Лампа накаливания

Ла́мпа нака́ливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металической спиралью при протекании через неё электрического тока.

Содержание

Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.

Конструкция

Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников и стеклянной колбы, ограждающей нить накала от окружающей среды.

Колба

Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.

Буферный газ

Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа с по возможности наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)

Нить накала

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

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

Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.

В мигающих лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.

Цоколь

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

КПД и долговечность

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

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

Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. В тех местах, где за счёт неравномерного испарения материала возникло сужение нити, разогрев, за счёт большего сопротивления этого участка, идёт сильнее, что ведёт к ещё большему испарению материала в этом месте. В конце-концов это сужение истончается настолько, что плавится или полностью испаряется, приводя к прерыванию тока и т.о. выходу лампы из строя.

Галогенные лампы

Добавление в буферный газ галогенов брома или йода повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура составляет примернно 3000 К. Так называемые «галогенки» достигают эффективности 28 лм/Вт.

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

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

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

Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой) [1].

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

Специальные лампы

  • Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную температуру нити (и соответственно, повышенную яркость и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
  • Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.
  • Полупроводниковые источники света (ПИС, диоды, LED). В полупр. источ. света электро-магнитное излучения создается путем взаимодействия (рекомбинация) электронов (отрицательный заряд)с электорнными дырами (положительный заряд)[1]. При рекомбинации происходит излучение кванта света (фотона) с определённым зарядом энергии, соответствующей энергитической зоне полупроводника. Например в неорганических световых диодах рекомбинация происходит в так называемой "p-n" зоне контакта. Например полупроводниковая матрица GaN состоит из Mg+2 (p) и Si+4 (n) зон. Если через эту систему пропустить электрический ток в направлении переноса заряда, электроны и элект. дыры будут перенесены в зону рекомбинации, где произойдет рекомбинация и излучение фотона. При приложении ел. тока в обратном направлении (блокировка) то и имеет место понижение колл. заряженных частиц в активном слое (рекомбинационный слой) и излучение фотона не будет. ПИС исполь. уже в течении 60 лет. Основные преимущества ПИС: очень высокий срок службы (порядка 10000 часов)[2]. Геометрическая\Физическая гибкость\пластичность. Удобная эксплуатация в связи с низким потреблением энергии (ниже чем у галогеновых ламп, сравнимы в газовыми лампами).
    • Литература
      • 1. A. Zukauskas, M.S. Shur and R. Caska, Introduction to solid-state ligthing, John Willey & Sohn, 2002
      • 2. K. Bando, Symp. Proc. Of the 8th Int. Symp. on the Sci. & Tech. of Ligth Sources 1998, 80

История изобретения

В 1854 году, то есть 150 лет тому назад, германский часовщик Гейнрих Гебель представил в Нью-Йорке первую пригодную для практического применения электрическую лампу накаливания. Он взял обугленную бамбуковую нить, вставил ее в стеклянную колбу с откачанным воздухом и, подавая на нить более 100 часов ток из батареи, накалил ее до свечения. Однако только после возникшего в 1893 году спора вокруг патента приглашённому на него свидетелю Гейнриху Гебелю с запозданием пришло заслуженное признание. С тех пор Гебель считается изобретателем первой пригодной для практического применения лампы накаливания с угольной нитью.

Гейнрих Гебель родился 20 апреля 1818 года в городке Шпринге под Ганновером. Он изучил ремесло часовщика и оптика. Его хорошие профессиональные навыки позволили ему установить связи с профессорами ганноверского политехникума. Предположительно еще в Шпринге Гебель начал проводить опыты с целью совершенствования лампы накаливания на основе образца К. В. Штарра. Американец К. В. Штарр подал в 1845 году в Великобритании заявку на патент, в которой он описал, как разместив тело накала в вакууме и подведя к нему два электрода, можно довести его до свечения.

В 1848 революционном году тридцатилетний Гейнрих Гебель эмигрирует со своей семьей в США и открывает в Нью-Йорке часовой магазин. Чтобы привлечь к своему магазину внимание покупателей, он устанавливает на крыше цинково-угольную батарею и получает такие яркие световые дуги, что соседи вызывают пожарных. После нескольких выездов пожарных суд запрещает Гебелю использовать дуговую лампу на крыше. Наверное, именно это стало причиной того, почему он стал заниматься лампой накаливания.

