Диаметр спектра излучения лампы накаливания. Что выбрать: светодиоды или вольфрамовые лампы? Устройство и работа ламп накаливания

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:

1. 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.
2. 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.
3. Произойдет попадание влаги на разогретую колбу. В месте попадания возникает перепад температур, который производит разрушение стекла.
4. 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?

Лампа накаливания – простой и дешевый источник света с приятным для человеческого глаза цветовым оттенком

Лампа накаливания применяется как источник освещения уже более сотни лет. Это – патриарх среди других ламп, освещающих жилища человека по всему свету. И несмотря на все разговоры о неактуальности применения лампы накаливания в современном мире, ее судьба еще далека от выхода в тираж. Так что же она из себя представляет?

Лампа накаливания – принцип работы

Лампа накаливания представляет соединенные между собой стеклянную колбу, откуда собственно и исходит свет, и металлический цоколь, предназначенный для контакта с питающей электросетью. В стеклянной колбе расположена спираль – нить накала. Во время работы лампы нить накала при прохождения через нее электрического тока разогревается до большой температуры, могущей достигать 3000°С. Поэтому спираль изготавливается из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Температура плавления вольфрама 3422°С, что вполне достаточно для работы лампы накаливания.

Лампа накаливания – устройство (Нажмите для увеличения)

Нить накала внутри колбы обычно закреплена на двух никелевых контактах – электродах и поддерживается молибденовыми крючками – держателями, расположенными на стеклянном стержне.

Электроды, контактирующие с нитью накала, соединяются с двумя контактами на цоколе лампы. Расположение и вид контактов на цоколе лампы зависит от вида применяемого цоколя.

Иногда на одном из электродов делается специальное утоньшение, заключенное в стеклянную полость. Это утоньшение служит предохранителем, который в аварийной ситуации перегорает первым, что позволяет избежать взрыва стеклянной колбы лампы.

Из самой же колбы через стеклянную трубочку – штенгель откачивается воздух, после чего конец штенгеля запаивается. Воздух содержит кислород, поддерживающий горение, поэтому вольфрамовая спираль при работе в воздухе сгорела бы, не прослужив и секунды. Создание вакуума внутри колбы значительно продлевает срок службы лампы накаливания.

Но это справедливо лишь для маломощных ламп до 25ватт. Для более мощных ламп в колбу, дополнительно с откачкой воздуха, закачивается какой-нибудь инертный газ – ксенон, аргон или криптон. В основном применяется более дешевый, чем ксенон, криптон. Или еще более дешевый аргон, для большей экономии смешанный с азотом. Инертный газ позволяет нити накаливания прослужить более длительное время.

Это общее устройство ламп накаливания немного различно для разных типов ламп.

Виды ламп накаливания

Лампы накаливания подразделяются на лампы общего назначения, железнодорожные, автомобильные, судовые, для киноаппаратов, рудничные, маячные и на еще множество разных типов.

В зависимости от назначения у ламп накаливания может быть различного вида форма колба – конусная, цилиндрическая, шарообразная. Все зависит от того в каком типе светильников будет применяться лампа. Есть множество декоративных ламп накаливания, фантастичность форм которых зависит только от пределов фантазии дизайнера.

Колба лампы накаливания может быть не только прозрачной, но и матовой, зеркальной или цветной.

Различаются лампы накаливания и нитью накала, в том числе и толщиной нити. Нить накала может быть простой спиралью и спиралью, свернутой в спираль вторично, так называемые биспиральные лампы. Двойная спираль позволяет повысить мощность и яркость лампы без увеличения толщины нити накала, что привело бы к перегреву и более быстрому перегоранию нити. Биспиральные лампы также дают увеличение яркости без увеличения длины спирали, что привело бы к усложнению и удорожания конструкции лампы, хотя в некоторых случаях нить накала в колбе лампы может представлять собой ажурно-скрученную, паутинообразную конструкцию. Такое устройство спирали может использоваться в декоративных целях, например в . Существуют особо мощные лампы накаливания в несколько тысяч ватт, применяемые в прожекторах. Такие лампы имеют тройную спираль.

Лампы накаливания могут иметь также различные виды цоколя. Самые распространенные – резьбовые цоколи – обозначаются латинской буквой E (цоколь Эдисона) и цоколи байонетного типа – обозначаются латинской буквой B. Цоколи байонетного типа (штифтовой цоколь) с двумя боковыми штырьками – контактами, и с одним или двумя дополнительными нижними контактами, обычно применяются в автомобилях. Для ламп накаливания, применяющихся для освещения дома, – это резьбовой цоколь E двух типов размеров: Е14 (миньон) и обычный средний цоколь – Е27 (число указывает внешний диаметр цоколя в миллиметрах), наиболее узнаваемый каждым человеком, знакомым с определением «лампочка Ильича». Большой цоколь E40 применяется обычно в производстве, а в быту, пожалуй, только в прожекторах.

