Устройство лампы накаливания. Оценка элементов конструкции и технических характеристик ламп накаливания

18.04.2019

Сегодня сложно представить жизнь людей без электрической лампы. Этот довольно простой прибор используется для освещения различных помещений и улиц. Существует большое количество видов лампочек, отличающихся мощностью свечения и принципом работы. В последнее время все чаще пользователи обращают внимание на энергосберегающие устройства, но и обычная лампа накаливания не спешит сдавать позиции.

Принцип действия

Принцип работы лампы накаливания довольно прост , как и конструкция этого устройства. Электроток проходит через тугоплавкий проводник и разогревает его до высокой температуры. Следует заметить, что температура нагрева зависит от подведенного к устройству напряжения. В соответствии с законом Планка, разогретый проводник способен генерировать электромагнитные волны.

Чем выше температура, тем короче длина волны испускаемого излучения. Волны видимого спектра появляются при нагреве проводника до нескольких тысяч градусов по шкале Кельвина. Если спираль электрической лампочки нагреть до 5000 К, то она будет светиться нейтральным светом (аналогично тому, что излучает Солнце). По мере снижения температуры цвет свечения начнет меняться сначала на желтый, а затем на красный.

В лампах преобладающая часть энергии трансформируется в тепловую и лишь незначительное ее количество преобразуется в световой поток. Также следует помнить, что органы зрения человека способны воспринимать только определенный диапазон световых волн. Чтобы увеличить освещенность помещения, приходится повышать температуру спирали. Однако это возможно лишь до определенного показателя, который ограничен свойствами материала проводника.

Таким образом, максимальная температура лампочки составляет 3410 градусов по шкале Цельсия. Дальнейший нагрев вольфрама приведет к деформации и расплавлению материала. Однако даже такая температура может быть достигнута только при определенных условиях окружающей среды. Если вольфрам контактирует с кислородом, то он превращается в оксид. Когда из колбы выкачивается воздух, появится возможность создать лампу мощностью максимум в 25 Вт. Более мощные устройства содержат в колбе инертные газы.

Особенности конструкции

Хотя лампы и отличаются конструкцией, они имеют три общих элемента - выводы, проводник и стеклянную колбу. У некоторых устройств специального назначения может отсутствовать цоколь, так как используются держатели другого типа. Также иногда в лампочки встраивается ферроникелевый предохранитель. Чаще всего он монтируется в ножке, поэтому после выхода из строя проводника колба не разрушается.

Когда нить накала обрывается, появляется электродуга, которая расплавляет остатки материала. Вещество в расплавленном состоянии падает на стеклянную емкость и может нарушить ее целостность. Предохранитель способен предотвратить процесс плавления спирали. Однако такая технология не получила широкого распространения по причине малой эффективности.

Если говорить о том, из чего состоит лампочка, то необходимо отметить основные элементы конструкции. К ним относятся:

колба, изготовленная из стекла;
излучающий проводник;
электроды;
цоколь;
газовая среда;
держатели излучающего проводника.

Колба и газовая среда

Благодаря стеклянной емкости нить накаливания защищена от процесса окисления, возникающего при взаимодействии материала излучающего проводника с кислородом. Первые электрические лампы накаливания производились с вакуумной колбой. Сейчас по такой технологии выпускаются только устройства малой мощности. Для производства более мощных устройств чаще всего используется азотно-аргонная смесь или один аргон. Также в колбах некоторых ламп может содержаться ксенон либо криптон. Показатель теплового излучения материала нити накаливания зависит от молярной массы газа.

Отдельной группой являются галогенные лампочки, в стеклянную емкость которых закачан газ группы галогенов. При нагреве материал излучающего проводника испаряется и вступает в реакцию с этими газами. Получившееся во время химического процесса вещество быстро расщепляется под воздействием высокой температуры и возвращается на нить накала. В результате не только повышается КПД устройства, но и увеличивается срок его эксплуатации.

