Устройство и принцип действия лампы накаливания

Что такое лампа накаливания

Определение 1

Лампа накаливания — это источник электрического света, работающий за счет накаливания.

Определение 2

Накаливание — это электромагнитное излучение (в том числе и видимого света) от горячего физического тела в результате его высокой температуры.

То есть физическое явление излучения света вызвано нагревом нити накала.

Краткая история лампы накаливания

Первые лампы

Лампы накаливания являются оригинальной формой электрического освещения и используются уже более 100 лет. В то время как Томас Эдисон считается изобретателем лампы накаливания, есть ряд людей, которые изобрели компоненты и прототипы лампочки задолго до Эдисона.

В 1802 году Хамфри Дэви изобрел первый электрический свет. Он экспериментировал с электричеством и изобрел электрическую батарею. Когда он подсоединил провода к своей батарее и кусочку углерода, углерод засветился, производя свет. Его изобретение было известно как электрическая дуговая лампа. И хотя она производила свет, углерода хватало ненадолго, и свет был слишком ярким для практического использования.

Одним из первооткрывателей был также британский физик Джозеф Уилсон Свон, который фактически получил первый патент на лампочку накаливания с углеродной нитью накаливания в 1878 году. Дом Свона был первым в мире, освещенным электрической лампочкой. Свон разработал более долговечную лампочку с использованием обработанной хлопчатобумажной нити, которая также устранила проблему раннего почернения лампы.

Эдисону часто приписывают данное изобретение, потому что его версия смогла превзойти более ранние версии благодаря сочетанию трех факторов: эффективный материал накаливания, более высокий вакуум и высокое сопротивление, которое сделало распределение электроэнергии от централизованного источника экономически выгодным.

В 1906 году компания «Дженерал Электрик» первой запатентовала метод изготовления вольфрамовых нитей для использования в лампах накаливания. Сам Томас Эдисон знал, что вольфрам окажется лучшим выбором для нитей накаливания.
В 1910 Уильям Дэвид Кулидж усовершенствовал процесс производства, чтобы получить самые долговечные вольфрамовые нити.
В 1920-е годы были выпущены первая лампа с матовым покрытием и лампа с регулируемой мощностью для автомобильных фар и неонового освещения.
1930-е ознаменовались изобретением маленьких одноразовых фотовспышек для фотографии и люминесцентной лампы для загара.
1950-е годы — производство кварцевого стекла и галогенной лампы накаливания.
В 1990-е годы начинают продаваться лампы с длительным сроком службы и компактные люминесцентные лампы.

Современные лампы накаливания не являются энергоэффективными — менее 10% электроэнергии, подаваемой в лампу, преобразуется в видимый свет. Оставшаяся энергия теряется в виде тепла. Однако эти неэффективные лампочки по-прежнему широко используются сегодня благодаря таким преимуществам, как:

• широкая и недорогая доступность;
• простое встраивание в электрические системы;
• возможность работы при низком напряжении, например, в устройствах с батарейным питанием;
• широкий ассортимент формы и размера.

К несчастью для лампы накаливания, законодательство многих стран, включая США, предписывает постепенно отказаться от нее в пользу более энергоэффективных вариантов, таких как компактные люминесцентные лампы и светодиодные лампы. Однако эта политика встретила значительное сопротивление из-за низкой стоимости ламп накаливания, мгновенной доступности света и опасений загрязнения ртутью из-за люминесцентных ламп. Однако теперь значительно снизились цены на светодиоды.

История изобретения лампочки

Внешний вид лампы накаливания

Изделие проектировалось и дорабатывалось многими учеными в разные периоды. Первая электрическая дуга была зажжена ученым Петровым В.В. в 1802 году. Изобретение состояло из двух угольных стержней, которые подключались к полюсам гальванической батареи. В момент их сближения возникал электрический разряд, и над элементами формировалась светящаяся дуга. Применение такой лампы в быту было невозможным по ряду причин – неудобство конструкции, быстрое перегорание угольных стержней. Зато мировые ученые начали понимать, из чего сделать лампу.

Спустя 70 лет в 1872 году Лодыгин А.Н. получил патент на лампу накаливания. В качестве спирали в ней был использован стержень ретортного угля, который находился под стеклянным колпаком.

Уже в 1880 году 10 мая лампочкой Лодыгина было обустроено уличное освещение в Санкт-Петербурге на Литейном мосту. Срок службы источника света составлял всего 2 месяца (пока не перегорал угольный стержень).