Характеристики ламп накаливания

Характеристики ламп накаливания находятся в зависимости от толщины и вида нити накала, колбы лампы, применяемого цоколя, отсутствия или наличия в колбе инертного газа.

Чем больше толщина нити накала, тем более мощной, а соответственно и яркой будет лампа накаливания. Чем мощнее будет лампа, тем больше будет размер ее колбы и при превышении границы мощности в 25 ватт понадобится добавление в колбу лампы инертного газа.

От того, какой инертный газ будет добавлен в колбу, зависит яркость лампы накаливания. Наименьшую яркость имеют лампы накаливания наполненные аргон-азотной смесью. Закачка в колбу лампы криптона немного повышает яркость свечения лампы. А добавление ксенона повышает яркость, по сравнению с аргоновыми лампами в два раза.

Устройство ламп накаливания для применения в сетях переменного и постоянного тока практически не отличается друг от друга. То есть лампы для переменного тока будут работать и при постоянном токе. И соответственно наоборот. Все различие между ними в величине напряжения на которое они рассчитаны. Если лампу накаливания, изготовленную для работы при определенном напряжении, включить в сеть с напряжением выше номинала данной лампы, то лампа естественно перегорит. Насколько быстро это произойдет, зависит от того, на сколько больше напряжение сети номинала лампы. Если напряжение сети больше номинала хотя бы раза в два, то лампа накаливания при включении мгновенно буквально взорвется осколками стекла. При включении лампы накаливания в сеть с пониженным напряжением лампа будет светить слабее, чем ей предназначено, или не будет работать вовсе, если напряжение слишком мало.

Обычно лампы накаливания на напряжение ниже 220 вольт применяют в сетях постоянного тока. За некоторым исключением для специальных ламп, применяемым, например, на судах или на железной дороге.

Лампы накаливания, на которых нанесено обозначение ровно 220 вольт, стоит применять только в сети со стабильным напряжением, например, при использовании хорошего стабилизатора напряжения. При использовании таких ламп накаливания в сети с постоянными перепадами напряжения, лампы весьма быстро выйдут из строя. При перепадах напряжения в сети применяют лампы накаливания с обозначением 230-240 вольт или еще лучше 235-245 вольт. Такие лампы в условиях нестабильного напряжения прослужат значительно дольше, но с другой стороны при наличии стабилизатора регулирующего постоянное напряжение 220 вольт они будут светить слабее, чем рассчитаны.

Удачи Вам в устройстве Удобного Дома! С уважением

Много разговоров и необоснованных споров стоит вокруг этого вопроса. Кто изобрел лампу накаливания? Одни утверждают, что это Лодыгин, другие, что Эдисон. Но все куда сложнее, давайте разберемся с хронологией исторических событий.

Существует множество методов трансформации электрической энергии в световую. К ним относятся лампы дугового принципа действия, газоразрядного и те, где источником свечения является нагревательная нить. Фактически лампочку накаливания тоже можно считать искусственным источником освещения, поскольку для ее работы применяется эффект нагреваемого проводника, через который проходит ток. В качестве накаливаемого элемента чаще всего выступает металлическая спираль или угольная нить. Помимо проводника в конструкцию лампочки входит колба, токоввод, предохранитель и цоколь. Однако всё это мы знаем уже сейчас. А ведь не так давно было время, когда несколько учёных вели одновременные разработки в области искусственных источников света и боролись за звание изобретателя лампочки.

Хронология изобретения

Читая всю статью снизу, очень удобно посматривать на эту таблицу:

Если вы хотите действительно разобраться, то настоятельно рекомендуем прочитать статью целиком.

Первые преобразования энергии в свет

В XVIII веке произошло знаменательное открытие, положившее начало огромной череде изобретений. Был обнаружен электрический ток. На рубеже следующего столетия итальянским учёным Луиджи Гальвани был изобретен способ получения электрического тока из химических веществ – вольтов столб или гальванический элемент. Уже в 1802 году физик Василий Петров открыл электрическую дугу и предложил применять ее в качестве осветительного устройства. Через 4 года королевское общество увидело электрическую лампу Гемфри Дэви, она освещала помещение за счёт искорок между стержнями из угля. Первые дуговые лампы отличались чересчур высокой яркостью и ценой, что делало их непригодными для ежедневного использования.

Лампа накаливания: прототипы

Первые разработки осветительных ламп с накаливаемыми элементами начались в середине 19-ого века. Так, в 1838 году бельгийский изобретатель Жобар представил проект лампы накаливания с угольным сердечником. Хотя время работы этого устройства не превышало получаса, оно являло собой свидетельство технологического прогресса в данной области. В 1840 -м году, Уоррен де ла Рю, английский астроном, произвёл лампочку с платиновой спиралью, первую в истории электротехники лампу с накаливаемым элементом в виде спирали. Изобретатель пропустил электрический ток через вакуумную трубку с помещенным в нее мотком платиновой проволоки. В результате нагревания платина излучала яркое свечение, а практически полное отсутствие воздуха позволяло использовать устройство в любых температурных условиях. Из-за дороговизны платины в коммерческих целях применять такую лампу было нелогично, даже с учётом её эффективности. Однако в дальнейшем именно образец этой лампочки стали считать предком других ламп накаливания. Уоррен де ла Рю спустя несколько десятилетий (в 1860 -х) принялся активно изучать феномен газоразрядного свечения под воздействием тока.