Излучающий проводник

Форма нити накала может быть любой и зависит от специфики устройства. Чаще всего в обычной лампочке проводник имеет круглое сечение, но можно встретить и ленточное. Следует заметить, что в первых лампах использовался даже уголь , способный нагреться до температуры 3559 градусов по шкале Цельсия. Однако в современных приборах основным материалом нити накаливания является вольфрам.

Также этот элемент может быть изготовлен из сплава осмия с вольфрамом. Выбор вида спирали не является случайным, так как от этого зависят ее габариты. В современных лампах могут использоваться биспирали и даже триспирали. Они получаются благодаря повторному закручиванию. Это позволяет увеличить КПД устройства благодаря снижению показателя тепловыделения.

Цоколь лампы

Этот элемент стандартизован и имеет определенную форму и габариты. В результате можно легко заменить лампочку после ее выхода из строя. Сегодня чаще всего используются устройства с цоколем Е14 , Е27, а также Е40. Расшифровка этой маркировки крайне проста - цифры после литеры Е указывают на наружный диаметр элемента.

Так как сейчас существует большое количество видов ламп, то некоторые из них отличаются конструкцией цоколя. Например, есть приборы, которые удерживаются в патроне благодаря силе трения. Также следует заметить, что цоколь в устройстве лампы накаливания выполняет следующие функции:

соединяет несколько элементов;
представляет собой один из контактов;
позволяет надежно крепить прибор в патроне.

Преимущества и недостатки

Все технические устройства имеют не только преимущества, но и недостатки. Лампочки накаливания не стали исключением.

Положительные качества

Одним из главных плюсов этих устройств является простота конструкции, что делает стоимость изделия невысокой. Сейчас без труда можно приобрести прибор желаемой мощности и габаритов. Не менее важным преимуществом классических электролампочек является спектр свечения их излучающего элемента. Так как он максимально близок к солнечному свету, то не может негативно влиять на органы зрения.

Разогретая нить накала обладает тепловой инерцией, поэтому испускаемый ею свет практически лишен пульсации. Это выгодно отличает обычные лампочки накаливания от изделий другого типа (например, люминесцентных ламп). При производстве этих устройств не используются вредные вещества, благодаря чему для их утилизации не требуются специальные технологии.

Негативные свойства

Одним из основных недостатков устройств можно считать зависимость от показателя питающего напряжения. Если он увеличивается и превышает допустимые пределы, то спираль быстро изнашивается. Когда напряжение падает, то уменьшается и световой поток, излучаемый устройством.

Кроме этого, следует помнить, что излучающий элемент предназначен для работы на протяжении продолжительного временного отрезка. Показатель сопротивления холодной спирали значительно ниже в сравнении с рабочим режимом.

Из-за этого в момент включения возникает сильный скачок силы тока, что приводит к испарению материала нити накала. Таким образом, срок службы устройства зависит от количества включений.

Однако с этим недостатком можно бороться, используя специальные устройства плавного пуска - диммеры. Также с их помощью можно регулировать и показатель светового потока в довольно широком диапазоне.

Наиболее серьезным недостатком ламп накаливания является низкий КПД. Основная часть электроэнергии преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Сейчас все чаще используются светодиодные лампы, позволяющие экономить на электричестве.

Как работает лампа накаливания?

Ретро лампочка - красивая штука, без сомнения. Но как это все устроено? Чем лампочка Эдисона отличается от обычной? Да честно говоря, почти ничем. Сейчас все расставим по полочкам.

Сначала определение. Лампа накаливания — источник света, в котором свет испускает спираль, она же нить накаливания, она же тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. Чаще всего используется спираль из тугоплавкого металла, например вольфрама, либо угольная нить. Чтобы исключить окисление тела накала при контакте с воздухом, его помещают в вакуум, откачивая из стеклянной колбы воздух.