В 1880 году в США Томас Эдисон представил усовершенствованную лампу накаливания Лодыгина. Он сумел добиться устранения воздуха из стеклянной колбы, что обеспечило более длительное горение спирали и более яркое её свечение. Эдисон также разработал цоколь с резьбой для ввинчивания лампы в патрон.

В 1910 году было принято решение скручивать вольфрамовую нить в спираль для увеличения ресурса её службы. Таким образом, изделие теперь работает вместо первоначальных 50-100 часов целых 1000 ч.

Принцип теплового получения излучения используют и при производстве галогеновых ламп дневного света.

Устройство и принцип работы

С начала XX века устройство лампы практически не изменилась. Она состоит из нескольких элементов:

• стеклянная колба;
• инертный газ;
• вольфрамовая нить накаливания;
• держатель для нити накаливания;
• токовводящие электроды;
• предохранитель;
• цоколь.

Колба герметизирует и защищает нить накала от воздействия атмосферы. Для изготовления источника света с вольфрамовой спиралью обычно используют известковое стекло.

В качестве инертного газа чаще всего применяют недорогую смесь азота и аргона, чистый аргон или криптон.

Тело накаливания для бытовых лампочек изготавливается из вольфрамовой проволоки, которую закручивают в спираль. Это делают для уменьшения размера изделия и увеличения площади излучения.

В качестве держателей для нити накаливания применяют молибденовые крючки.

Часто конструкцией предусмотрен предохранитель. Он состоит из ферроникелевого сплава, который вваривается в один из токовводящих электродов. Назначение предохранителя – предотвратить взрыв колбы при перегорании нити накаливания.

Цоколь состоит из металлического корпуса, стеклянного изолятора и токопроводящего контакта.

Принцип работы лампы достаточно прост. Свечение возникает благодаря прохождению электрического тока через нить накаливания. Чтобы световое излучение стало видимым для человеческого глаза, спираль должна нагреться до температуры 570°С. А рабочая температура нити накала достигает 3000°С. При нажатии на выключатель вольфрамовая спираль начинает нагреваться и светиться.

Цоколь

На галогенных лампах накаливания, в зависимости от напряжения питания, мощности и конструкции колбы устанавливают несколько видов цоколей – резьбовые, штыревые, байонетные, штифтовые и др.

Система контактов на цоколях нужна для подключения к электросети или блоку питания.

Разновидности цоколей.

Колба

Прозрачную колбу ЛН используют для:

• защиты нити от наружной атмосферы, содержащей окислитель – кислород;
• создания и удержания вакуума или газового состава;
• размещения люминофора и/или покрытий, преобразующих разные виды электромагнитной энергии в видимое излучение, возвращения тепла на нить накаливания, преобразования невидимых УФ- и ИК-излучений в свет, коррекции оттенка свечения лампы – красные, зеленые, синие.

Нить накала

По форме нить накаливания может быть разной — выбор в пользу той или иной связан со спецификой лампочки. Зачастую в них применяют нить с круглым сечением, закрученную в спираль, гораздо реже — ленточные проводники.

Современная лампа накаливания работает от нити из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава. Вместо обычных спиралей могут закручиваться биспирали и триспирали, что стало возможным за счет повторного закручивания. Последнее приводит к уменьшению теплового излучения и повышению КПД.

Газовая среда

Инертные газы, которыми заполняют колбу лампы, например, азот, аргон, неон, гелий. В смеси инертных газов добавляют вещества-галогены.

Виды ламп и их функциональное назначение

Лампы накаливания виды и характеристики

Виды ламп накаливания

1. Лампы накаливания

Это типичная лампа. Она работает 700-1000 часов. Этот тип был наиболее распространенным в зданиях с момента изобретения ламп накаливания и только недавно был заменен более новыми технологиями, включая светодиоды, люминесцентные и скрытые лампы.

2. Люминесцентные лампы

В люминесцентной лампе электрический ток проходит между катодами, возбуждая ртуть и другие газы, которые находятся внутри, излучая энергию. Фосфорное покрытие снаружи преобразует лучистую энергию в видимый свет. Люминесцентные лампы потребляют меньше энергии для получения того же количества света и могут работать дольше. Но их трудно утилизировать из-за наполнения ртутью.

3. Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)

КЛЛ предназначены для замены ламп накаливания в домах и коммерческих зданиях. Принцип действия этой лампы накаливания схож с работой люминесцентных ламп. КЛЛ производят такое же количество света с меньшей мощностью. Они состоят из множества трубчатых петель, заполненных ртутью. По сравнению с лампами накаливания, КЛЛ имеют более длительный срок службы — до 10000 часов, более энергоэффективны и обладают высокой светоотдачей. Но ртуть в петлях затрудняет их утилизацию.

4. Галогенные лампы

В галогенных лампах вольфрамовая нить накаливания обернута компактной прозрачной оболочкой. Лампочка получила свое название от заполнения небольшого количества галогена инертным газом. Инертный газ увеличивает яркость и срок службы устройства, что приводит к повышению светоотдачи. Эти лампы также меньше по размеру по сравнению с лампами накаливания.

5. Светоизлучающий диод (Светодиод)

Светодиодные лампы становятся все более распространенными из-за их энергоэффективности и разнообразия цветов света.

Определение 4

Светодиод — это полупроводниковое устройство, в котором электричество подается на отрицательно заряженный диод, что приводит к потоку электрона и высвобождению фотона. Фотоны объединяются, чтобы излучать свет от диода.
Светодиодная лампа состоит из нескольких диодов, производящих необходимое количество света. Светодиод как полупроводник обладает высокой энергоэффективностью и производит более яркий свет с меньшими затратами энергии. Светодиод может излучать цвета без использования цветовых фильтров.

Назначение ламп накаливания

Лампы накаливания не требуют внешнего регулирующего оборудования, имеют очень низкую стоимость изготовления и хорошо работают как на переменном, так и на постоянном токе. Они также совместимы с устройствами управления, такими как диммеры, таймеры и фотодатчики, и могут использоваться как в помещении, так и на открытом воздухе.

Определение 5

Диммеры — это устройства, подключенные к светильнику и используемые для снижения яркости света. Изменяя форму сигнала напряжения, подаваемого на лампу, можно снизить интенсивность светового потока.

Определение 6

Таймер — это специализированный тип часов, используемый для измерения определенных временных интервалов. Таймеры делятся на два основных типа:

1. Таймер, который отсчитывает время от нуля для измерения прошедшего времени называют секундомером.
2. Устройство, отсчитывающее время от заданного интервала времени и называют таймером. Простым примером такого типа являются песочные часы.

Определение 7

Фотоэлектрический датчик — это устройство, используемое для определения расстояния, отсутствия или присутствия объекта с помощью передатчика света, часто инфракрасного, и фотоэлектрического приемника. Они в основном используются в промышленном производстве.

Лампа накаливания широко используется как в бытовом, так и в промышленном освещении, для портативного освещения, например, это настольные лампы, автомобильные фары и фонари, а также декоративное и рекламное освещение.

Для освещения используется белый свет, но в зависимости от предпочтений пользователя оттенок может быть другим. Его отличает легкая температура. Наиболее распространенными являются:

2700 К — Теплый белый, такой свет имеют лампы накаливания. Используется в жилых помещениях.
4100 К — нейтральный. Этот тип источников света используется в ванных комнатах, коридорах и кухнях жилых зданий, а также в производственных помещениях.
6500 К — холодный белый. Подходит для улицы.

Срок службы ламп накаливания

Какой бы ни была технология изготовления, каждый тип ламп накаливания имеет некоторый приблизительный срок службы. Это происходит из-за явления испарения нити накала, которое можно свести к минимуму, но полностью избежать невозможно.

Светодиоды славятся тем, что являются чрезвычайно долговечными продуктами. Многие светодиоды имеют номинальный срок службы до 50 000 часов. По данным большинства производителей светодиодного освещения, продолжительность жизни этих ламп составляет от 20 000 до 50 000 часов. Если лампочка используется восемь часов в день, она, скорее всего, прослужит около 17 лет.

Вывод:

Лампа накаливания — устройство, которое производит свет, нагревая подходящий материал до высокой температуры. Когда какое-либо твердое вещество или газ нагревается, обычно в результате сгорания или сопротивления электрическому току, оно испускает свет цвета (спектрального баланса), характерный для материала.

