Устройство электрической лампочки. Устройство и принцип действия лампы накаливания

Лампа накаливания – электрический осветительный прибор, принцип действия обусловлен нагревом до высоких температур нити тугоплавкого металла. Тепловой эффект тока известен давно (1800 год). С течением времени вызывает сильный нагрев (выше 500 градусов Цельсия), заставляя нить светиться. В стране вещички носят имя Ильича, на деле продвинутые историки бессильны однозначно дать ответ, кого назвать изобретателем лампы накаливания.

Конструкция ламп накаливания

Изучим строение прибора:

История создания ламп накаливания

Спирали далеко не сразу стали изготавливать из вольфрама. Применялись графит, бумага, бамбук. Много людей шло параллельным путем, создавая лампы накаливания.

Бессильны привести список 22 имен ученых, называемых зарубежными писателями авторами изобретения. Неправильно приписывать заслуги Эдисону, Лодыгину. Сегодня лампы накаливания далеки от совершенства, стремительно теряют маркетинговую привлекательность. Превышение амплитуды питающего напряжения на 10% (половину пути – 5% – РФ проделала в 2003 году, подняв вольтаж) номинала сокращает срок службы вчетверо. Снижение параметра закономерно урезает отдачу светового потока: 40% теряется при эквивалентном относительном изменении характеристик питающей сети в меньшую сторону.

Пионерам гораздо хуже. Джозеф Сван (Joseph Swan) отчаялся добиться достаточной разреженности воздуха колбы лампы накала. Насосы (ртутные) того времени неспособны выполнить задачу. Нить сгорала посредством сохранившегося внутри кислорода.

Смысл ламп накала довести спирали до степени нагрева, тело начинает светиться. Сложностей добавляло отсутствие в середине XIX века высокоомных сплавов – квота преобразования силы электрического тока сформирована увеличенным сопротивлением проводящего материала.

Усилия ученых мужей ограничивались следующими направлениями:

1. Выбор материала нити. Критериями выступали одновременно высокое сопротивление, устойчивость к горению. Волокна бамбука, являющегося изолятором, покрывали тонким слоем проводящего графита. Малая площади проводящего слоя угля повышало сопротивление, давая нужный результат.
2. Однако древесная основа быстро воспламенялась. Вторым направлением считаем попытки создать полный вакуум. Кислород известен с конца XVIII века, ученые мужи быстро доказали: элемент участвует в горении. В 1781 году Генри Кавендиш определил состав воздуха, начиная разрабатывать лампами накала, слуги науки ведали: земная атмосфера разрушает нагретые тела.
3. Важно передать напряжение нити. Шла работа, преследующая цели создания разъемных, контактных частей цепи. Понятно, тонкий слой угля снабжен большим сопротивлением, как подвести электричество? Трудно поверить, пытаясь достичь приемлемых результатов, использовали ценные металлы: платина, серебро. Получая приемлемую проводимость. Недешевыми путями удавалось избежать нагрева внешней цепи, контактов, нить накалялась.
4. Отдельно отметим резьбу цоколя Эдисона, используемую поныне (Е27). Удачная идея, легшая в основу быстро заменяемых лампочек накала. Прочие способы создания контакта, наподобие пайки, мало годятся. Соединение способно распасться, разогретое действием тока.

Стеклодувы XIX века достигли профессиональных высот, колбы изготавливали запросто. Отто фон Герике, конструируя генератор статического электричества, рекомендовал сферическую колбу залить серой. Материал застынет – стекло разбить. Получался идеальный шар, при трении собирал заряд, отдавая стальному стержню, проходящему через центр конструкции.

Пионеры отрасли

Можете прочесть: идея подчинить электричество целям освещения впервые реализована сэром Гемфри Дэви. Вскоре после создания вольтова столба ученый вовсю экспериментировал с металлами. Выбрал благородную платину за высокую температуру плавления – прочие материалы воздухом быстро окислялись. Попросту сгорали. Источник света вышел неяркий, давая основу сотням последующих наработок, показав направление движения желающим получить конечный результат: осветить, заручившись помощью электричества.