В 1841 году англичанин Фредерик де Молейн запатентовал лампы, представлявшие собой колбы с платиновой нитью, наполненные углеродом. Однако, проведенные им в 1844 г. испытания в отношении проводников, не увенчались успехом. Это было связано с быстрым плавлением платиновой нити. В 1845 году уже другой учёный, Кинг, заменил платиновые элементы накаливания на угольные палочки и получил на свое изобретение патент. В эти же годы за океаном, в США, Джон Старр запатентовал лампочку с вакуумной сферой и углеродной горелкой.

В 1854 -м году немецкий часовщик Генрих Гёбель придумал устройство, считающееся прототипом современных лампочек. Он продемонстрировал её на электротехнической выставке в США. Она представляла собой вакуумную лампу накаливания, которая действительно годилась для применения в самых различных условиях. В качестве источника света Генрих предложил использовать бамбуковую нить, которая была обуглена. Взамен колбы учёный брал простые бутылочки от туалетной воды. Вакуум в них создавался за счёт добавления и выливания ртути из колбы. Недостатком изобретения являлась излишняя хрупкость и время работы всего на несколько часов. В годы активной исследовательской жизни Гёбель не смог встретить должного признания в обществе, но в 75 лет он был назван изобретателем первой практичной лампы накаливания на основе угольной нити. Кстати, именно Гёбель впервые воспользовался осветительными проборами в рекламных целях: он ездил по Нью-Йорку на телеге, украшенной лампочками. На издали привлекающей внимание коляске была установлена подзорная труба, через которую ученый позволял за некоторую плату взглянуть на звёздное небо.

Первые результаты

Наиболее эффективные результаты в области получения вакуумной лампочки были достигнуты известным химиком и физиком из Англии – Джозефом Суоном (Своном). В 1860 годе он получил патент на своё изобретение, хотя лампа работала не слишком долго. Это было связано с использованием углеродной бумаги — она быстро превращалась в крошки после горения.

В середине 70-х гг. 19-го века параллельно со Своном несколько изобретений запатентовал и российский учёный. Выдающийся учёный и инженер Александр Лодыгин изобрёл в 1874 году нитевую лампу, в которой для нагревания использовался угольный стержень. К опытам по изучению осветительных приборов он приступил в 1872 году, находясь в Петербурге. В результате, благодаря банкиру Козлову, было основано общество по эксплуатации лампочек с углём. За своё изобретение учёный получил премию в Академии наук. Эти лампы сразу же стали использоваться для уличного освещения и здания Адмиралтейства.

Алекса́ндр Никола́евич Лоды́гин

Лодыгин также был первым, кто придумал применять закрученные в спираль вольфрамовые или молибденовые нити. К 1890 -м гг. у Лодыгина на руках было несколько разновидностей ламп с накаливаемыми нитями из разных металлов. Он предложил откачивать воздух из лампочки, чтобы процесс окисления шёл медленнее, а значит, срок службы лампы был больше. Первая коммерческая лампа со спиралевидной нитью из вольфрама в Америке производилась в дальнейшем как раз по патенту Лодыгина. Он изобрёл даже лампочки с газом, заполненные угольной нитью и азотом.

Идея Лодыгина в 1875 году была усовершенствована другим русским механиком-изобретателем Василием Дидрихсоном. Он изготавливал угольки, обугливая древесные цилиндрики в графитовых тиглях. Именно он первым сумел осуществить откачку воздуха и установил в лампочку более одной нити, чтобы при перегорании происходила замена. Выпущена такая лампа была под руководством Кона, а освещать ею стали большой магазин белья и подводные кессоны во время строительства моста в Петербурге. В 1876 году лампу усовершенствовал Николай Павлович Булыгин. Учёный накаливал только один конец уголька, который постоянно выдвигался в процессе обгорания. Тем не менее, устройство было сложным и дорогим.

