Какой газ в лампочках накаливания. Электрические лампы накаливания - история, устройство, выбор

Определение
- источник света, преобразующий энергию проходящего по спирали лампы электрического тока в тепловую и световую. По физической природе различают два вида излучения: тепловое и люминесцентное.
Тепловым называют световое излучение, возникающее
при нагревании тел. На использовании теплового излучения основано свечение электрических ламп накаливания.
Достоинства и недостатки

Достоинства ламп накаливания:
при включении они зажигаются практически мгновенно;
имеют незначительные размеры;
стоимость их невысока.

Основные недостатки ламп накаливания:
лампы обладают слепящей яркостью, отрицательно отражающейся на зрении человека, поэтому требуют применения соответствующей арматуры, ограничивающей ослепление;
обладают незначительным сроком службы (порядка 1000 часов);
срок службы ламп существенно снижается при повышении напряжения питающей электросети.

Световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%.

Таким образом, основной недостаток ламп накаливания - низкая светоотдача. Ведь лишь незначительная часть потребляемой ими электрической энергии превращается в энергию видимых излучений, остальная часть энергии переходит в тепло, излучаемое лампой.

Принцип действия.

Принцип действия ламп накаливания основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через нить, в световую. Температура разогретой нити достигает 2600...3000 "С. Но нить лампы не плавится, потому что температура плавления вольфрама (3200...3400 °С) превышает температуру накала нити. Спектр ламп накаливания отличается от спектра дневного света преобладанием желтого и красного спектра лучей.
Колбы ламп накаливания вакуумируются или заполняются инертным газом, в среде которого вольфрамовая нить накала не окисляется: азотом; аргоном; криптоном; смесью азота, аргона, ксенона.

Устройство и работа ламп накаливания

Лампа накаливания (рис.) светится потому, что нить из тугоплавкой вольфрамовой проволоки раскаляется проходящим через нее током. Чтобы спираль быстро не перегорела, из стеклянного баллона выкачан воздух либо баллон заполнен инертным газом. Спираль укреплена на электродах. Один из них припаян к металлической гильзе цоколя, другой - к металлической контактной пластине. Их разделяет изоляция. Один из проводов присоединен к гильзе цоколя, а другой - к контактной пластине, как показано на рис. Тогда ток, преодолевая электрическое сопротивление НИТИ, раскаляет ее.

Обозначения ламп накаливания

В обозначении ламп накаливания буквы означают: В - вакуумная; Г - газонаполненная; Б - биспиральная; БК - биспиральная криптоновая (имеет повышенную светоотдачу и меньшие размеры по сравнению с лампами В, Б и Г, но стоит дороже); ДБ - диффузная (с матовым отражательным слоем внутри колбы); МО - местного освещения.

За буквами следуют две группы цифр. Они указывают диапазон напряжений и мощность лампы.

Пример. «В 220...230-25» обозначает напряжение 220...230 В, мощность 2-5 Вт. В обозначении может также присутствовать дата выпуска лампы, например, IX 2005.

Лампы мощностью до 150 Вт выпускаются: в бесцветных прозрачных баллонах (световой поток ламп не уменьшается); в матированных изнутри баллонах (световой поток ламп уменьшается на 3%); в опаловых колбах; окрашенных в молочный цвет баллонах (световой поток ламп уменьшается на 20%).
Лампы мощностью, до 200 Вт изготавливают как с резьбовыми, так и со штифтовыми нормальными цоколями. Лампы мощностью более 200 Вт выпускаются только с резьбовыми цоколями. Лампы мощностью более 300 Вт выпускаются с цоколем диаметром 40 мм.

Примеры исполнения стандартных ламп накаливания

Примеры исполнения ламп накаливания приведены на рис. 2. На рис. 2.а,б - лампы одинаковой мощности, но на рис. 2.а - газонаполненная с аргоновым, а на рис. 2.б - с криптоновым наполнителем (криптоновая). Размеры криптоновой лампы меньше. Лампа на рис. 2.в напоминает свечу. Такие лампы часто применяют в люстрах и настенных светильниках. На рис. 2.г,д,е изображены, соответственно, биспиральная, биспиральная криптоновая, и зеркальная лампы.