Принцип действия

В любой лампе накаливания, что обычной, что ретро лампочке, используется эффект нагревания проводника при протекании через него электрического тока . Температура нити повышается после замыкания электрической цепи. Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 градусов (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению с температурой поверхности фотосферы Солнца 5770 K . Однако неизвестны 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 и (очень редко) осмий . 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 и воспринимается в виде тепла . Чем меньше температура тела накаливания, тем меньшая доля энергии , подводимой к нагреваемой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение , и тем более «красным» кажется излучение. Соответственно, ретро лампочки отличаются от обычных тем, что нагревают нить накаливания слабее. За счет этого нить накаливания медленнее испаряется и дольше функционирует.

Ретро лампочки, кстати, еще и полезны. 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, 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. Также встречаются, даже более часто, газонаполненные лампы: в них колба заполняется инертным газом — обычно аргоном . 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. Ретро лампочки как правило делаются с вакуумныи колбами, но некоторые производители делают их газонаполенными.

Конструкция

Конструкция лампы накаливания. На схеме: 1 — колба; 2 — полость колбы; 3 — нить (тело накала); 4, 5 — электроды; 6 — крючки-держатели нити; 7 — ножка лампы; 8 — предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя.

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны, однако потребительские различия это в основном мощность, форма и размер колбы и тип цоколя.

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.

Нить накаливания

Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Тело накала первых ламп изготавливалось из угля . В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама . Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали. В случае ретро лампочек, когда важен художественный эффект, спираль крепится так как требуется для художественного эффекта, например имитируется спираль в исторических лампочках Эдисона. В случае лампочек обычных спираль зачастую имеет форму шестиугольника для обеспечения равномерности свечения.

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном или, по другим источникам, Льюисом Говардом Латимером - в фирме Эдисона. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14, E27 и E40 (число обозначает наружный диаметр в мм).

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).

Интересные факты

"Столетняя лампа"

В США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния ) есть 60-ваттная лампа ручной работы, известная под именем «Столетняя лампа ». Она постоянно горит уже более 114 лет, с 1901 года . Необычно высокий ресурс лампе обеспечила в основном работа на малой мощности (4 Ваттa), в глубоком недокале, при очень низком КПД. Лампа включена в Книгу рекордов Гиннесса в 1972 году. Фотографии именно этой лампочки часто публикуют как «ретро лампочку»…
В СССР после претворения в жизнь ленинского плана ГОЭЛРО за лампой накаливания закрепилось прозвище «лампочка Ильича ». В наши дни так чаще всего называют простую лампу накаливания, свисающую с потолка на электрическом шнуре без плафона.
Для изготовления обычной лампочки требуется, как минимум, 7 металлов.

Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.

Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное 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 6000 K (температура поверхности 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 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 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой 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 «желто-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 лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше 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, 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. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)

Нить накала

Нить накала в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I = U / R) и мощность по формуле P=U\cdot I, или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампочках составляет 40—50 микрон.

Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза 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 лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном . Размеры цоколей стандартизированы.

Предохранитель

Плавкий предохранитель (отрезок тонкой проволоки) расположен в цоколе лампы накаливания, предназначен для предотвращения возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.

КПД и долговечность

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 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %.

С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. При увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим уменьшается время жизни на 95 %.

Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках.

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.

Галогенные лампы

Добавление в буферный газ галогенов брома или йода повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура составляет примернно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.

Иод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё.

Добавление галогенов предотвращает осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла больше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компактном виде. Маленький объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжелыми инертными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность.

Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварца.

Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой).

Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут использоваться как прямая замена обычных галогенных ламп.

Специальные лампы

Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную температуру нити (и соответственно, повышенную яркость и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.

Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.

История изобретения

В 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампочку: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампочкой.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд

Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. британский патент на лампу с угольным филаментом. В его лампах филамент находился в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В конце-концов он возвращается к угольному волокну и создаёт лампочку с временем жизни 40 часов. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампочки вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.