В 1875-76 гг. электротехник Павел Яблочков, создавая электрическую свечу, обнаружил, что каолин (разновидность белой глины) под воздействием высокой температуры хорошо проводит электричество. Он изобрёл каолиновую лампочку с нитью накаливания из соответствующего материала. Отличительной особенностью этой лампы является тот факт, что для её работы не требовалось помещать каолиновую нить в вакуумную колбу – она сохраняла работоспособность при контакте с воздухом. Созданию лампочки предшествовала долгая работа учёного над дуговыми лампочками в Париже. Однажды Яблочков посещал местное кафе и, наблюдая за расставлением столовых приборов официантом, пришёл к новой идее. Угольные электроды он решил располагать параллельно друг другу, а не горизонтально. Существовала, правда, опасность, что выгорать будет не только дуга, но и токопроводящие зажимы. Дилемму решили за счёт добавления изолятора, постепенно выгоравшего вслед за электродами. Этим изолятором и стала белая глина. Чтобы лампочка загоралась, между электродами разместили перемычку из угля, а неравномерное сгорание самих электродов было сведено к минимуму за счёт использования генератора переменного тока.

Своё изобретение Яблочков продемонстрировал на технологической выставке в Лондоне в 1876 году. Уже через год один из французов, Денейруз, учредил акционерное общество по исследованию осветительных технологий Яблочкова. Сам учёный слабо верил в будущее лампы накаливания, однако электрические свечи Яблочкова имели огромную популярность. Успех был обеспечен не только низкой ценой, но и продолжительностью горения в 1,5 часа. Благодаря этому изобретению появились фонари с заменой свеч, и улицы стали освещать гораздо лучше. Правда, минусом таких свечей было наличие только переменного потока света. Чуть позже физик из Германии, Вальтер Нернст, разработал лампочку такого же принципа, но нить накаливания сделал из магнезии. Лампа зажигалась только после нагревания нити, для чего использовали сначала спички, а потом электрические нагреватели.

Борьба за патенты

К концу 1870-х гг. свою исследовательскую деятельность начал выдающийся инженер и изобретатель Томас Эдисон, живший в США. В процессе создания лампы он перепробовал разные металлы для нитей накаливания. Изначально учёный полагал, что решение проблемы электрических лампочек можно за счёт автоматического их отключения при высоких температурах. Но эта идея не сработала, так как постоянное выключение холодной лампы приводило лишь к получению непостоянного мерцающего излучения. Существует версия, что в конце 70-х гг. лейтенант русского флота Хотинский привёз несколько лампочек накаливания Лодыгина и показал их Эдисону, что и повлияло на его дальнейшие разработки.

Не останавливаясь на своих достижениях в Англии, Джозеф Суон (Joseph Swan), уже известный на тот момент в научных кругах, в 1878 году запатентовал лампу с угольным волокном. Оно помещалось в разреженную атмосферу с кислородом, поэтому свет выходил очень ярким. Уже через год в Англии появилось электрическое освещение в большинстве домов.

То́мас А́льва Эдисон

Тем временем, Томас Эдисон взял на работу в свою лабораторию Френсиса Аптона. Вместе с ним материалы стали тестировать точнее, и внимание было приковано к недочётам предыдущих патентов. В 1879 г. Эдисоном была запатентована лампочка с платиновой основой, а уже через год учёный создал лампу с угольным волокном и бесперебойным действием на 40 часов. За время работы американец провёл 1,5 тысячи испытаний и смог создать также поворотный выключатель бытового типа. Никаких новых изменений в электрическую лампочку Лодыгина Томас Эдисон в принципе не внёс. Просто из его стеклянной сферы с угольной нитью выкачивалась большая доля воздуха. Важнее то, что американский учёный разработал надсистему для лампочки, изобрел винтовой цоколь, патрон и предохранители, а в последствии организовал массовое производство.

Новые источники света смогли вытеснить газовые, а само изобретение некоторое время называлось лампой «Эдисона-Суона». В 1880 году Томас установил самое верное значение вакуума, которое создавало самое устойчивое безвоздушное пространство. Из лампочки воздух откачивали с помощью ртутного насоса.

К концу 1880 года бамбуковые волокна в лампочках могли гореть около 600 часов. Этот материал из Японии был признан лучшим угольным компонентом органического типа. Поскольку бамбуковые нити стоили довольно дорого, изготавливать их Эдисон предложил из хлопковых волокон, обработанных специальных способов. Первые компании для возведения крупных электрических систем были созданы в Нью-Йорке в 1882 году. В этот период Эдисон даже подавал в суд на Суона по поводу нарушения авторских прав. Но в итоге учёные создали совместную фирму «Edison-Swan United», которая довольно быстро выросла в мирового лидера по производству электрических лампочек.

За свою жизнь Томас Эдисон смог получить 1093 патента. Среди его известных изобретений: фонограф, кинетоскоп, телефонный передатчик. Однажды его спросили, не обидно ли было ошибаться 2 тысячи раз перед созданием лампочки. Учёный ответил: «Я не ошибался, а обнаружил 1 999 способов, как не нужно делать лампочку».