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.

квантовой теории

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.

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. 🙂

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?

Среди всех электроустановочных и электромонтажных изделий осветительная аппаратура имеет наиболее богатый ассортимент. Это происходит потому, что элементы освещения несут в себе не только сугубо технические характеристики, но и элементы дизайна. Возможности современных ламп и светильников, их конструкторское разнообразие настолько велики, что немудрено растеряться. Например, существует целый класс светильников, предназначенных исключительно для гипсокартонных потолков.

Многочисленные виды ламп имеют различную природу света и эксплуатируются в неодинаковых условиях. Чтобы разобраться, какого типа лампа должна стоять в том или ином месте и каковы условия ее подключения, необходимо вкратце изучить основные виды осветительной аппаратуры.

У всех ламп есть одна общая часть: цоколь, при помощи которого они соединяются с проводами освещения. Это касается тех ламп, в которых есть цоколь с резьбой для крепления в патроне. Размеры цоколя и патрона имеют строгую классификацию. Необходимо знать, что в бытовых условиях применяют лампы с 3 видами цоколей: маленьким, средним и большим. На техническом языке это означает Е14, Е27 и Е40. Цоколь, или патрон, Е14 часто называют «миньон» (в gер. с фр. - «маленький»).

Самый распространенным размер - Е27. Е40 используют при уличном освещении. Лампы этой маркировки имеют мощность 300, 500 и 1000 Вт. Цифры в названии обозначают диаметр цоколя в миллиметрах. Помимо цоколей, которые вкручиваются в патрон при помощи резьбы, есть и другие виды. Они штырькового типа и называются G-цоколями. Используются в компактных люминесцентных и галогенных лампах для экономии места. При помощи 2 или 4 штырьков лампа крепится в гнезде светильника. Видов G-цоколей много. Основные из них: G5, G9, 2G10, 2G11, G23 и R7s-7. На светильниках и лампах всегда указывается информация о цоколе. При выборе лампы необходимо сравнивать эти данные.

Мощность лампы - одна из важнейших характеристик. На баллоне или цоколе производитель всегда указывает мощность, от которой зависит светимость лампы . Это не уровень света, который она излучает. В лампах различной природы света мощность имеет совершенно несхожее значение.

Например, энергосберегающая лампа при указанной мощности 5 Вт будет светить не хуже лампы накаливания в 60 Вт. То же касается и люминесцентных ламп . Светимость лампы исчисляется в люменах. Как правило, это не указывается, так что при выборе лампы необходимо ориентироваться на советы продавцов.

Светоотдача обозначает, что на 1 Вт мощности лампа дает столько-то люмен света. Очевидно, что энергосберегающая компактная люминесцентная лампа в 4–9 раз экономичнее, нежели накаливания. Можно легко подсчитать, что стандартная лампа в 60 Вт дает примерно 600 лм, тогда как компактная имеет такое же значение при мощности 10–11 Вт. Настолько же она будет экономичнее по энергопотреблению.

Лампы накаливания

(ЛОН) - самый первый источник электрического света, который появился в домашнем обиходе. Она была изобретена еще в середине 19 в., и хотя с того времени претерпела немало реконструкций, сущность осталась без изменений. Любая лампа накаливания состоит из вакуумного стеклянного баллона, цоколя, на котором располагаются контакты и предохранитель, и нити накаливания, излучающей свет.

Спираль накаливания сделана из вольфрамовых сплавов, которые легко выдерживают рабочую температуру горения +3200 °C. Чтобы нить мгновенно не перегорела, в современных лампах накачивают в баллон какой-нибудь инертный газ, например аргон.

Принцип работы лампы очень прост. При пропускании тока через проводник малого сечения и низкой проводимости часть энергии уходит на разогрев спирали-проводника, отчего тот начинает светиться в видимом свете. Несмотря на столь простое устройство, видов ЛОН существует огромное множество. Они различаются по форме и размерам.

