-0,011лм/Вт, одна лампа 6,52Вт, шесть 39,12Вт. Пик излучения 2350нм. Срок службы не ограничен.
Как видно из параметров, освещение возможно двумя или тремя лампами последовательно, если использовать подключение по четыре лампы, то для получения приемлемого света нужно использовать мощные промышленные лампы накаливания. Подключения по четыре, пять и шесть ламп последовательно удобны, когда лампы используются как обогреватели воздуха. Если лампы используются как замена свечного освещения, то подключение по две последовательно по цвету примерно соответствует пламени парафиновой свечи, а подключение по три близко по цвету к пламени масляной лампы (в сочетании с низким световым потоком данное подключение очень хорошо имитирует огонь). Четыре лампы последовательно удобны для создания света углей в камине, так как дают очень похожий свет. Следует заметить, что при слабом накале и малой мощности ламп они нагреваются достаточно сильно, так как из-за снижения температуры тела накала излучаемое инфракрасное излучение смещается в длинноволновую область и значительный его процент задерживается стеклом колбы, которое становится непрозрачным после 2700нм.
Также выпускаются лампы, специально предназначенные для включения последовательно. Например, на старых вагонах метро для освещения салона последовательно включалось по 15 ламп на напряжение 50 В (что в сумме даёт 750 В - напряжение на контактном рельсе); конструкция таких ламп включает специальное самозакорачивающее устройство, благодаря которому при перегорании одной лампы остальные продолжают гореть.
Преимущества и недостатки ламп накаливания
Преимущества
- низкая цена
- небольшие размеры
- невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
- мгновенное зажигание и перезажигание
- незаметность мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях)
- возможность использования регуляторов яркости
- приятный и привычный в быту спектр; спектр излучения лампы накаливания определяется исключительно температурой рабочего тела и не зависит ни от каких иных условий, что следует из принципа её работы. Он не зависит от применяемых материалов и их чистоты, стабилен во времени и имеет стопроцентную предсказуемость и повторяемость. Это важно в том числе при больших инсталляциях и в светильниках из сотен ламп: нередко можно увидеть, когда при применении современных люминофорных или светодиодных ламп они имеют разный цветовой оттенок в пределах группы. Это уменьшает эстетическое совершенство инсталляций. При неисправности одной лампы часто приходится заменять всю группу целиком, но даже при установке ламп из одной партии встречается девиация спектра
- высокий индекс цветопередачи , Ra 100
- непрерывный спектр излучения
- резкие тени (как при солнечном освещении) благодаря малому размеру излучающего тела
- не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату
- налаженность в массовом производстве
- возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
- отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
- отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
- возможность работы на любом роде тока
- нечувствительность к полярности напряжения
- чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
- отсутствие гудения при работе на переменном токе (ввиду отсутствия электронного балласта, драйвера или преобразователя)
- при работе не создаёт радиопомехи
- устойчивость к электромагнитному импульсу
- нечувствительность к ионизирующей радиации
Недостатки
Производство
Ограничения импорта, закупок и производства
В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные , светодиодные , индукционные и др.) лампы.
В России
2 июля 2009 года на заседании в Архангельске президиума Государственного совета по вопросам повышения энергоэффективности Президент Российской Федерации Д. А. Медведев предложил запретить в России продажу ламп накаливания .
23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Государственной думой и утверждённый Советом федерации закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» . Согласно документу, с 1 января 2011 года на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд; с 1 января 2013 года может быть введён запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года - мощностью 25 Вт и более.
Данное решение является спорным. В поддержку его приводятся очевидные доводы сбережения электроэнергии и подталкивания развития современных технологий. Против - соображение, что экономия на замене ламп накаливания полностью сводится на нет повсеместно распространённым устаревшим и энергонеэффективным промышленным оборудованием, линиями электропередачи, допускающими большие потери энергии, а также относительно высокой стоимостью компактных люминесцентных и светодиодных ламп, малодоступных для беднейшей части населения. Кроме того, в России отсутствует налаженная система сбора и утилизации отработавших люминесцентных ламп, что не было учтено при принятии закона, и в результате чего ртутьсодержащие люминесцентные лампы бесконтрольно выбрасываются. Большинство потребителей не знает о наличии в люминесцентной лампе ртути, так как это не указано на упаковке, а вместо «люминесцентная» написано «энергосберегающая». В условиях низких температур многие «энергосберегающие» лампы оказываются неспособными запуститься. Люминесцентные энергосберегающие лампы неприменимы в прожекторах направленного света, так как светящееся тело в них в десятки раз крупнее нити накаливания, что не даёт возможности узкой фокусировки луча. В силу своей дороговизны «энергосберегающие» лампы чаще становятся объектом кражи из общедоступных мест (например, подъездов жилых домов), такие кражи наносят более весомый материальный ущерб, а в случае вандализма (повреждение люминесцентной лампы из хулиганских побуждений) - возникает опасность загрязнения помещения парами ртути.