Металлические нити накаливания

На исходе 1890-х гг. стали появляться новые лампочки. Так, нити накаливания Вальтер Нернст предложил делать из особого сплава, в состав которого входили окиси магния, иттрия, тория и циркония. В лампе Ауэра (Карл Ауэр фон Вельсбах, Австрийская республика) излучателем света выступала осмиевая нить, а в лампочке Больтона и Фейерлейна – танталовая. Александр Лодыгин в 1890 году запатентовал лампу накаливания, где применялась быстронакаливаемая нить из вольфрама (было использовано несколько тугоплавким металлов, но именно вольфрам по результатам исследований имел лучшие показатели). Примечательно, что спустя 16 лет он продал все права на своё революционное изобретение промышленному гиганту «General Electric», компании, основанной великим Томасом Эдисоном.

Однако в истории электротехники известно два патента на вольфрамовую лампу – в 1904 году дуэт ученых Шандора Юста и Франьо Ханамана зарегистрировали изобретение, аналогичное лодыгинскому. Спустя год в Австро –Венгрии приступили к массовому выпуску этих ламп. Позднее в «General Electric» стали производить лампочки-колбы с инертными газами. Учёному из этой организации, Ирвингу Ленгмюру, в 1909 году удалось модернизировать изобретение Лодыгина, добавив в неё аргон с целью продлить срок действия и увеличить светоотдачу.

В 1910 году Вильям Кулидж усовершенствовал процессы промышленного изготовления вольфрамовых нитей, после чего начался выпуск ламп не только с элементом накаливания в виде спирали, но и в виде зигзага, двойной и тройной спирали.

Дальнейшие изобретения

• С момента создания первых осветительных электроприборов постоянно проводились изучения свойств газоразрядных ламп, однако вплоть до начала 20-го столетия ученые проявляли к ним слабый интерес. Примером может послужить тот факт, что первейшие примитивные прототипы ртутных ламп были сконструированы в Великобритании еще в 1860-х годах, однако лишь в 1901 году Петер Хьюит изобрёл ртутную лампу низкого давления. Через пять лет в производство вышли аналоги высокого давления. А в 1911 году Жорж Клауди, инженер-химик из Франции, показал миру неоновую лампочку, которая тут же стала центром внимания всех рекламщиков.
• В 1920-40-е гг. были изобретены натриевые лампы, люминесцентные и ксеноновые. Часть из них стали массово производить даже для использования в быту. На сегодняшний день в известно порядка 2 тысяч разновидностей источников света.
• В СССР разговорным названием лампы накаливания стало словосочетание «лампочка Ильича». Именно эта идиома стала родной для крестьян и колхозников во времена всеобщей электрификации. В 1920 г. Владимир Ленин посетил одну из деревень для запуска электростанции, тогда-то и появилось крылатое выражение. Впрочем, изначально данное выражение применялось для обозначения плана по электрификации сельского хозяйства, поселков и деревень. Лампочка Ильича представляла собой патрон, свободно подвешиваемый за провод к потолку и свисающий вниз без плафона. В конструкцию патрона также входил выключатель, а проводка прокладывалась открытым способом по стенам.
• Светодиодные лампы были разработаны в 60-х гг. для промышленных целей. Они имели небольшую мощность и не могли освещать территорию как следует. Однако сегодня именно это направление считается самым перспективным.
• В 1983 г. появились компактные люминесцентные лампочки. Их изобретение было особенно важно в условиях необходимости экономии электроэнергии. К тому же, они не требуют дополнительной пусковой аппаратуры и подходят к стандартным патронам для ламп накаливания.
• Не так давно сразу две фирмы из Америки создали для потребителей флуоресцентные лампы с возможностью очищения воздуха и удаления неприятных запахов. Поверхность их покрыта двуокисью титана, которая, облучаясь, запускает фотокаталитическую реакцию.

Видео как делают лампы накаливания на старых заводах.

Нередко бывает так, что используемое в быту устройство, имеющее большое значение для всего человечества, ничем не напоминает нам о его создателе. А ведь в наших домах зажглась благодаря усилиям конкретных людей. Их заслуга для человечества неоценима - наши дома наполнились светом и теплом. История представленная ниже, познакомит вас с этим великим изобретением и с именами тех, с кем оно связано.

Что касается последних, можно отметить два имени - Александра Лодыгина и Томаса Эдисона. Хотя заслуга русского ученого была очень велика, пальма первенства принадлежит именно американскому изобретателю. Поэтому мы вкратце расскажем о Лодыгине и подробно остановимся на достижениях Эдисона. Именно с их именами связывается история ламп накаливания. Говорят, что на лампочки у Эдисона ушло огромное количество времени. Ему пришлось провести около 2 тысяч опытов, прежде чем на свет появилась знакомая нам всем конструкция.

Изобретение, сделанное Александром Лодыгиным

История ламп накаливания очень похожа на истории других сделанных в России изобретений. Александр Лодыгин, русский ученый, смог заставить угольный стержень светиться в стеклянном сосуде, откуда был откачан воздух. История создания лампы накаливания начинается в 1872 году, когда ему удалось это сделать. Александр получил патент на электрическую угольную лампу накаливания в 1874 году. Немного позже он предложил заменить вольфрамовым угольный стержень. Вольфрамовая деталь и сейчас используется в лампах накаливания.