Декоративные лампы (свечи): баллон имеет вытянутую форму, стилизованную под обычную свечу. Как правило, используются в небольших светильниках и бра.

Окрашенные лампы : стекла баллонов имеют различный цвет с декоративными целями.

Зеркальными лампами называют лампы, часть стеклянного баллона которых покрыта отражающим составом для направления света компактным пучком. Такие лампы чаще всего используют в потолочных светильниках, чтобы направлять свет вниз, не освещая потолка.

Лампы местного освещения работают под напряжением 12, 24 и 36 В. Они потребляют немного энергии, но и освещение соответствующее. Применяются в ручных фонарях, аварийном освещении и т. д. ЛОН по-прежнему остаются в первых рядах источника света, несмотря на некоторые недостатки. Их минусом является очень низкий КПД - не более 2–3 % от потребляемой энергии. Все остальное уходит в тепло.

Второй минус заключается в том, что ЛОН небезопасны с противопожарной точки зрения. Например, обычная газета, если ее положить на лампочку в 100 Вт, вспыхивает примерно через 20 мин. Надо ли говорить, что в некоторых местах ЛОН нельзя эксплуатировать, например в маленьких абажурах из пластика или дерева. Кроме того, такие лампы недолговечны. Срок службы ЛОН составляет примерно 500–1000 ч. К числу плюсов можно отнести дешевизну и простоту монтажа. ЛОН не требуют каких-либо дополнительных устройств для работы, подобно люминесцентным.

Галогенные лампы

Галогенные лампы мало чем отличаются от ламп накаливания, принцип работы тот же. Единственная разница между ними - это газовый состав в баллоне. В данных лампах к инертному газу примешивают йод или бром. В результате становится возможным повышение температуры нити накаливания и уменьшение испарения вольфрама.

Именно поэтому галогенные лампы можно делать более компактными, а срок их службы повышается в 2–3 раза. Однако температура нагревания стекла повышается весьма значительно, поэтому галогенные лампы делают из кварцевого материала. Они не терпят загрязнений на колбе. Прикасаться незащищенной рукой к баллону нельзя - лампа перегорит очень быстро.

Линейные галогенные лампы используются в переносных или стационарных прожекторах. В них часто бывают датчики движения. Такие лампы используют в гипсокартонных конструкциях.

Компактные осветительные устройства имеют зеркальное покрытие.

К минусам галогенных ламп можно отнести чувствительность к перепадам напряжения. Если оно «играет», лучше приобрести специальный трансформатор, выравнивающий силу тока.

Люминесцентные лампы

Принцип работы люминесцентных ламп серьезно отличается от ЛОН. Вместо вольфрамовой нити в стеклянной колбе такой лампы горят пары ртути под воздействием электрического тока. Свет газового разряда практически невидим, поскольку излучается в ультрафиолете. Последний заставляет светиться люминофор, которым покрыты стенки трубки. Этот свет мы и видим. Внешне и по способу соединения люминесцентные лампы также сильно отличаются от ЛОН. Вместо резьбового патрона с обеих сторон трубки есть два штырька, закрепляющихся следующим образом: их надо вставить в специальный патрон и повернуть в нем.

Люминесцентные лампы имеют низкую рабочую температуру. К их поверхности можно без опаски прислонять ладонь, поэтому они устанавливаются где угодно. Большая поверхность свечения создает ровный рассеянный свет. Именно поэтому их еще называют лампами дневного света . Кроме того, варьируя состав люминофора, можно изменять цвет светового излучения, делая его более приемлемым для человеческих глаз. По сроку службы люминесцентные лампы превосходят лампы накаливания почти в 10 раз.

Минусом люминесцентных ламп является невозможность прямого подключения к электросети. Нельзя просто накинуть 2 провода на торцы лампы и воткнуть вилку в розетку. Для ее включения используются специальные балласты. Связано это с физической природой свечения ламп. Наряду с электронными балластами используются стартеры, которые как бы поджигают лампу в момент включения. Большинство светильников под люминесцентные лампы оборудованы встроенными механизмами свечения наподобие электронных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) или дросселями.