Специальные лампы

Также существуют более специфические разновидности ламп накаливания:

1. Коммутаторные — подкатегория сигнальных ламп, применяемых в коммутаторных панелях и выполняющих функции индикаторов. Это узкие, продолговатые и малогабаритные изделия, имеющие параллельные контакты гладкого типа. За счет этого могут помещаться в кнопки. Маркируются как «КМ 6-50». Первое число указывает на вольтаж, второе — ампераж (мА).
2. Перекальная, или фотолампа. Данные изделия используются в фототехнике для нормированного форсированного режима. Характеризуется высокими световой отдачей и цветовой температурой, но малым сроком эксплуатации. Мощность советских ламп достигала 500 Вт. В большинстве случаев колба матируется. Сегодня практически не используются.
3. Проекционные. Применялись в диапроекторах. Высокая яркость.

Двухнитевая лампа бывает нескольких разновидностей:

1. Для автомобилей. Одна нить используется для ближнего, другая — для дальнего света. Если рассматривать лампы для задних фонарей, то нити могут использоваться для стоп-сигнала и габаритного огня соответственно. Дополнительный экран может отсекать лучи, которые в лампе ближнего света могут слепить водителей встречных автомобилей.
2. Для самолетов. В посадочной фаре одна нить может использоваться для малого света, другая — для большого, но требует внешнего охлаждения и непродолжительной эксплуатации.
3. Для железнодорожных светофоров. Две нити необходимы для повышения надежности — если перегорит одна, то будет светиться другая.

Продолжим рассматривать специальные лампы накаливания:

1. Лампа-фара — сложная конструкция для подвижных объектов. Используется в автомобильной и авиационной технике.
2. Малоинерционная. Содержат тонкую нить накаливания. Применялась в звукозаписывающих системах оптического типа и в некоторых видах фототелеграфа. В наше время используется редко, поскольку есть более современные и улучшенные источники света.
3. Нагревательная. Применяется в качестве источника тепла в лазерных принтерах и копирах. Лампа имеет цилиндрическую форму, закрепляется во вращающемся металлическом валу, к которому прикладывается бумага с тонером. Вал передает тепло, что приводит к расплыванию тонера.

Сфера применения

Электрические лампы можно разделить на несколько видов по применению – для общественного, технического и специального использования.

Основное общественное применение – обеспечивать любого человека, животных и птиц искусственным светом в темное время суток или в темном месте помещения.

Используя свет, люди на несколько часов продлевают свою суточную активность. Это могут быть рабочие и учебные процессы, домашние дела. Улучшается безопасность на дорогах, возможность оказывать в вечернее и ночное время медицинскую помощь и мн.др.

Лампы активно применяются на животноводческих фермах и птицефабриках, для выращивания растений в тепличных комплексах. Их подсвечивают светом определенного спектра и величины светового потока. Для разведения рыбы тоже нужен свет с особым спектральным составом.

Реализован обогрев домашних животных.

Техническое назначение. В производстве для технологических целей используют устройства, дающие видимый и невидимый свет. Примеры:

• для точной и важной работы человеку требуется высокий уровень освещенности рабочего места;
• ИК – инфракрасное излучение используют в промышленности, например, для бесконтактного нагрева деталей конструкций или в климатической технике для обогрева человека, работающего на открытом морозном воздухе, в военной технике и охоте – ночные прицелы для оружия, приборы ночного видения и мн.др.;
• УФ-излучение применяют в стоматологии для быстрого отвердения пломб, при изготовлении зубных протезов и т.п., в медицине и санитарии – для дезинфекции помещений, инструмента, одежды, поверхностей мебели, воздуха, воды, лекарственных препаратов и пр.

Лампы специального назначения используют в наружной и внутренней световой рекламе, криминалистике, в авиации и космонавтике, световом сопровождении шоу-представлений и мн.др.

Почему их называют лампами Ильича?

За этим бытовым осветительным прибором на территории нашей страны закрепилось название лампа Ильича. Не каждый светильник достоин такого имени. Лишь голую лампочку на проводе без плафона можно назвать именем Ленина. Дело в том, что одной из первых задач молодой советской власти была электрификация страны. В 1920 году Владимир Ильич Ленин приехал в деревню Кашино на запуск электростанции. Там он побеседовал с крестьянами, сфотографировался с ними и провел митинг. Это, казалось бы, рядовое событие, нашло отражение в советской литературе и кино. А простой светильник, свисающий на проводе с потолка, стали называть лампой Ильича. Позже этот термин приобрел иронический оттенок, как пример проблемы, решенной на скорую руку.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Отношение светового потока к используемой мощности очень низкое: для лампы мощностью 40 Вт световой поток составляет около 1,9 %. Для ламп мощностью 100 Вт это соотношение возрастает до 2,6 %.