Заслуга Томаса Эдисона

Однако именно американский изобретатель, смог создать долговечную, надежную и недорогую модель в 1878 году. Кроме того, ему удалось наладить ее производство. В его первых лампах в роли нити накаливания была обугленная стружка, сделанная из японского бамбука. Вольфрамовые нити, привычные нам, появились значительно позже. Они стали использоваться по инициативе Лодыгина, упоминавшегося выше русского инженера. Не будь его, кто знает, как сложилась бы история ламп накаливания дальнейших лет.

Американский менталитет Эдисона

Существенно отличается от русского. У гражданина США Томаса Эдисона в дело шло все. Интересно, что, размышляя о том, как сделать более прочной телеграфную ленту, этот ученый изобрел вощение бумаги. Затем эта бумага использовалась в виде обертки для конфет. Семь столетий западной истории предшествовали изобретению Эдисона, и не столько развитием технической мысли, сколько постепенно формировавшимся у людей активным отношением к жизни. Многие талантливые ученые упорно шли к этому изобретению. История происхождения лампы накаливания связана, в частности, с именем Фарадея. Он создал фундаментальные труды по физике, без опоры на которые вряд ли было бы осуществимо изобретение Эдисона.

Другие изобретения, сделанные Эдисоном

Томас Эдисон появился на свет в 1847 году в Порт-Херон, небольшом американском городке. В самореализации Томаса сыграло роль то, что молодой изобретатель обладал способностью мгновенно находить инвесторов для своих идей, даже самых дерзких. И они были готовы рискнуть немалыми суммами. Например, еще будучи подростком, Эдисон решил печатать газету в поезде во время движения и затем продавать ее пассажирам. А новости для газеты следовало собирать прямо на остановках. Сразу же нашлись люди, которые ссудили деньги на покупку небольшого печатного станка, а также те, которые пустили Эдисона в багажный вагон с этим станком.

Изобретения до Томаса Эдисона делались либо учеными и были побочным продуктом осуществленных ими открытий, либо практиками, которые совершенствовали то, с чем им приходилось работать. Именно Эдисон сделал изобретательство отдельной профессией. У него было множество идей, и практически каждая из них делалась ростком для последующих, которые требовали дальнейшей разработки. Томас в течение всей своей долгой жизни не заботился о своем личном комфорте. Известно, что, когда он посетил Европу, будучи уже в зените славы, то был разочарован ленью и щеголеватостью европейских изобретателей.

Сложно было найти область, в которой Томас не совершил бы прорыв. Подсчитано, что этот ученый ежегодно делал около 40 крупных открытий. В общей сложности Эдисон получил 1092 патента.

Дух американского капитализма толкал вверх Томаса Эдисона. Ему удалось разбогатеть еще в возрасте 22 лет, когда он придумал котировочный "тиккер" для бостонской биржи. Однако самым важным изобретением Эдисона было именно создание лампы накаливания. Томасу удалось с ее помощью электрифицировать всю Америку, а затем и весь мир.

Строительство электростанции и первые потребители электроэнергии

История создания лампы начинается со строительства небольшой электростанции. Ученый соорудил ее у себя в Менло-Парке. Она должна была обслуживать нужды его лаборатории. Однако получаемой энергии оказалось больше, чем было необходимо. Тогда Эдисон начал продавать излишек соседям-фермерам. Вряд ли эти люди понимали, что стали первыми платными потребителями электроэнергии в мире. Эдисон никогда не стремился стать предпринимателем, однако когда он нуждался для своей работы в чем-либо, он открывал небольшое производство в Менло-Парке, впоследствии разраставшееся до больших размеров и шедшее своим путем развития.

История изменения устройства лампы накаливания

Электрическая лампа накаливания представляет собой источник света, где преобразование в световую энергию электрической происходит из-за накаливания тугоплавкого проводника электрическим током. Световая энергия впервые была получена таким способом при пропускании тока сквозь угольный стержень. Этот стержень был помещен в сосуд, из которого предварительно был откачан воздух. Томас Эдисон в 1879 году создал более-менее долговечную конструкцию с использованием угольной нити. Однако имеется довольно длительная история возникновения лампы накаливания в современном виде. В качестве тела накала в 1898-1908 гг. пытались применять разные металлы (тантал, вольфрам, осмий). Вольфрамовую нить, зигзагообразно расположенную, начали использовать с 1909 года. Лампы накаливания начали наполнять в 1912-13 гг. (криптоном и аргоном), а также азотом. В это же время вольфрамовую нить стали делать в виде спирали.

История развития лампы накаливания далее отмечена ее усовершенствованием путем улучшения световой отдачи. Это осуществлялось с помощью повышения температуры тела накала. Срок службы лампы при этом сохранялся. Заполнение ее инертными высокомолекулярными газами с добавлением галогена привело к уменьшению загрязнения колбы частицами вольфрама, распыляющегося внутри нее. Кроме того, это уменьшило скорость его испарения. Применение тела накала в виде биспирали и триспирали привело к сокращению теплопотерь через газ.