Одним из самых первых электрических источников света стала легендарная лампа накаливания. Ее патент был принят в 1879 году. С тех пор долгое время этот прибор применялся человечеством во многих сферах деятельности. Однако сегодня лампа накаливания постепенно отходит в прошлое. На смену ее пришли более экономичные источники освещения.
Существуют определенные преимущества и недостатки, которыми характеризуются этих устройств, а также способы их применения и разновидности заслуживают подробного рассмотрения. Также сравнительная характеристика их с другими, применяемыми сегодня осветительными приборами, позволит сделать выводы о целесообразности применения ламп накаливания.
Устройство лампы
Светильники с характеристики которых будут рассмотрены подробно далее, раньше встречались практически в каждом доме. Применение этих приборов было очень простым и удобным. Устройство лампы накаливания понять легко. Она состоит из стеклянной колбы, внутри которой находится нить из вольфрама. Эта емкость может быть наполнена газом или вакуумом.
Вольфрамовая нить располагается на особых электродах, через которые к ней подводится электричество. Эти проводники скрыты цоколем. Он имеет резьбу, благодаря чему лампу легко вкручивать в патрон. При подаче электричества по сети через цоколь ток подводится к вольфрамовой нити. Она накаляется. При этом в окружающую среду посылается свет. По такому принципу работают все лампы накаливания. Существует огромное количество их разновидностей.
Основные характеристики
Определенные свойства имеют лампы накаливания. Характеристики этих приборов измеряются по разным показателям. Диапазон мощности этих приборов, предназначенных для бытовых целей, составляет от Для уличного освещения и промышленного назначения могут применяться лампы до 1000 Вт.
В процессе работы вольфрамовая нить накаливается до 3000 °С. Отдача светового потока при этом может варьироваться от 9 до 19 Лм/Вт. При этом прибор может работать при номинальном напряжении 220-230 В. Некоторые устройства рассчитаны на 127 В сети. Частота составляет 50 Гц.
Размер цоколя у подобных приборов может быть 3 типов. Это указывается в маркировке. Если он составляет 14 мм, это Соответственно 27 мм - это Е27, а 40 мм - Е40. Чем больше цоколь, тем большая мощность характерна для прибора освещения. Он может быть резьбовым, штифтовым, одно- или двуконтакным.
В обычных условиях лампы накаливания работают около 1 тыс. часов.
Разновидности
Лампы накаливания, технические характеристики которых были рассмотрены выше, бывают нескольких видов. Существует несколько принципов, по которым классифицируют представленные устройства.
Прежде всего, лампы накаливания различают по Она может быть шарообразная (самая распространенная), трубчатая, цилиндрическая, шароконическая. Существуют и другие, более редкие разновидности. Их применяют для создания определенного декоративного эффекта (например, в елочных гирляндах).
Покрытие колбы может быть прозрачным или матовым. Существуют также зеркальные разновидности. Назначение лампы также довольно разнообразно. Она может применяться для общего или местного освещения, а также в специальных нуждах (например, кварцевогалогенные виды).
Вольт-амперная характеристика
Является нелинейной. Это объясняется тем, что сопротивление нити накала зависит от температуры и тока. Нелинейность при этом носит восходящий характер. Чем ток больше, тем сильнее сопротивление вольфрамового проводника.
Кривая имеет восходящий вид, потому что динамическая величина сопротивления положительна. В любой ее точке чем выше прирост тока, тем больше падает напряжение. Это способствует автоматическому образованию устойчивого режима. При постоянной величине напряжения ток не может быть изменен из-за внутренних причин.