В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

В 1910 г. Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром , который, работая с 1909 г. в фирме General Electric , придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

Щелчок выключателя - и темная комната вмиг преобразилась, стали видны детали мельчайших элементов интерьера. Так мгновенно распространяется энергия от маленького устройства, заливая светом все вокруг. Что же заставляет создавать такое мощное излучение? Ответ сокрыт в названии осветительного прибора, который именуется лампой накаливания.

История создания первых осветительных элементов

Истоки возникновения первых ламп накаливания восходят к началу XIX столетия. Вернее сказать, лампа появилась чуть позже, но эффект свечения платины и угольных стержней под действием электрической энергии уже пытались наблюдать. Перед учеными возникло два сложных вопроса:

нахождение материалов высокого сопротивления, способных раскаляться под воздействием тока до состояния излучения света;
предотвращение быстрого сгорания материала в воздушной среде.

Наиболее плодотворными в этой области стали исследования и изобретения русского ученого Александра Николаевича Лодыгина и американца Томаса Эдисона.

Лодыгин предложил использовать в качестве элемента накаливания угольные стержни, которые находились в герметичной колбе. Недостатком конструкции была сложность выкачки воздуха, остатки которого способствовали быстрому сгоранию стержней. Но все же его лампы горели несколько часов, а разработки и патенты стали основой для создания более долговечных устройств.

Американский ученый ознакомившись с работами Лодыгина, сделал эффективную вакуумную колбу, в которую поместил угольную нить из бамбукового волокна. Также Эдисон снабдил цоколь лампы резьбовым соединением, присущим современным лампам, и изобрел множество электротехнических элементов, таких как: штепсельный разъем, плавкий предохранитель, поворотный выключатель и многое другое. КПД лампы накаливания Эдисона был маленьким, хотя она могла работать до 1000 часов времени и получила практическое применение.

Впоследствии вместо угольных элементов было предложено использовать тугоплавкие металлы. Нить из в современных лампах накаливания, также была запатентована Лодыгиным.

Устройство и принцип действия лампы

Конструкция лампы накаливания принципиально не изменяется уже более сотни лет. Она включает в себя:

Герметичную колбу, ограничивающую рабочее пространство и наполненную инертным газом.
Цоколь, который имеет спиральную форму. Он служит для удержания лампы в патроне и электрического соединения ее с токоведущими частями.
Проводники, ведущие ток от цоколя к спирали и удерживающие ее.
Спираль накаливания, нагревание которой и создает излучение световой энергии.

Когда электрический ток проходит через спираль, она мгновенно нагревается до высочайших температур вплоть до 2700 градусов. Это обусловлено тем, что спираль имеет большое сопротивление току и на преодоление этого сопротивления расходуется много энергии, которая выделяется как тепло. Тепло раскаляет металл (вольфрам), и он начинает излучать фотоны света. Благодаря тому что колба не содержит кислород, в процессе нагрева не происходит окисление вольфрама, и он не перегорает. Инертный газ удерживает частички раскаленного металла от испарения.

Что такое КПД лампы накаливания

Показывает, какой процент затраченной энергии преобразуется в полезную работу, а какой нет. В случае лампы накаливания КПД невелик, так как всего 5-10% энергии идет на излучение света, остальная выделяется в качестве тепла.

КПД первых ламп накаливания, где телом накала выступал угольный стержень, был еще меньшим по сравнению с современными устройствами. Это обусловлено дополнительными потерями на конвекцию. Спиральные нити накала имеют более низкий процент этих потерь.

КПД лампы накаливания напрямую зависит от температуры нагрева спирали. Стандартно спираль лампы 60 Вт нагревается до 2700 ºС, при этом КПД всего 5%. Можно поднять величину нагрева до 3400 ºС, повысив напряжение, но это снизит срок службы устройства более чем на 90%, хотя лампа засветит ярче, и КПД возрастет до 15%.