Произошло в 1802 году, ученому исполнилось 24 года, позже (1806) Гемфри Дэви представил суду общественности вполне работоспособный разрядный осветительный прибор, в конструкции которого ведущую роль занимали два угольных стрежня. Следует отнести короткую жизнь столь блистательного светила небосвода науки, давшего миру представление о хлоре, йоде, ряде щелочных металлов, на постоянные эксперименты. Смертельные опыты по вдыханию угарного газа, работы с оксидом азота (мощным отравляющим веществом). Авторы отдали честь блистательным подвигам, сократившим жизнь ученого.

Гемфри забросил, вырезав целое десятилетие исследований осветительных приборов, вечно занятый. Сегодня Дэви называют отцом электролиза. Трагедия 1812 года Felling Colliery наложила глубокий отпечаток, помрачив сердца многих. Сэр Гемфри Дэви пополнил ряды занявшихся разработкой безопасного источника света, уберегающего шахтёров. Электричество подходило мало, не существовало мощных надежных источников энергии. Чтобы рудничный газ перестал взрываться временами, применялись разные меры, наподобие металлической сетки-диффузора, препятствующей распространению пламени.

Сэр Гемфри Дэви сильно опередил время. Лет примерно на 70. Конец XIX века лавинообразно выдал новые конструкции, призванные вырвать человечество из вечной тьмы, благодаря использованию электричества. Одним из первых Дэви отметил зависимость сопротивления материалов от температуры, позволяя позже Георгу Ому получить . Спустя полвека открытие было положено в основу создания Карлом Вильгельмом Сименсом первого электронного термометра.

6 октября 1835 года Джеймс Боумэн Линдсей продемонстрировал лампочку накала, окруженную стеклянной колбой для защиты от действия атмосферы. Как выразился изобретатель: можно было читать книгу, рассеивая темноту на расстоянии полутора футов от подобного источника. Джеймс Боумэн, считают общепризнанные источники, является автором идеи защиты нити накала стеклянной колбой. Правда?

Склонны утверждать, в этом месте мировая история немного запуталась. Первый эскиз подобного устройства датируется 1820 годом. Приписывается почему-то Уорену де ла Ру. Которому было… 5 лет от роду. Одинокий исследователь заметил несуразицу, поставив дату… 1840 год. Бессилен детсадовец сделать столь великое изобретение. Причем забылись впопыхах демонстрации Джеймса Боумэна. Многие исторические книги (одна 1961 года, авторства Льюиса) так трактовали неведомо уже откуда взявшуюся картинку. Видимо, автор ошибся, другой источник, 1986 года Джозефа Стоера, относит изобретение на счет Августа Артура де ла Рива (1801 года рождения). Гораздо лучше соответствует действительности, объясняя демонстрации Джеймса Боумэна пятнадцатью годами позже.

Прошло незамеченным русскоязычным доменом. Английские источники проблема трактуют следующим образом: имена де ла Ру и де ла Рив явно перепутаны, касаться могут минимум четырех личностей. Физики Уорен де ла Ру, Август Артур де ла Рив упомянуты, первый в 1820 году посещал детсад, образно говоря. Прояснить историю могут отцы упомянутых мужей: Томас де ла Ру (1793 – 1866), Чарльз Гаспар де ла Рив (1770 – 1834). Неизвестный джентльмен (леди) провел целое исследование, убедительно доказал: ссылка на фамилию де ла Ру несостоятельна, сослался горой научной литературы начала XX – конца XIX века.

Неизвестный потрудился просмотреть патенты Уорена де ла Ру, набралось девять штук. Лампы накала описываемой конструкции отсутствуют. Августа Артура де ла Рива, начавшего публикацию научных трудов в 1822 году, сложно представить изобретающим стеклянную колбу. Посещал Англию – родину лампочки накала – исследовал электричество. Желающие могут написать автору статьи англоязычного сайта по электронной почте [email protected]. Пишет “ежков”: с удовольствием примет к сведению информацию, касающуюся вопроса.