Повышение напряжения приводит к небольшому увеличению светоотдачи, но к резкому сокращению срока службы лампы. Для некоторых ламп использование тройных нитей увеличивает выход продукции.

Как увеличить срок службы лампы накаливания

Схема устройства для увеличении срока службы лампы накаливания

В среднем обычная бытовая лампочка накаливания служит 700-1000 часов. Но на деле элемент перегорает гораздо быстрее. Чтобы продлить срок службы лампочки, нужно предотвратить провоцирующие перегорание спирали факторы.

• Учитывать диапазон напряжений. Его указывают на колбе изделия. Как правило, он равен 125-135 Вт, 220-230 Вт, 2,3-2,4 кВт. При превышенном напряжении в доме изделие будет перегорать скорее. К примеру, в квартире максимальное напряжение 220 В, а лампа куплена с диапазоном 125-135 В. Здесь нить накала перегорит однозначно быстрее, поскольку увеличивается КПД изделия.
• Устранить неисправность патрона. Если лампы перегорают часто, стоит осмотреть его, перепроверить контакты. При необходимости патрон меняют.
• Исключить вибрации. Они приводят к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. Поэтому перенос мобильных светильников лучше выполнять с выключенной лампочкой.

Для продления срока службы лампы накаливания можно снизить напряжение в сети всего на 7-8%. В этом случае изделие проработает дольше в 3-3,5 раза при экономном расходе электроэнергии.

Достоинства и недостатки

Преимущества и недостатки ламп накаливания.

Преимущества:

• низкая стоимость;
• мгновенное зажигание при включении;
• небольшие габаритные размеры;
• широкий диапазон мощности.

Недостатки:

• большая яркость (отрицательно влияет на зрение);
• короткий срок службы — до 1000 часов;
• низкая эффективность — только десятая часть потребляемой лампой электроэнергии преобразуется в поток видимого света, остальная энергия преобразуется в тепловую.

В настоящее время лампы накаливания доступны в различных номиналах мощности, таких как 25, 40, 60, 75, 100 и 200 Вт и т.д. Существуют различные формы ламп, но в основном все они округлой формы. Для изготовления нити таких ламп в основном используются три материала: углерод, тантал и вольфрам. Углерод ранее использовался для материала нити накала, но в настоящее время для этой цели в основном используется вольфрам.

Температура плавления углеродной нити составляет около 3500°C, а рабочая температура этой нити составляет примерно 1800°C, следовательно, вероятность испарения значительно меньше. Благодаря этой углеродной нити накаливания лампы не затемняются из-за испарения нити накала.

Затемнение лампы накаливания происходит, когда молекулы материала нити накала превращаются в осадок на внутренней стенке стеклянной колбы из-за испарения нити накала во время работы. Это затемнение становится заметным после длительного срока службы лампы.

Определение 3

Люмен является характеристикой ламп накаливания. Люмен (символ — lm) — это производная единица светового потока, мера общего количества видимого света, излучаемого источником в единицу времени.

Эффективность лампы с углеродной нитью накаливания не очень хорошая, она составляет около 4,5 люмена на ватт. В качестве нити накала использовался тантал, но его эффективность намного ниже, она составляет около 2 люменов на ватт. Это связано с тем, что тантал очень редко используется в качестве элемента нити накала.

У вольфрама высока светоотдача. Он может выдавать 18 люмен на ватт при температуре 2000°C. Эта эффективность может достигать 30 люмен на ватт при температуре 2500°C. Высокая температура плавления является основным критерием для материала нити накала, поскольку он должен работать при очень высокой температуре без испарения.

Основные выводы

До недавнего времени лампы с нитью накала широко применялись в разных сферах жизни, но сейчас их активно вытесняют современные источники света. Однако многие потребители до сих пор остаются верными ЛН. Если вы из их числа, то при выборе лампочки учитывайте ее важные характеристики и маркировку. Также вам следует учитывать, что приборы с телом накала отличаются формой колбы, ее покрытием, наполнением, а также функциональным назначением. К основным плюсам лампочки накаливания относят низкую цену, простоту использования, приятную цветовую температуру, а к недостаткам – короткий ресурс работы, большие траты электроэнергии, ЛН выделяет много тепла и мало света. Использовать лампочку накаливания для освещения жилого помещения или нет – выбор за вами.