Неправильно думать, что увеличение мощности лампы (100, 200, 300 Вт) ведет к увеличению КПД только потому, что повысилась яркость устройства. Лампа стала светить ярче за счет большей мощности самой спирали, а вследствие и большей световой отдачи. Но затраты энергии также возросли. Поэтому КПД лампы накаливания 100 Вт будет также в пределах 5-7%.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания бывают различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Они делятся на осветительные приборы:

Общего применения. К ним относятся лампы бытового использования разной мощности, рассчитанные на сетевое напряжение в 220 В.
Декоративного исполнения. Имеют нестандартные типы колб в виде свечей, сфер и других форм.
Иллюминационного типа. Маломощные лампы с цветным покрытием для создания красочных иллюминаций.
Местного назначения. Устройства безопасного напряжения до 40 В. Применяют на производственных столах, для освещения рабочих мест станков.
С зеркальным покрытием. Лампы, создающие направленный свет.
Сигнального типа. Служат для работы в приборных панелях различных устройств.
Для транспорта. Широкая линейка ламп повышенной износостойкости и надежности. Характеризуются удобной конструкцией, предполагающей быструю замену.
Для прожекторов. Лампы повышенной мощности, доходящей до 10 000 Вт.
Для оптических устройств. Лампы для кинопроекторов и аналогичных устройств.
Коммутаторные. Применяемые в качестве сегментов индикатора цифрового отображения измерительных приборов.

Положительные и отрицательные стороны ламп с телом накала

Осветительные устройства накального типа имеют свои особенности. К положительным можно отнести:

мгновенный розжиг спирали;
экологическую безопасность;
небольшие размеры;
приемлемую цену;
возможность создавать устройства разной мощности и величины рабочего напряжения как переменного, так и постоянного тока;
универсальность применения.

К отрицательным:

низкий КПД лампы накаливания;
чувствительность к скачкам напряжения, снижающим срок эксплуатации;
малое время рабочих часов, не превышающих 1000;
пожароопасность ламп из-за сильного нагрева колбы;
хрупкость конструкции.

Другие типы осветительных приборов

Существуют принцип действия которых в корне отличается от работы ламп накаливания. К ним относятся газоразрядные и светодиодные лампы.

Дуговых или существует большое множество, но все они основаны на свечении газа при возникновении дуги между электродами. Свечение происходит в спектре ультрафиолета, который потом преобразуется в видимый человеческому глазу посредством прохождения через люминофорное покрытие.

Процесс, происходящий в газоразрядной лампе, включают два этапа работы: создание дугового разряда и поддержание ионизации и свечения газа в колбе. Поэтому все типы таких осветительных приборов имеют систему управления током. Устройства люминесцентные имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с КПД лампы накаливания, но небезопасны, так как содержат пары ртути.

Светодиодные осветительные устройства являются наиболее современными системами. КПД лампы накаливания и светодиодной лампы несравнимы. У последней оно достигает 90%. Принцип действия светодиода основан на свечении определенного типа полупроводника под воздействием напряжения.

Чего не любит лампа накаливания

Срок службы обычной лампы накаливания будет сокращен, если:

Напряжение в сети постоянно завышено от номинального, на которое рассчитан осветительный прибор. Это связано с увеличением рабочей температуры тела накала и, как следствие, повышенное испарение сплава металла, приводящего к выходу его из строя. Хотя КПД лампы накаливания при этом будет больше.
Резко тряхнуть лампу во время работы. Когда металл раскален до состояния близкого к плавлению, а расстояние между витками спирали уменьшено вследствие расширения вещества, любое механическое, резкое движение может привести к незаметному глазу межвитковому замыканию. Это уменьшает общее сопротивление спирали току, способствует ее большему разогреву и быстрому перегоранию.
Произойдет попадание влаги на разогретую колбу. В месте попадания возникает перепад температур, который производит разрушение стекла.
Дотронуться пальцами до колбы является разновидностью лампы накаливания, но имеет значительно большую световую и тепловую отдачу. При касании на колбе остается невидимое жирное пятно от пальца. Под воздействием температуры жир сгорает, образуя нагар, препятствующий теплоотдаче. В результате этого в месте прикосновения стекло начинает плавиться и может лопнуть или вздуться, нарушая газовый режим внутри, что приводит к перегоранию спирали. Галогенные лампы накаливания КПД имеют выше, чем обыкновенные.