Истинный изобретатель лампочки накала

Достоверно известно, в 1879 году Эдисон запатентовал (US Patent 223898) первую лампочку накала. Потомки зафиксировали событие. Касаемо более ранних публикаций, авторство вызывает сомнение. Неизвестен подаривший миру коллекторный двигатель. Сэр Гемфри Дэви отказался брать патент на изобретенный безопасный фонарь для шахты, сделав изобретение общедоступным. Подобные прихоти создают немалую путаницу. Бессильны выяснить, кто первым придумал помещать нить накала внутрь стеклянной колбы, обеспечив работоспособность конструкции, используемой повсеместно.

Лампы накаливания выходят из моды

Лампа накаливания использует вторичный принцип производства света. Достигает высокой температуры нить. КПД устройств мал, большая часть энергии расходуется впустую. Современные нормы диктуют стране беречь энергию. В моде разрядные, светодиодные лампочки. Навсегда остались в памяти Гемфри Дэви, де ла Ру, де ла Рив, Эдисон, приложившие руку, потрудившиеся вырвать человечество из тьмы.

Обратите внимание, Чарльз Гаспар де ла Рив скончался в 1834 году. Следующей осенью прошла первая публичная демонстрация… Некто нашел записи погибшего исследователя? Вопрос разрешит время, ибо все тайное откроется. Читатели обратили внимание: неизвестная сила подталкивала Дэви попробовать использовать защитную колбу, помогая шахтерам. Сердце ученого оказалось чересчур большим увидеть явный намек. Нужной информацией англичанин обладал…

Как работает лампа накаливания?

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

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

Принцип действия

В любой лампе накаливания, что обычной, что ретро лампочке, используется эффект нагревания проводника при протекании через него электрического тока . Температура нити повышается после замыкания электрической цепи. Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 градусов (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению с температурой поверхности фотосферы Солнца 5770 K . Однако неизвестны твердые вещества, способные без разрушения выдержать температуру фотосферы Солнца, поэтому рабочие температуры нитей ламп накаливания лежат в пределах 2000—2800 C. В телах накаливания современных ламп накаливания применяется тугоплавкий и относительно недорогой вольфрам (температура плавления 3410 °C ), рений и (очень редко) осмий . Поэтому спектр ламп накаливания смещён в красную часть спектра. Только малая доля электромагнитного излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение и воспринимается в виде тепла . Чем меньше температура тела накаливания, тем меньшая доля энергии , подводимой к нагреваемой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение , и тем более «красным» кажется излучение. Соответственно, ретро лампочки отличаются от обычных тем, что нагревают нить накаливания слабее. За счет этого нить накаливания медленнее испаряется и дольше функционирует.

Ретро лампочки, кстати, еще и полезны. При типичных для ламп накаливания температурах 2200—2900 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен для человека и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма (нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье).

В атмосферном воздухе при высоких температурах вольфрам быстро окисляется, образуя характерный белый налёт на внутренней поверхности лампы при потере ею герметичности. По этой причине, вольфрамовое тело накала помещают в герметичную колбу, из которой, в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Также встречаются, даже более часто, газонаполненные лампы: в них колба заполняется инертным газом — обычно аргоном . Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп уменьшает скорость испарения вольфрамовой нити. Это не только увеличивает срок службы лампы, но и позволяет повысить температуру тела накаливания. Таким образом, световой КПД повышается, а спектр излучения приближается к белому. Внутренняя поверхность колбы газонаполненной лампы медленнее темнеет при распылении материала тела накала в процессе работы, как у вакуумированной лампы. Ретро лампочки как правило делаются с вакуумныи колбами, но некоторые производители делают их газонаполенными.

Конструкция

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

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

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель — звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы — как правило, в ножке. Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы.

Нить накаливания

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

Цоколь

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

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

Интересные факты

"Столетняя лампа"

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

Вскоре после открытия электричества появились электрические устройства освещения. Очень долгое время среди источников искусственного света доминировали лампы накаливания. В последние годы, в связи с обострением борьбы за энергетическую эффективность, широкое распространение получают новые приборы освещения – энергосберегающие люминисцентные и светодиодные лампы. Действие тока используется в электрических лампочках по-разному, ниже приводятся описания типов и принципов получения света.