Такова история изобретения лампы накаливания. Наверняка вам интересно будет узнать и о том, что представляют собой различные ее разновидности.

Современные разновидности ламп накаливания

Множество разновидностей электрических ламп состоит из определенных однотипных частей. Они различаются формой и размерами. На металлическом или стеклянном штенгеле внутри колбы закреплено тело накала (то есть сделанная из вольфрама спираль) с помощью держателей, выполненных из молибденовой проволоки. К концам вводов прикреплены концы спирали. Для того чтобы создать вакуумноплотное соединение с лопаткой, выполненной из стекла, средняя часть вводов выполняется из молибдена или платинита. Колба лампы во время вакуумной обработки наполняется инертным газом. Затем штенгель заваривается и образуется носик. Лампа для крепления в патроне и защиты носика снабжается цоколем. Он прикрепляется цоколевочной мастикой к колбе.

Внешний вид ламп

Сегодня существует множество накаливания, которые можно разделить по областям применения (для автомобильных фар, общего назначения и др.), по светотехническим свойствам их колбы или по конструктивной форме (декоративные, зеркальные, с рассеивающим покрытием и др.), а также по форме, которую имеет тело накала (с биспиралью, с плоской спиралью и др.). Что касается габаритов, выделяют крупногабаритные, нормальные, малогабаритные, миниатюрные и сверхминиатюрные. Например, к последним относятся лампы, имеющие длину менее 10 мм, диаметр которых не превышает 6 мм. Что касается крупногабаритных, к ним принадлежат такие, длина которых составляет более 175 мм, а диаметр - не менее 80 мм.

Мощность ламп и срок службы

Современные лампы накаливания могут работать при напряжении от долей единицы до нескольких сотен вольт. Их мощность может составлять десятки киловатт. Если увеличить напряжение на 1 %, световой поток повысится на 4 %. Однако при этом срок службы сократится на 15 %. Если включить лампу на короткий срок на напряжение, которое превышает на 15 % номинальное, она будет выведена из строя. Именно поэтому так часто перепады напряжения вызывают перегорание лампочек. От пяти часов до тысячи и более колеблется срок их службы. Например, на короткое время рассчитаны самолетные фарные лампы, а транспортные могут работать очень долго. В последнем случае их следует устанавливать в местах, которые обеспечивают легкость замены. Сегодня световая отдача ламп зависит от напряжения, конструкции, продолжительности горения и мощности. Она составляет около 10-35 лм/Вт.

Лампы накаливания сегодня

Лампы накаливания по своей световой отдаче, безусловно, проигрывают источникам света, работающим от газа (люминесцентная лампа). Тем не менее они проще в эксплуатации. Для ламп накаливания не требуется сложной арматуры или пусковых устройств. По мощности и напряжению для них практически не существует ограничений. В мире сегодня каждый год производится около 10 млрд ламп. А число их разновидностей превышает 2 тысячи.

Светодиодные лампы

История происхождения лампы уже написана, тогда как история развития этого изобретения еще не завершена. Появляются новые разновидности, которые становятся все более популярными. Речь идет в первую очередь о светодиодных лампах (одна из них представлена на фото выше). Они известны также как энергосберегающие. Эти лампы обладают светоотдачей, превышающей более чем в 10 раз светоотдачу ламп накаливания. Однако у них имеется недостаток - источник питания должен быть низковольтным.

Лампа накаливания

Ла́мпа нака́ливания - электрический источник света , в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама .

Принцип действия

В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов. При температуре 5770 (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение . Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления . Температура в 5771 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления - вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

Для оценки данного качества света используется цветовая температура . При типичных для ламп накаливания температурах 2200-3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид . По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом , аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

Конструкция

Конструкция современной лампы. На схеме: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы - как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга , которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.

Колба

Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.

Газовая среда

Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N 2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы : N 2 - 28,0134 /моль ; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).

Галогенная лампа

Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама , иногда осмиево -вольфрамового сплава . Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).

Электротехнические параметры

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений . Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R ) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R . Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление , для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон .

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока . При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.

Цоколь

В США и Канаде используются иные цоколи (это частично обусловлено иным напряжением в сетях - 110 В, поэтому иные размеры цоколей предотвращают случайное ввинчивание европейских ламп, рассчитанных на иное напряжение): Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul) . Также, аналогично Европе, встречаются цоколи без резьбы.

Номенклатура

По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:

• лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;
• декоративные лампы , выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром около 45 мм;
• лампы местного освещения , конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
• иллюминационные лампы , выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками (цветным цапонлаком), их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
• зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;
• сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами;
• транспортные лампы - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);
• прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счет особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки;
• лампы для оптических приборов , к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);

Специальные лампы

Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)

История изобретения

Лампа Лодыгина

Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна.