Как заменить лампу

Если лампа перегорела, но не разрушилась колба, то заменить ее можно после полного остывания. При этом следует отключить питание. При вкручивании лампы глаза не нужно направлять в ее сторону, особенно если выключить электричество не представляется возможным.

Когда колба лопнула, но сохранила форму, желательно взять хлопчатобумажную ткань, свернуть в несколько слоев и, обхватив ею лампу, постараться удалить стекло. Далее пассатижами с изолированными ручками аккуратно выкрутить цоколь и вкрутить новую лампу. Все операции необходимо проводить при отключенном напряжении питания.

Заключение

Несмотря на то что КПД лампы накаливания составляет мало процентов и у нее появляется все больше конкурентов, она актуальна во многих сферах жизни. Существует даже самая старая лампочка, непрерывно работающая более ста лет. Это ли не подтверждение и увековечивание гениальности мысли человека, стремящегося изменить мир?

Появление ламп накаливания привело к значительному улучшению условий человеческой жизни. Лампы накаливания позволили отказаться от свеч и керосиновых ламп, чем значительно упростили людям жизнь.

Принцип действия лампы накаливания основывается на тепловом излучении. Сущность теплового излучения состоит в том, что при нагревании твердого тела оно начинает излучать энергию всех длин волн (сплошной спектр). При низких температурах тело излучает исключительно невидимые инфракрасные лучи, длина волн которых больше, чем у световых лучей. По мере повышения температуры тела происходит увеличение излучаемой телом лучистой энергии, а также меняется состав излучаемого спектра. При этом быстро увеличивается видимое излучение, световые лучи которого имеют более короткие волны. Тело начинает светиться сначала вишнево-красным, потом красным, оранжевым, и только потом белым цветом. Получения эффекта свечения в лампах накаливания добиваются благодаря использованию тугоплавкого металла – вольфрама, который нагревается электрическим током до температуры 2000 – 3000 0 К. Источники света, основанные на тепловом излучении, имеют очень низкий коэффициент полезного действия (КПД).

В современных лампах накаливания малой мощности только 7% потребляемой энергии превращается в видимый свет, а в лампах большой мощности – 10%. Остальная часть потребляемой электрической энергии затрачивается и невидимые человеческому глазу излучения. Однако, лампы накаливания благодаря своей простоте, удобству и дешевизне по-прежнему используются в осветительных установках.

Устройство современной лампы накаливания показано ниже:

Лампы накаливания с вольфрамовой нитью изготавливают двух видов:

Вакуумные (пустотные) — в них воздух откачан из колб;
Газонаполненные – после откачки воздуха колба заполняется инертным газом (смесь азота и аргона или редких газов – криптона и ксенона).

Пустотные лампы, как правило, изготавливаются только на небольшие мощности (до 60 Вт). Это объясняется тем, что при нахождении газа в лампе с небольшим диаметром колбы и при сравнительно большой длине нити накала стали бы возникать лишние тепловые потери посредством конвекции. Лампы накаливания большой мощности изготавливают газонаполненными. Наличие газа в колбе создает лучшие условия для повышения температуры накала нити и увеличения светового потока. Газ, окружающий раскаленную нить, замедляет ее распыление, что повышает срок службы изделия.

Однако, повышение температуры нити имеет предел, обусловленный температурой плавления материала (для вольфрама 3400 0 С). При заполнении колбы криптоноксеновой смесью достигается максимальная температура нити и светоотдача, однако, ввиду трудностей получения редких газов такие лампы изготавливаются крайне редко.

Нити ламп имеют форму спирали, что делают минимальными потери через газовую среду.