Виды источников искусственного света

• Лампочка накаливания – наиболее простой и дешёвый источник искусственного света. Преобразование электрической энергии в световую происходит за счёт сильно разогретой под действием электрического тока металлической нити в виде спирали. Рабочая температура нити около 2500 °С. Нагретое до такой температуры тело начинает генерировать электромагнитное излучение в видимом диапазоне спектра, проще говоря — свет. Спираль изготавливается из тугоплавкого металла, чаще всего вольфрама или рения. Для предотвращения быстрого испарения и разрушения, нить накаливания помещена в герметичную колбу. Воздух из колбы откачивается, либо колба наполняется инертным газом: азотом, аргоном, криптоном.

• Галогеновые лампы являются разновидностью ламп накаливания с улучшенными характеристиками. Внутри колбы такой лампы содержится так называемый «буферный» газ в виде паров галогенов йода или брома. Наличие галогенов препятствует испарению металла спирали и осаждению его на стенках колбы. В результате становится возможным повышение температуры до 3000°С. При этом размер колбы может быть уменьшен, а срок службы лампы увеличен.

• Газоразрядные источники используют явление свечения газов под воздействием электрического тока (газовый разряд). Внутри стеклянной колбы, наполненной газом, смесью газов или парами металлов, между двумя электродами, расположенными на концах трубки, протекает ток, вызывающий свечение газа. В зависимости от состава газовой среды, цвет свечения может быть разным.

• Люминисцентные источники – это частный случай газоразрядных ламп. В лампах дневного света трубка наполнена парами ртути. Электрический разряд в парах ртути создаёт ультрафиолетовое свечение. На поверхность трубки нанесен специальный состав – люминофор. Под воздействием ультрафиолета люминофор генерирует вторичное излучение, близкое к дневному свету, откуда эти приборы и получили своё название. В зависимости от состава люминофора возможны различные оттенки белого света, более тёплые или холодные. Сведения об оттенке обычно содержатся в маркировке ламп и называются цветовой температурой.

• В светодиодных лампах источником света является прибор, излучающий свет при прохождении электрического тока через твердотельный кристалл полупроводник. Цвет свечения зависит от материала полупроводника. Светодиод белого свечения появился относительно недавно. Получение белого света стало возможным с появлением синего светодиода. На самом деле, белый формируется с помощью люминофора, облучаемого синим или фиолетовым излучением от полупроводникового кристалла. Цветовая температура светодиодов белого свечения варьируется в широких пределах. Светодиод — достаточно сложный в производстве прибор, потому светодиодные лампы имеют высокую стоимость.

Цветовая температура

Характеризует оттенок белого света, выражается в градусах Кельвина и находится в диапазоне от 1000 до 10 000°К. Низкие значения ближе к красному — теплый оттенок, высокие, бело-синие – холодный. Дневной свет имеет цветовую температуру около 5200 К. Основная масса осветительных приборов выпускается в диапазоне 2700—6500 К.

Как видно, несмотря на то, получение света является результатом действия электрического тока, используется он в электрических лампах разных типов по своему. Современные источники света достигают очень высокого КПД и в сравнении с лампами накаливания. Светодиоды являются настоящим прорывом в области получения искусственного света.

Лампа накаливания - это электрический источник света, который излучает световой поток в результате накала проводника из тугоплавкого металла (вольфрама). Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди всех чистых металлов (3693 К). Нить накала находится в стеклянной колбе, заполненной инертным газом (аргоном, криптоном, азотом). Инертный газ предохраняет нити накаливания, от окисления. Для ламп накаливания небольшой мощности (25 Вт) изготавливают вакуумные колбы, которые не заполняются инертным газом. Стеклянная колба препятствует негативному воздействию атмосферного воздуха на вольфрамовую нить.

Для расчёта освещенности помещения вы можете воспользоваться калькулятором расчета освещенности помещения .

Разновидности ламп накаливания.

Лампы накаливания делятся на:

• Вакуумные;
• Аргоновые (азот-аргоновые);
• Криптоновые (+10 % яркости от аргоновых);
• Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых);
• Галогенные (состав I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, высокий срок службы);
• Галогенные с двумя колбами (улучшенный галогенный цикл за счёт лучшего нагрева внутренней колбы);
• Ксенон-галогенные (состав Xe + I или Br, до 3х раз ярче аргоновых);
• Ксенон-галогенные с отражателем ИК-излучения;
• Накаливания с покрытием, преобразующим ИК-излучение в видимый диапазон. (новинка)

Достоинства и недостатки ламп накаливания.