Вольт-амперные характеристики показывают, что благодаря всем перечисленным закономерностям лампа накаливания может включаться прямо на сетевое напряжение.
Постоянный источник питания
Которых позволяют их использовать в бытовых целях, чаще всего питаются от постоянного источника электричества. Его еще принято считать ресурсом неограниченной мощности. Поэтому зачастую напряжение сети считается номинальным напряжением лампы накаливания.
Но стоит отметить, что довольно часто напряжение в сети и его номинальное значение несколько отличается. Поэтому чтобы улучшить эксплуатационные характеристики осветителей был разработан ГОСТ 2239-79. Он вводит 5 интервалов напряжения питания. Ему должны соответствовать применяемые в бытовых целях лампы накаливания.
Ограниченные источники питания
Лампы накаливания, характеристики которых рассчитаны для применения в специальных устройствах, могут питаться от ограниченных источников (батарея, аккумулятор, генератор и т. д.).
Их среднее фактическое напряжение не соответствует номинальному значению. Поэтому для ламп накаливания, питающихся от ограниченных источников тока, применяется такой показатель, как расчетное напряжение. Оно равняется среднему значению, при котором допускается эксплуатировать лампу накаливания.
Маркировка
Чтобы понимать, какой тип лампы представлен в продаже, была разработана специальная маркировка этих изделий. Чтобы правильно выбрать соответствующий тип устройства, следует ознакомиться с общепринятыми условными обозначениями.
Например, аргоновая биспиральная лампа накаливания 60 Вт, характеристики которой позволяют применять ее в бытовых целях, будет маркироваться, как Б235-245-60. Первая буква означает физические качества или особенности конструкции изделия. Если в маркировке есть вторая буква - это назначение лампы. Она может быть железнодорожной (Ж), самолетной (СМ), коммутаторной (КМ), автомобильной (А), прожекторной (ПЖ).
Первая цифра в маркировке обозначает напряжение и мощность. Второе числовое значение - доработка. Это позволяет правильно подобрать лампу для того или иного осветительного прибора.
Преимущества
Лампы накаливания и светодиодные, сравнительные характеристики которых сравнивают при покупке того или иного устройства, довольно различны. Преимуществом приборов с вольфрамовой нитью является их дешевая стоимость. Существует еще ряд особенностей, которыми лампы накаливания выгодно отличаются от светодиодных, люминесцентных источников света.
Представленные устройства, применяемые ранее, стабильно работают при низких температурах. Также они не боятся небольших скачков электричества в сети. Это позволяет эксплуатировать их довольно длительное время.
Если напряжение по каким-то причинам снижается, лампа накаливания все равно будет работать, хоть и с меньшей интенсивностью. Также такие приборы не боятся высокой влажности. Их легко подключать к сети, для этого не требуется никакого дополнительного оборудования.
Если лампа накаливания разобьется, в воздух не попадут опасные вещества (как это случается с энергосберегающими разновидностями осветителей). Поэтому они считаются более безопасными.
Недостатки
Однако и довольно существенные недостатки содержит характеристика ламп накаливания. Люминесцентных ламп , а также диодных разновидностей осветительных приборов сегодня применяется гораздо больше по нескольким причинам.
В первую очередь существенным минусом устройств с вольфрамовой нитью является низкий уровень световой отдачи. В спектре излучения преобладают желтые, красные оттенки. Это придает неестественности освещению.
В сравнении с новыми лампами, принцип накаливания характеризуется низким ресурсом работы. При отклонениях в номинальном напряжении сети он сокращается еще больше.
Колба лампы накаливания довольно хрупкая. Ее по этой причине применяют чаще всего с плафоном. А это дополнительно снижает степень интенсивности освещения внутри помещения.
Также лампы накаливания потребляют значительно больше электроэнергии. По сравнению с люминесцентными, светодиодными разновидностями это отклонение действительно впечатляет. Поэтому в целях экономии энергоресурсов следует выбирать новые разновидности устройств. Это способствует постепенному прекращению выпуска ламп накаливания.