Для ламп накаливания актуальными являются следующие характеристики: электрическая мощность, световой поток, средняя продолжительность горения, номинальное напряжение, световая отдача.

Номинальным напряжением «лампочки» называют напряжение, при котором она способна нормально работать. Как правило, эти напряжения указываются на колбе или цоколе. В осветительных установках большое распространение получили напряжения в 127 В и 220 В, а для ремонтного и местного освещения – 12 В и 36 В.

Световой поток лампы накаливания напрямую зависит от температуры нити и потребляемой мощности. Световая отдача характеризует экономичность ламп. Под световой отдачей подразумевают отношение излучаемого светового потока к потребляемой мощности:

Из формулы видно, что чем больше световой поток на единицу потребляемой мощности, тем выше экономичность. С увеличением мощности будет возрастать световая отдача и будет тем выше, чем меньше напряжение, на которое рассчитана лампа. У мощных ламп и ламп более низкого напряжения диаметр нити накала больше и, следовательно, допускает более высокую температуру.

Средний срок службы нормальных ламп составляет примерно 1000 часов горения при условии поддержания неизменного значения номинального напряжения. При этом в конце срока службы световой поток не должен быть ниже 90% номинального значения. Существенно влияет на срок службы изменение подводимого напряжения к зажимам.

В таблице ниже приведены изменения светового потока, срока службы и светоотдачи лампы накаливания в зависимости от подводимого напряжения:

Из таблицы видно, что при снижении напряжения в сети световая отдача и световой поток значительно уменьшаются, а срок службы возрастает. А при увеличении напряжения – наоборот, светоотдача растет, срок службы снижается.

Снижение напряжения питания, по сравнению с номинальным, приводит к изменению спектра излучения. При этом освещаемые предметы кажутся окрашенными в другие цвета. Например, предметы желтого цвета кажутся белыми, темно-синие – черными. Данное явление сильнее проявляется при использовании ламп накаливания малой мощности. Поэтому для нормальной эксплуатации важно иметь напряжение питания близкое к номинальному значению напряжения устройства.

Помимо обычных ламп накаливания применяют и зеркальные лампы, которые отличаются специфическим строением колбы. На внутренней поверхности колбы, около цоколя, наносят зеркальный слой из алюминия, а нижнюю часть матируют. Зеркальное открытие – хороший отражатель, благодаря которому более 50% излучаемого светового потока направляется вниз в виде концентрированного снопа света. В зависимости от формы светоотражающей колбы можно получить глубокое или широкое светораспределение. Таким образом, зеркальные лампы являются одновременно и светильником и источником света:

Применение зеркальных ламп без специальной осветительной арматуры для освещения производственных цехов (из-за возможных повреждений) не рекомендовано.

Существует также разновидность ламп накаливания с йодным циклом. В колбах таких устройств содержатся пары йода. Молекулы йода, нагретые до определенной температуры, соединяются с испаряющимися частицами вольфрама и образуют газообразное вещество. Последнее, соприкасаясь с раскаленной нитью, разлагается на вольфрам и йод, первый вновь включается в цикл работы, а вольфрам вновь оседает на нить, что способствует увеличению срока службы лампы накаливания. При этом такие устройства отличаются повышенной светоотдачей.

Достоинства и недостатки ламп накаливания

Электрическая лампа накаливания, все еще активно применяющаяся для искусственного освещения, имеет свои достоинства и недостатки.

К достоинствам относят:

Одинаково нормальная работа при работе от источника как переменного, так и постоянного тока;
Практически мгновенное зажигание при подаче питания независимо от температуры окружающей среды;
Незначительные габаритные размеры и при необходимости возможность изготовления любой формы;
Малая стоимость в виду простоты конструкции и изготовления;
Простота в эксплуатации;

Также имеются и недостатки:

Значительная чувствительность к колебаниям питающего напряжения;
Относительно небольшой срок службы (примерно 1000 часов);
Малый КПД (1,5% — 3%);
Незначительная светоотдача;
Затруднение в определении цветов при освещении;