• В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью) .
• В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания.
• В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой.
• В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому, что лампа Суона работала недолго и неэффективно.
• 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.
• В 1875 году В. Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, осуществив откачку воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из них, следующий включался автоматически).
• Английский изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось 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 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель . Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
• В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов . Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз . Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом) .
• С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна)
• В 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году .
• В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric . В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.
• В 1910 году 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, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом Ленгмюром , который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в производство наполнение колбы ламп инертными , точнее - тяжёлыми благородными газами (в частности - аргоном), что существенно увеличило время их работы и повысило светоотдачу.

КПД и долговечность

Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения

Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.

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

Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД , но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом , благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.

Так как стоимость потребленной за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается, и лампа выходит из строя.

Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода устройства плавного запуска.

Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт , а 100-ваттная - более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.

Ниже представлено приблизительное соотношение мощности и светового потока для обычных прозрачных ламп накаливания в форме "груши", популярных в России, цоколь E27, 220В.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):

• Вакуумные (самые простые)
• Аргоновые (азот-аргоновые)
• Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых)
• Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых)
• Галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл)
• Галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счёт лучшего нагрева внутренней колбы)
• Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых)
• Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
• Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества:

• налаженность в массовом производстве
• малая стоимость
• небольшие размеры
• отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
• нечувствительность к ионизирующей радиации
• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
• быстрый выход на рабочий режим
• невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
• отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
• возможность работы на любом роде тока
• нечувствительность к полярности напряжения
• возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
• отсутствие мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях).
• отсутствие гудения при работе на переменном токе
• непрерывный спектр излучения
• приятный и привычный в быту спектр
• устойчивость к электромагнитному импульсу
• возможность использования регуляторов яркости
• не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату

Недостатки:

Ограничения импорта, закупок и производства

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные , светодиодные , индукционные и др.) лампы.

В России

По некоторым источникам в 1924 году между участниками картеля была достигнута договорённость об ограничении времени жизни ламп накаливания в 1000 часов. При этом все производители ламп, состоящие в картеле, были обязаны вести строгую техническую документацию по соблюдению мер, предотвращающих 1000-часовое превышение цикла жизни ламп.

Кроме того картелем были разработаны ныне действующие стандарты цоколя Эдисона .

См. также

Примечания

1. Лампы с белыми LED подавляют выработку мелатонина - Газета.Ru | Наука
2. Buy Tools, Lighting, Electrical and DataComm Supplies at GoodMart.com
3. Фотолампа // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. - М .: Советская энциклопедия , 1981.
4. Е. М. Голдовский. Советская кинотехника. Издательство Академии Наук СССР, Москва-Ленинград. 1950, C. 61
5. История изобретения и развития электрического освещения
6. Давид Шарле. Король изобретательства Томас Альва Эдисон
7. Электротехническая энциклопедия. История изобретения и развития электрического освещения
8. A. de Lodyguine, U.S. Patent 575,002 «Illuminant for Incandescent Lamps». Application on January 4, 1893 .
9. Г.С.Ландсберг. Элементарный учебник физики (рус.) . Архивировано из первоисточника 1 июня 2012. Проверено 15 апреля 2011.
10. en:Incandescent light bulb
11. [ Лампа накаливания] - статья из Малого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона
12. The History of Tungsram (PDF). Архивировано (англ.)
13. Ganz and Tungsram - the 20th century (англ.) .(недоступная ссылка - история ) Проверено 4 октября 2009.
14. А. Д. Смирнов, К. М. Антипов. Справочная книга энергетика. Москва, "Энергоатомиздат", 1987.
15. Keefe, T.J. The Nature of Light (2007). Архивировано из первоисточника 1 июня 2012. Проверено 5 ноября 2007.
16. Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Архивировано из первоисточника 1 июня 2012. Проверено 16 апреля 2006.
17. Black body visible spectrum
18. See luminosity function.
19. Лампы накаливания, характеристики . Архивировано из первоисточника 1 июня 2012.
20. Таубкин С. И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы - М., 1999 с. 104
21. 1 сентября в ЕС прекратится продажа 75-ваттных ламп накаливания.
22. ЕС ограничивает продажу ламп накаливания с 1 сентября, европейцы недовольны. «Интерфакс-Украина».
23. Медведев предложил запретить «лампочки Ильича» , Lenta.ru, 02.07.2009.
24. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
25. Саботируй вето, Lenta.ru, 28.01.2011.
26. «Лисма» приступила к выпуску новой серии ламп накаливания, ГУП РМ «ЛИСМА».
27. Голь на выдумки хитра: в продаже появились лампы накаливания мощностью 95Вт, ЭнергоВОПРОС.ру.
28. http://russeca.kent.edu/InternationalBusiness/Chapter09/t09p23.html Ограничительная деловая практика в области передачи технологии (ОДП)