Несмотря на активное наступление энергосберегающих лампочек, лампы накаливания так и остаются на сегодняшний день самым распространенным источником света. Принципиальная конструкция электрической лампы накаливания не меняется уже более 100 лет и состоит из цоколя, контактных проводников и стеклянной колбы, ограждающей тонкую спираль нити накала от воздействия окружающей среды. Принцип работы ламп накаливания основан на оптическом излучении, получаемом от разогретого до высокой температуры проводника, находящегося в инертной среде.
История
Первый электрический источник света – электрическая дуга была зажжена в 1802 г русским ученым В.В. Петровым. В качестве источника тока он использовал огромную аккумуляторную батарею из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, "вольтовой". Петров использовал пару угольных стержней, подключенных к разным полюсам гальванической батареи. При сближении концов стержней на близкое расстояние, происходил пробой воздушного промежутка электрическим разрядом, концы стержней при этом раскалялись добела, и между ними появилась огненная дуга. Использовать такую лампу было тяжело - угольные стержни сгорали быстро и неравномерно, а дуга выдавала слишком жаркий и яркий свет.
Александр Николаевич Лодыгин в 1872 году подал заявку, а затем получил патент (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство - лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал сначала в России, а затем также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В 1875 г лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге, который удостоился чести стать первым в мире магазином с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. Лампочки Лодыгина служили около двух месяцев, пока не сгорали угольки (в новой лампе Лодыгина таких угольков было четыре -когда один уголек перегорал, на его место заступал другой).
Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. «Свечи» Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть «la lumiere russe» - «русский свет».
Тем не менее изобретателем современной электрической лампочики называют Томаса Эдисона. 1 января 1880 г. в Менло-Парке (США) была проведена демонстрация электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном, на которой присутствовали три тысячи человек. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования: он добился значительно удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая.
Эдисоном был сконструирова всем известный резьбовой цоколь современных ламп, который назван в его честь. В наши дни от полного названия сохранилась только первая буква "E" в его обозначении. Кроме того, Эдисон предложил и систему производства и распределения электроэнергии для освещения.
Совершенствование лампы накаливания идет и по сей день. Вместо угля нити накала стали изготавливать из термостойких металлов - сначала из осмия и тантала, а затем и из вольфрама. Для снижения испарения и повышения прочности начиная с 1910-х годов, металлическую нить научились закручивать в одинарные и многократно повторяющиеся спирали. Для того, чтобы испарения металла не оседали на стекле колбы ее стали наполнять азотом или инертными газами.
Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с первоначальных 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до привычного теперь значения 1000 ч. Развитие теплового принципа получения света нашло применение в галогенных лампах накаливания.
-
Примечание. Почему светится раскаленный металл? Согласно квантовой теории, если электрону любым способом сообщить достаточную энергию, то он перейдет на более высокий энергетический уровень, a через 10 –13 с вернется в исходное основное состояние, испустив при этом фотон. Этим фактом обусловлено не только свечение раскаленного металла, но и «холодная» флюоресценция светляков, в которых электроны возбуждаются за счет энергии расщепления АТФ, а также свечение люминофоров, побывавших на солнце, испускающих зеленый свет в темноте.
Техническая информация
Световая отдача ламп накаливания относительно невысока. Она является самой низкой среди современных электрических ламп и лежит в интервале от 4 до 15 лм/Вт. Высокая яркость нити накала в сочетании с ее миниатюрными размерами позволяет использовать лампы накаливания в оптических системах и прожекторах. Лампы накаливания обладают широким диапазоном номинальных напряжений и мощностей. Этот вид ламп может работать в широком диапазоне температур окружающей среды, который ограничен лишь термостойкостью материалов, используемых при ее изготовлении (-100...+300°С). Световой поток ламп накаливания регулируется изменением рабочего напряжения, что может быть достигнуто светорегулятором (диммером) любой конструкции.
При этом недостатком является высокая рабочая температура и количество выделяемого при работе тепла. Лампы накаливания чувствительны к попаданию воды, поскольку из-за резкого охлаждения части стеклянной колбы произойдет ее разрушение, и потенциально пожароопасны из-за высокой рабочей температуры.
На сегодняшний день в мире отмечается устойчивая тенденция к снижению доли ламп накаливания в общем объеме осветительных приборов. В профессиональном секторе рынка светотехники развитых стран эта доля уже сегодня не превышает 10%, вытесняясь более экономичными галогенными и светодиодными осветительными устройствами.