Маркировка люминесцентных ламп не похожа на простые обозначения ЛОН, имеющие только показатель мощности в ваттах.

Для рассматриваемых ламп она следующая:

ЛБ - белый свет;
ЛД - дневной свет;
ЛЕ - естественный свет;
ЛХБ - холодный свет;
ЛТБ - теплый свет.

Цифры, идущие за буквенной маркировкой, обозначают: первая цифра - степень цветопередачи, вторая и третья - температуру свечения. Чем выше степень цветопередачи, тем более естественно освещение для человеческого глаза. Рассмотрим пример, относящийся к температуре свечения: лампа с маркировкой ЛБ840 означает, что эта температура равна 4000 К, цвет белый, дневной.

Следующие значения расшифровывают маркировку ламп:

2700 К - сверхтеплый белый,
3000 К - теплый белый,
4000 К - естественный белый или белый,
более 5000 К - холодный белый (дневной).

В последнее время появление на рынке компактных люминесцентных энергосберегающих ламп произвело настоящую революцию в светотехнике. Были устранены главные недостатки люминесцентных ламп - их громоздкие размеры и невозможность использовать обычные нарезные патроны. ПРА были вмонтированы в ламповый цоколь, а длинная трубка свернулась в компактную спираль.

Теперь разнообразие видов энергосберегающих ламп очень велико. Они различаются не только по своей мощности, но и по форме разрядных трубок. Плюсы такой лампы очевидны: нет нужды устанавливать электронный балласт для запуска, пользуясь специальными светильниками.

Экономичная люминесцентная лампа пришла на смену обычной лампе накаливания. Однако у нее, как и у всех люминесцентных ламп, есть недостатки.

Минусов у люминесцентных ламп несколько:

такие лампы плохо работают при низких температурах, а при –10 °C и ниже начинают светить тускло;
долгое время запуска - от нескольких секунд до нескольких минут;
слышен низкочастотный гул от электронного балласта;
не работают вместе со светорегуляторами;
сравнительно дорогие;
не любят частого включения и выключения;
в состав лампы входят вредные ртутные соединения, поэтому она требует специальной утилизации;
если использовать в выключателе индикаторы подсветки, данная осветительная аппаратура начинает мерцать.

Как бы ни старались производители, свет люминесцентных ламп пока не очень похож на естественный и режет глаза. Кроме энергосберегающих ламп с ПРА существует множество разновидностей без встроенного электронного балласта. Они имеют совершенно другие виды цоколя.

Принцип свечения дуговой ртутной лампы высокого давления (ДРЛ) - дуговой разряд в парах ртути. Такие лампы обладают высокой светоотдачей - на 1 Вт приходится 50–60 лм. Запускаются при помощи ПРА. Недостатком является спектр свечения - их свет холоден и резок. Лампы ДРЛ чаще всего используются для уличного освещения в светильниках типа «кобра».

Светодиодные лампы

Светодиодные лампы - этот продукт высокой технологии впервые был сконструирован в 1962 г. С той поры светодиодные лампы стали постепенно внедряться на рынок осветительной продукции. Светодиод по принципу действия - это самый обычный полупроводник, у которого часть энергии в переходе p-n сбрасывается в виде фотонов, то есть видимого света. Такие лампы имеют просто потрясающие характеристики.

Они десятикратно превосходят ЛОН по всем показаниям:

долговечности,
светоотдаче,
экономичности,
прочности и т. д.

Есть у них лишь одно «но» - это цена. Она приблизительно в 100 раз превосходит цену обычной лампы накаливания. Однако работа над этими необычными источниками света продолжается, и можно ожидать, что вскоре мы будем радоваться изобретению более дешевого, нежели его предшественники, образца.

Примечание! Ввиду необычных физических характеристик светодиодов из них можно изготавливать настоящие композиции, например в виде звездного неба на потолке комнаты. Это безопасно и не требует больших затрат энергии.