Часовая мастерская Гебеля превратилась в «лабораторию», в которой он начал разрабатывать лампу накаливания. Решающим шагом стало использование обугленной бамбуковой нити в качестве нити накаливания. Гебелю удалось довести помещенную в вакуум угольную нить толщиной 0,2 мм до свечения. Угольная нить светилась значительно дольше, чем все остальные металлические нити, использовавшиеся в экспериментах. В целях экономии Гебель в качестве стеклянной колбы сначала использовал флаконы от одеколона, а позднее — стеклянные трубки. Вакуум в стеклянной колбе он создавал путем заполнения и выливания ртути, то есть с помощью метода, применявшегося при строительстве барометров. В качестве источника тока служила батарея Вольта.

В 1854 году, то есть за 25 лет до Эдисона, Гебель представил первые подходящие для практического применения лампы накаливания с угольными нитями со сроком горения около 200 часов. Он использовал их для освещения своего часового магазина. Чтобы улучшить свое финансовое положение, Гебель разъезжал по Нью-Йорку на коляске и предлагал желающим посмотреть на звёзды через подзорную трубу. Свою коляску он украсил лампами накаливания. Таким образом, можно сказать, что Гейнрих Гебель был первым, кто использовал свет в рекламных целях.

Лампа накаливания Гебеля не нашла тогда должного внимания. Для ее промышленного изготовления и широкого использования еще не было важных предпосылок. Создание глубокого вакуума стало возможным лишь после появления ртутного насоса Шпренгеля в 1865 году. Непрерывное производство энергии стало возможным после разработки Сименсом динамо-машины. Эдисон мог уже работать, опираясь на эти изобретения. Однако и Эдисон использовал в качестве тала накала угольную нить.

Из-за отсутствия денег и связей германский эмигрант не смог зарегистрировать патент на свою лампу с угольной нитью. Только в 1882 году Гебель написал в прессе о своей работе. Но к этому времени на международной выставке в Париже в 1881 году Эдисон уже представил свою лампу накаливания с угольной нитью и резьбовым цоколем и успел завоевать славу изобретателя лампы накаливания. Эдисон зарегистрировал патент на свою систему освещения и продавал права на ее изготовление в США и Европе.

Фирма General Electric Company, являясь наследницей прав фирмы Edison — Gesellschaft в США, вела многочисленные процессы против своих конкурентов, выдвигая против них обвинения в незаконном использовании патентов. Среди обвиняемых ею фирм была и фирма Beacon Vacuum Pump and Electrical Company. Эта фирма сослалась на работы Генриха Гебеля и добилась его участия в процессе в качестве свидетеля. Экспертам поручили оценить работоспособность его лампы с угольной нитью. В качестве доказательства под руководством Гебеля были изготовлены несколько ламп с угольными нитями. Стеклянную колбу наполнили ртутью, поставили ее вертикально, после чего спустили из колбы жидкий металл. В результате этого вокруг угольной нити образовался вакуум. Во время тестирования срок горения ламп Гебеля с угольными нитями составил от 190 до 254 часов.

Суд подтвердил Гебелю, что его лампа накаливания с угольной нитью «действительно является подходящим для использования источником света и что он использовал и прилюдно показывал подходящую для практического применения лампу накаливания еще за несколько десятилетий до Эдисона». Американский патент Эдисона пришлось признать недействительным до окончания срока действия охранных прав.

Таким образом, в возрасте 75 лет Генрих Гебель получил признание, как изобретатель первой пригодной для использования лампы накаливания с угольной нитью.

Источники света:
Естественные/древние: Биолюминесценция | Небесные тела | Молния
На основе горения: Карбидная лампа | Свеча | Газовая лампа | Керосиновая лампа | Масляная лампа | Лучина
Химические: Химический источник света
Электрические: Дуговая лампа | Лампа накаливания | Люминесцентная лампа | Свеча Яблочкова
Другие: Светодиод | Неоновая лампа | Лампа чёрного света
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home