Достоинства:

• невысокая стоимость;
• мгновенное зажигание при включении;
• небольшие габаритные размеры;
• широкий диапазон мощностей.

Недостатки:

• большая яркость (негативно воздействует на зрение);
• небольшой срок службы - до 1000 часов;
• низкий КПД. (только десятая часть потребляемой лампой электрической энергии преобразуется в видимый световой поток) остальная энергия преобразуется в тепловую.

Характеристики ламп накаливания.

Световой поток - это физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения.

Световая отдача - это отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Является показателем эффективности и экономичности источников света.

Люмен - это единица измерения светового потока, световая величина.

Световой поток и световая отдача ламп накаливания.

Сравнительная таблица соотношения светового потока к потребляемой мощности различных типов ламп.

Характеристики раздичных видов ламп по светопередаче.

• ЛН - лампы накаливания;
• ГЛН - галогенный лампы;
• КЛЛ - компактно люминесцентные лампы;
• МГЛ - металлогалогенные лампы;
• ЛЛ - люминисцентные лампы;
• Светодиоды - светодиодные лампы.

Характеристики различных типов ламп накаливания.

Напряжение на лампе - U, Вольт;

Мощность лампы - W, Вт;

Световой поток - Лм, Люмен.

Лампы накаливания общего назначения (стандартные).

Лампы накаливания общего назначения (миньоны).

Лампы накаливания общего назначения (зеркальные) .

Лампы накаливания общего назначения (матовые).

Схемы включения ламп накаливания.

Монтажная схема включения однолампового светильника с розеткой.

Принципиальная схема включения одной лампы с выключателем и штепсельной розеткой.

Электричество, на котором работают осветительные лампы, телевизоры и другие бытовые электроприборы, состоит из движущихся электронов или электрического тока. Если свободный электрон приведен в движение, он со временем столкнется с атомом и переведет его в возбужденное состояние, другими словами - передаст атому часть своей энергии.

Возбужденный атом затем высвобождает эту дополнительную энергию в виде электромагнитного излучения. Когда электроны перемещаются по металлической нити лампы накаливания, нагрев нити приводит к тому, что она раскаляется добела и начинает испускать интенсивное электромагнитное излучение.

В люминесцентной лампе электрический ток вместо нити накала течет через газ. Когда электрический ток проходит по газоразрядной трубке, он заставляет газ испускать ультрафиолетовое излучение, которое возбуждает фосфор, покрывающий внутреннюю поверхность трубки, запуская цепную реакцию, в результате которой электромагнитное излучение высвобождается в области видимого света.

Длина волны излучения, испускаемого горячими телами, больше всего зависит от их температуры. Солнце при 6000°К испускает основную часть своего излучения в видимом спектре, в то время как 100-ваттная лампа накаливания, излучающая при температуре около 3000°К, выделяет основную часть своей энергии в виде инфракрасного излучения и совсем немного - в видимом диапазоне.

Удивительная нить

Электричество нагревает нить накала - свернутую спиралью проволоку внутри лампы накаливания - примерно до 3000°К (5000°F). Эта тонкая проволочка может выдерживать столь высокую температуру, потому что сделана из вольфрама, металла с высокой температурой плавления.

Люминесцентный свет из газа

В люминесцентных лампах в производстве света участвуют электроны, газ и химическое вещество, называющееся фосфором. Электроны, протекающие через полость стеклянной трубки, сталкиваются с атомами газа, отдавая им свою энергию. Возбужденные атомы газа высвобождают невидимые ультрафиолетовые лучи, которые бомбардируют фосфорное покрытие трубки. Фосфор поглощает это излучение и вновь его испускает, но уже в видимом диапазоне спектра

Тепловыделение в лампе накаливания

Лампа накаливания разогревается, потому что свободные электроны (голубые шарики) движутся по ее металлической нити (коричневая трубка) и сталкиваются на своем пути со стационарными атомами (красные шарики). Возбужденные атомы начинают совершать интенсивные колебания, увеличивая температуру металлической нити и заставляя ее светиться.